1.7. Реализация аппаратно-программных модулей графической системы

Реализация аппаратно-программных модулей графической системы

– технические и логические способы преобразования и отображения графической информации.

1.7.1. Мониторы

Информационную связь между пользователем и компьютером обеспечивает монитор.

Система отображения компьютера состоит из двух главных компонентов:

■монитора (дисплея);

■видеоадаптера (называемого также видеоплатой или видеокар-

той).

Информация на мониторе может отображаться несколькими способами. На экране электроннолучевой трубки (ЭЛТ), такой же, как в телевизоре. ЭЛТ представляет собой электронный вакуумный прибор в стеклянной колбе, в горловине которого находится электронная пушка,

ана дне – экран, покрытый люминофором.

Нагреваясь, электронная пушка испускает поток электронов, которые с большой скоростью устремляются к экрану. Поток электронов (электронный луч) проходит через фокусирующую и отклоняющую катушки, которые направляют его в определенную точку покрытого люмипофором экрана. Под воздействием ударов электронов люминофор излучает свет, который видит пользователь, сидящий перед экраном компьютера. В электронно-лучевых мониторах используются три слоя люминофора: красный, зеленый и синий. Для выравнивания потоков электронов применяется так называемая теневая маска – металлическая пластина, имеющая щели пли отверстия, которые разделяют красный, зеленый и синий люминофор на группы по три точки каждого цвета. Качество изображения определяется типом используемой теневой маски; на резкость изображения влияет расстояние между группами люминофоров (шаг расположения точек).

Химическое вещество, используемое в качестве люминофора, характеризуется временем послесвечения, которое отображает длительность свечения люминофора после воздействия электронного пучка. Время послесвечения и частота обновления изображения должны соответствовать друг другу, чтобы не было заметно мерцание изображения

46

(если время послесвечения очень мало) и отсутствовала размытость и удвоение контуров в результате наложения последовательных кадров (если время послесвечения слишком велико).

Экраны мониторов могут быть двух типов: выпуклые и плоские. До недавнего времени большинство экранов были выпуклыми, т.е. экран изгибался к краям корпуса. Этот принцип применялся в производстве львиной доли ЭЛТ-мониторов и телевизоров. Несмотря на низкую стоимость подобного экрана, выпуклая поверхность приводила к искажению изображения и появлению бликов, особенно если монитор располагался в ярко освещенной комнате. Чтобы уменьшить уровень отблеска света типичного выпуклого экрана, в некоторых мониторах используется специальное антибликовое покрытие. В настоящее время большинство ЭЛТ мониторов оснащены экранами, плоскими в горизонтальном и вертикальном сечении.

На рис. 1.33 показан принцип действия ЭЛТ. Пучок электронов (электронный луч), выходящий из электронной пушки, проходит через системы фокусировки и отклонения, которые направляют луч в определенное место на экране, покрытом люминесцентным веществом – люминофором.

Рис. 1.33. Устройство цветного кинескопа: 1 –Электронные пушки. 2 – Элек-

тронные лучи. 3 – Фокусирующая катушка. 4 – Отклоняющие катушки. 5 – Анод. 6 – Маска, благодаря которой красный луч попадает на красный люминофор, и т.д. 7 – Красные, зелёные и синие зёрна люминофора. 8 – Маска и зёрна люминофора (увеличенно).

(Источник http://ru.wikipedia.org/)

Затем на поверхности люминесцентного покрытия в каждой точке, куда попал электронный луч, появляется небольшое пятно света. Поскольку свет, излучаемый люминофором, очень быстро угасает, нужны какие-то методы, позволяющие сохранить картинку на экране. Один из

47

таких способов – сохранение информации о картинке в виде распределения зарядов внутри ЭЛТ. Затем это распределение зарядов можно использовать для поддержания люминофора в активном состоянии. Однако самый распространенный метод из тех, которые сегодня применяются для поддержания свечения люминофора, – это многократное повторение картинки путем быстрого перенаправления электронного луча в одни и те же точки экрана. Соответствующий тип дисплея называется электронно-лучевой трубкой с регенерацией, а частота, с которой картинка повторяется на экране, – частотой регенерации.

Главные элементы электронной пушки в ЭЛТ – это раскаленный металлический катод и управляющая сетка (рис. 1.33). Катод нагревается путем пропускания тока через катушку, которая называется нитью накала и находится внутри цилиндрического катода. Это приводит к «испарению» электронов с поверхности разогретого катода. Затем свободные, отрицательно заряженные электроны благодаря большой положительной разности потенциалов в вакууме внутри оболочки ЭЛТ получают ускорение в направлении люминесцентного покрытия. Ускоряющую разность потенциалов можно получить с помощью положительно заряженного металлического покрытия на внутренней стороне оболочки ЭЛТ поблизости люминесцентного экрана, кроме того, положительное напряжение можно создать с помощью ускоряющего анода. Иногда электронную пушку проектируют таким образом, чтобы ускоряющий анод и система фокусировки составляли один элемент.

Интенсивность электронного луча контролируется напряжением на управляющей сетке, представляющей собой металлический цилиндр, расположенный вокруг катода. Высокое отрицательное напряжение на управляющей сетке перенаправляет луч, отталкивая электроны и не позволяя им пройти через маленькое отверстие на конце управляющей сетки. Меньшее отрицательное напряжение на управляющей сетке просто уменьшает количество пропускаемых электронов. Поскольку количество света, излучаемого люминесцентным покрытием, зависит от числа электронов, попадающих на экран, яркость определенной точки на экране контролируется путем изменения напряжения на управляющей сетке. Для отдельных точек на экране эта яркость, или уровень интенсивности, определяется командами графического программного обеспечения.

