ВОПРОСЫ_И_Лекции по КГ

Основные преимущества подхода с использованием графпакетов состоят в следующем:

1.Легкая обучаемость, так как пользователь пакета не выходит за рамки удобного либо привычного ему языка.

2.Легкая расширяемость за счет написания самим пользователем подпрограмм, необходимых для его приложения. Задача системных программистов состоит в том, чтобы дать базисный пакет, пригодный для многих пользователей и многих приложений.

3.Легкая переносимость прикладной программы на другие ЭВМ.

4.Легкая адаптируемость к новым требованиям либо аппаратным возможностям. 5.Легкое обеспечение многоязыковости либо за счет наличия функционально идентичного пакета для другого языка, либо за счет использования одной и той же библиотеки в рамках многоязыковой системы программирования, либо за счет единого исполнительного модуля, доступного с помощью пакетов процедур связи из

различных систем программирования.

Очевидными недостатками такого подхода являются:

1.Недостаточная гибкость, связанная с тем, что заранее фиксированный выбор базисного пакета со сравнительно ограниченными средствами может значительно усложнить прикладную программу, требующую функций, выходящих за рамки базисных.

2.Громоздкость, связанная с тем, что простота расширений в сочетании с недостаточной гибкостью приводит к созданию множества подпрограмм по разному выполняющих схожие функции, либо к созданию универсальных подпрограмм с большим числом разного рода дополнительных параметров для преодоления ограничений. Несмотря на отмеченные недостатки, можно уверенно утверждать, что создание пакетов графических подпрограмм является основным средством разработки графического программного обеспечения.

Технические средства компьютерной графики

При работе с цифровыми изображениями на компьютере необходимы не только программные продукты, но и соответствующая им аппаратная часть ПК. Для эффективности работы оборудование должно иметь характеристики, обеспечивающие быструю, удобную и комфортную обработку графической информации.

Желательно наличие сканера и хорошего цветного принтера. Базовая конфигурация компьютера содержит устройства:

Системный блок

Монитор

Клавиатуру

Манипулятор «мышь»

К компьютеру могут подключаться дополнительные устройства. Их называют периферийными: принтер, джойстик, сканер, музыкальная приставка, модем, плоттер, дигитайзер, цифровая фотокамера, световое перо, графический планшет и т.д.

Графические рабочие станции - мощные компьютеры, которые используются в качестве рабочих мест для профессиональной работы со сложной графической информацией. В их состав входит мощная графическая подсистема, которая реализует многие графические операции аппаратно. Вычислительная мощность графических

21

процессоров рабочих станций превышает производительность ЦП. Графические станции имеют монитор с большим экраном и высоким разрешением, оснащаются многими устройствами ввода: мышь, большие графические планшеты или специальные шлемы для работы в виртуальной реальности.

Периферийные устройства ПК

Периферийные устройства служат для расширения функциональных возможностей ПК, удобство управления им и представления информации в различных формах в процессе ее обработки, хранения и отображения. К периферийным устройствам относятся: принтеры, модемы, сканеры, CD-ROM, магнитооптические диски, стримеры, графические планшеты, плоттеры, устройства мультимедиа (видеобластеры, звуковые платы и акустические системы), трекболы, джойстики и другие, желательные, но не обязательные устройства.

Периферийные устройства ПК подключаются к его интерфейсам. Подсоединение периферийных устройств к компьютеру производится через устройства сопряжения (адаптеры), на которых реализованы стандартные или специальные интерфейсы. Обычно адаптеры выполняются в виде отдельных плат ввода/вывода, вставляемых в разъемы расширения на системной плате. Интерфейс определяет тип и вид соединителя (вилка или розетка), протоколы обмена, уровни и длительности электрических сигналов. Последовательный и параллельный интерфейсы называют также портами ввода/вывода. Последовательные порты используются для подключения мыши, удаленного принтера, внешнего модема, плоттера и т.п. Параллельные порты используются для подключения принтера, сканера, плоттера.

По назначению периферийные устройства разделяются на:

Устройства ввода данных

Устройства вывода данных

Устройства хранения данных

Устройства обмена данными

Устройства ввода данных Мышь является важнейшим средством ввода графической информации. В

современных программных продуктах, имеющих сложную графическую оболочку, мышь является основным инструментом управления программой. Одной из важных характеристик мыши является ее разрешение, измеряемое в dpi. Эта характеристика определяет минимальное перемещение, которое способен почувствовать контроллер мыши. Чем больше разрешение, тем точнее позиционируется мышь, тем с более мелкими объектами можно работать. Нормальное разрешение мыши лежит в диапазоне от 300 до 900 (сейчас 1600 dpi). ПО принципу действия мыши бывают механические, оптико-механические и оптические (самое точное позиционирование курсора). Мыши подключаются к COM1 или COM2 последовательным портам (последовательные мыши), параллельные мыши подключаются к системной шине, это хорошо в случаях, когда к компьютеру подключается много периферийных устройств. К тенденциям развития современных мышей можно отнести постепенный переход на шину USB и беспроводные мыши, работающие в радио- и инфракрасном диапазоне волн.

Трекбол

Трекбол – это устройство ввода информации, которое можно представить в виде перевернутой мыши с шариком большого размера. Принцип действия такой же, как и

22

у мыши, подключается через последовательный порт. Отличие от мыши в том, что не нужна площадка для движения и стабильность положения за счет неподвижного корпуса.

Джойстики

Джойстик является координатным устройством ввода информации и наиболее часто применяется в области компьютерных игр и компьютерных тренажеров, бывают аналоговые и цифровые, подключаются к игровому порту.

Тачпад и трекпойнт

Трекпойнт - координатное устройство, впервые появившееся в ноутбуках IBM, представляет собой миниатюрный джойстик с шершавой вершиной диаметром 5-8 мм. Трекпойнт расположен на клавиатуре между клавишами и управляется нажатием пальца.

Тачпад представляет собой чувствительную контактную площадку, движение пальца по которой вызывает перемещение курсора. В подавляющем большинстве современных ноутбуков применяется именно это указательное устройство, имеющее не самое высокое разрешение, но обладающее самой высокой надежностью из-за отсутствия движущихся частей.

Дальнейшим развитием TouchPad является TouchWriter - панель TouchPad с повышенной чувствительностью, одинаково хорошо работающая как с пальцем, так и со специальной ручкой и даже с ногтем. Эта панель позволяет вводить данные привычным для человека образом - записывая их ручкой. Кроме того, ее можно использовать для создания графических изображений или для подписывания ваших документов. Для желающих писать китайскими иероглифами, можно порекомендовать установить на компьютер пакет QuickStroke, который позволит вводить иероглифы, непосредственно рисуя их на панели. Причем программа, по мере ввода, предлагает готовые варианты иероглифов.

Клавиатура

Клавиатура – это устройство ввода информации в компьютер и подачи управляющих сигналов.

Световое перо

Это светочувствительное устройство, предназначенное для снятия координат точек экрана, ввода данных в информационную систему.

Световое перо, по форме напоминает пишущую ручку, предназначено для взаимодействия с экраном монитора. В наконечнике пера устанавливается фотоэлемент, который реагирует на световой сигнал, передаваемый экраном в точке прикосновения пера и момент этой реакции сообщается системе. Здесь сопоставляется время появления сигнала с синхросигналом развертки изображения. В результате, определяется положение светового пера на экране.

Световое перо не требует создания специального экрана или его покрытия, как у сенсорного устройства. Сказанное позволяет выделять точку, указываемую пользователем, и благодаря этому вводить информацию в систему.

Таким образом, можно записать и, затем, осуществить распознавание рукописного текста, нарисовать рисунок.

Сканеры

23

Для ввода графической информации используют сканеры, графические планшеты (дигитайзеры) и цифровые фотокамеры.

Сканер – устройство для копирования графической и текстовой информации и ввода ее в компьютер. Персональные сканеры бывают трех типов – ручные, планшетные и барабанные. Основными элементами сканера являются полупроводниковый лазер и полупроводниковый фотоприемник. Когда сканер ведут по тексту или изображению, лазерный луч бегает по листу, сканирует его и отражает на светочувствительный полупроводниковый элемент. Фотоэлемент преобразует световой сигнал в электрический, который затем по шине передается в компьютер. В нем сигнал преобразуется в цифровую форму, содержащую информацию о координатах и цвете каждого пикселя изображения. На последней стадии полученная об изображении информация записывается на диск в виде файла. При сканировании выполняются две основные операции оцифровки: дискретизация, кодирование.