Система фокусировки ЭЛТ сжимает электронный пучок и уменьшает поперечное сечение луча, попадающего на люминесцентный экран. В противном случае электроны отталкивались бы друг от друга, и при приближении к экрану пучок бы расширялся. Фокусировка осуще-

48

ствляется с помощью либо электрического, либо магнитного поля. При электростатической фокусировке электронный луч проходит через положительно заряженный металлический цилиндр, на центральной оси которого электроны находятся в состоянии равновесия.

Позаимствовав технологию у изготовителей дисплеев для портативных компьютеров, некоторые компании разработали жидкокристаллические дисплеи, называемые также LCD-дисплеями. Для них характерен безбликовый плоский экран и низкая потребляемая мощность (некоторые модели таких дисплеев ноччх-бляют 5 Вт, в то время как мониторы с электронно-лучевой трубкой порядка 100 Вт). По качеству цветопередачи жидкокристаллические панели с активной матрицей в настоящее время превосходят большинство моделей мониторов с электроннолучевой трубкой.

Экраны LCD (Liquid Crystal Display, жидкокристаллические мониторы) сделаны из вещества (цианофенил), которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Фактически это жидкости, обладающие анизотропией свойств (в частности, оптических), связанных с упорядоченностью в ориентации молекул.

Работа ЖКД основана на явлении поляризации светового потока. Известно, что так называемые кристаллы-поляроиды способны пропускать только ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции которой лежит в плоскости, параллельной оптической плоскости поляроида. Для оставшейся части светового потока поляроид будет непрозрачным. Таким образом поляроид как бы «просеивает» свет. Этот эффект называется поляризацией света. Когда были изучены жидкие вещества, длинные молекулы которых чувствительны к электростатическому и электромагнитному полю и способны поляризовать свет, появилась возможность управлять поляризацией. Эти аморфные вещества за их схожесть с кристаллическими веществами по электрооптическим свойствам, а также за способность принимать форму сосуда, назвали жидкими кристаллами.

Экран LCD представляет собой массив маленьких сегментов, называемых пикселями, которыми можно манипулировать для отображения информации. LCD имеет несколько слоев, где ключевую роль играют две панели, сделанные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного материала, называемого субстрат или подложка. Слои собственно и содержат тонкий слой жидких кристаллов между собой (см. рис. 1.34). На панелях имеются бороздки, которые направляют кристаллы, сообщая им специальную ориентацию. Бороздки расположены

49

таким образом, что они параллельны на каждой панели, но перпендикулярны между двумя панелями. Продольные бороздки получаются в результате размещения на стеклянной поверхности тонких пленок из прозрачного пластика, который затем специальным образом обрабатывается. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ориентируются одинаково во всех ячейках. Молекулы одной из разновидностей жидких кристаллов (нематиков) при отсутствии напряжения поворачивают вектор электрического (и магнитного) поля в световой волне на некоторый угол в плоскости, перпендикулярной оси распространения пучка. Нанесение бороздок на поверхность стекла позволяет обеспечить одинаковый угол поворота плоскости поляризации для всех ячеек. Две панели расположены очень близко друг к другу.

Рис. 1.34. Конструкция ЖК – дисплея

(Источник http://www.ferra.ru/online/video)

Жидкокристаллическая панель освещается источником света (в зависимости от того, где он расположен, жидкокристаллические панели работают на отражение или на прохождение света). Как видно на р и- сунке 1.35, плоскость поляризации светового луча поворачивается на 90° при прохождении одной панели. При появлении электрического поля, молекулы жидких кристаллов частично выстраиваются вертикально вдоль поля, угол поворота плоскости поляризации света становится отличным от 90 градусов и свет беспрепятственно проходит через жидкие кристаллы (см. рис. 1.36).

50

В присутствии электрического поля поворота вектора поляризации происходит на меньший угол, тем самым второй поляризатор становится только частично прозрачным для излучения. Если разность потенциалов будет такой, что поворота плоскости поляризации в жидких кристаллах не произойдет совсем, то световой луч будет полностью поглощен вторым поляризатором, и экран при освещении сзади будет спереди казаться черным (лучи подсветки поглощаются в экране полностью). Если расположить большое число электродов, которые создают разные электрические поля в отдельных местах экрана (ячейки), то появится возможность при правильном управлении потенциалами этих электродов отображать на экране буквы и другие элементы изображения. Электроды помещаются в прозрачный пластик и могут принимать любую форму. Технологические новшества позволили ограничить их размеры величиной маленькой точки, соответственно на одной и той же площади экрана можно расположить большее число электродов, что увеличивает разрешение LCD-монитора, и позволяет нам отображать даже сложные изображения в цвете. Для вывода цветного изображения необходима подсветка монитора сзади, таким образом, чтобы свет исходил из задней части LCD. Это необходимо для того, чтобы можно было наблюдать изображение с хорошим качеством, даже если окружающая среда не является светлой. Цвет получается в результате использования трех фильтров, которые выделяют из излучения источника белого света три

51