Дискретизация В фазе дискретизации сканер просматривает изображение через воображаемую

сетку и присваивает каждой клеточке этой сетки соответствующую цветовую величину, эквивалентную интегральному цветовому значению данной ячейки исходного физического изображения. Получаемое при этом конечное количество элементов (дискретов) характеризует величину разрешения, которая в данном случае определяется числом цифровых элементов, создаваемых сканером на одном дюйме изображения.

Кодирование Кодирование является второй фазой сканирования. Для его реализации

используется специальное электронное устройство – цифро-аналоговый преобразователь. Он сравнивает аналоговый сигнал, поступающий с фоточувствительной пленки сенсорного устройства с эталоном, функции которого выполняет источник опорного напряжения.

Сканеры бывают черно-белые и цветные. Цветные сканеры работают по принципу сложения цветов, при котором цветное изображение создается путем смешения трех цветов: красного, синего и зеленого.

Технически это реализуется двумя способами:

1.при сканировании цветной оригинал освещается не белым светом, а последовательно красным, зеленым и синим. Сканирование осуществляется для каждого цвета отдельно, полученная информация предварительно обрабатывается и передается в компьютер;

2.в процессе сканирования цветной оригинал освещается белым цветом, а отраженный свет попадает на CCD-матрицу через систему специальных фильтров, разлагающих его на три компонента: красный, зеленый, синий, каждый из которых улавливается своим набором фотоэлементов.

Сканеры делятся на ручные, планшетные, барабанные, листовые

Планшетные сканеры

Планшетные сканеры предназначены для ввода графической информации с прозрачного и непрозрачного материала. Принцип действия этих устройств состоит в том, что луч света отраженный от поверхности материала, фиксируется специальными элементами, называемыми приборами с зарядовой связью. Обычно

24

элементы с ПЗС конструктивно оформляются в виде линейки по ширине исходного материала. Перемещение линейки относительно листа бумаги выполняется механическим притягиванием линейки при неподвижном листе или при протягивании листа при неподвижной установки линейки (листовые). Под крышку планшетного сканера можно заложить лист, страницу или развернутую книгу. Этим планшетные сканеры напоминают копировальный аппарат. Эксплуатационные параметры планшетных сканеров:

-разрешающая способность

-производительность сканера

-динамический диапазон

-максимальный размер сканируемого материала

Значение разрешающей способности зависит от плотности размещения ячеек ПЗС на линейке, а также от точности механического позиционирования линейки при сканировании. Разрешающая способность для офисного применения – 600-1200 dpi. Производительность сканера характеризуется продолжительностью сканирования листа бумаги. Динамический диапазон определяется логарифмом отношения яркости наиболее светлых участков изображения к яркости наиболее темных участков.

Ручные сканеры

Ручные сканеры – это недорогие устройства небольшого размера. Они удобны для оперативного сканирования изображений из книг и журналов. Ширина полосы сканирования обычно не превышает 105 мм, стандартное разрешение – 300-400 dpi. К недостаткам ручного сканера относится зависимость от навыков пользователя и невозможность сканирования больших изображений целиком.

Барабанные сканеры

В барабанных сканерах исходный материал закрепляется на цилиндрической поверхности барабана, вращающегося с высокой скоростью. Устройства этого типа обеспечивают наивысшее разрешение в 2400-5000 dpi. Барабанные сканеры используются в типографском производстве.

Существуют специальные сканеры предназначенные для оцифровки слайдов и негативов. Слайдовые сканеры были намного дороже других, и их применение было оправдано в случае, когда необходимо получить большое количество снимков. Сейчас они стали доступнее.

К аппаратным средствам получения цифровых графических (растровых) оригиналов в основном относятся сканеры и цифровые фотокамеры. Другие устройства, например, цифровые видеокамеры, адаптеры захвата телевизионных кадров, в компьютерной графике играют вспомогательную роль. Для создания изображений от руки используются графические планшеты. Сканеры уже были рассмотрены нами ранее. Цифровые фотокамеры и графические планшеты являются устройствами ввода.

Лазерные сканеры в 10-100 раз дороже, чем системы механической оцифровки, такие, как MicroScribe-3D. Системы, использующие лазеры, имеют много ограничений. Объекты с отражающими или яркими поверхностями, большие объекты

иобъекты с вогнутыми поверхностями, которые затеняют прямой путь лазерного луча - главная проблема для лазерных систем.

Цифровые фотокамеры

Цифровые фотокамеры – это еще один тип устройства оцифровывания графики

иввода изображений в ПК. В отличие от обычного фотоаппарата в его цифровом

25

аналоге изображение проецируется не на фотопленку, а на полупроводниковую светочувствительную матрицу из ПЗС ячеек. После этого изображение переводится в цифровую форму и записывается в память фотокамеры. Главным достоинством цифровой фотокамеры является оперативность. Снятый кадр можно сразу же пометить в компьютер и отправить через Интернет. Главный недостаток – невозможность пока качественный отпечаток большого размера на бумаге.

Принцип действия цифровой камеры.

Свет, прошедший через объектив, попадает на светочувствительную матрицу (занимающую место пленки). Эта матрица есть совокупность сенсоров – ПЗС (CCD), которые и выполняют оцифровку изображения. Светочувствительная матрица (сенсоры) является одним из главных компонентов цифровой камеры. Качество последующей картинки во многом определяется характеристиками сенсоров. Цифровые камеры давали разрешение сначала 640 х480, 800 х 600, более дорогие 1500 х 1200 (около 2 Мегапикселей), 2560 х 1920( примерно 5 Мегапикселей) и более, например 4080 х 4080 (16 Мегапикселей) или 4992 х 3328 (около 17,2 Мегапикселей). После того как мы получили фотокартинку, ее необходимо записать в память. Для этого чаще всего используются форматы IPEG или TIFF. Для фотографа не столько важен формат записи, сколько возможность разных режимов сжатия и количество памяти в камере. Память может быть встроенной (например, жесткий диск емкостью 20 – 40 Мбайт), либо это могут быть обычные съемные дискеты (1,44Мб), или карты емкостью 2,4,8,10 Мбайт и более, а также память Flash. В настоящее время память цифровой видеокамеры достигает 1 Гбайт, или до 4 Гбайт, может быть 6 Гбайт и это наверное не предел. Еще одним достоинством цифровых камер является наличие жидкокристаллического дисплея, на котором можно посмотреть то, что уже снято.

Дигитайзер

Дигитайзер предназначен для профессиональных графических работ. С помощью специального программного обеспечения он позволяет преобразовывать движение руки оператора в формат векторной графики. Дигитайзер - устройство ввода чертежей с листа, он имеет специальный инструмент – перо. При перемещении пера над линиями чертежа производятся отсчеты его координат в близко расположенных точках. Эти данные вводятся в компьютер, тем самым производится преобразование готовых изображений в цифровую форму данных.

Дигитайзер состоит из специального планшета, который является рабочей поверхностью и, кроме этого, выполняет разнообразные функции управления программным обеспечением, и светового пера или, чаще, кругового курсора, являющихся устройствами ввода информации.

Графические планшеты (разновидность дигитайзера)

Другим аппаратным средством получения цифровых оригиналов являются графические планшеты. Они представляют собой собой панель, под которой расположена электромагнитная решетка, т.е. координатная двумерная электронная сетка, каждый элемент которой способен воспринимать и передавать ряд сигналов от электронного пера. К такиым сигналам относятся: координаты точки контакта пера с планшетом, сила нажима, угол наклона, скорость прохода и ряд других. Затем за счет программного преобразования полученные данные отображаются на экране в виде линий, мазков и других художественных средств создания изображений.

26

Графический планшет может иметь различные форматы: от А2 - для профессиональной деятельности и меньше - для более простых работ.

Устройства вывода Принтеры.

К устройствам вывода относятся принтеры. Принтер – это печатающее устройство, он осуществляет вывод из компьютера закодированной информации в виде печатных копий текста и графики. Модели принтеров делятся на четыре типа: матричные, струйные, лазерные и светодиодные.

Матричные принтеры. До недавнего времени матричные принтеры являлись основным стандартным устройством вывода информации. Матричные принтеры используют комбинации маленьких штырьков, которые бьют по красящей ленте, оставляя отпечаток символа на бумаге. Каждый печатываемый символ формируется из набора 9, 18 или 24 игл, сформированных в виде вертикальной колонки. Недостатком этих принтеров являются шумная, медленная и не очень качественная работа.

Струйные принтеры

В струйных принтерах изображение формируется микроскопическими каплями специальных чернил, вылетающих на бумагу через маленькие отверстия – сопла (от 16 до 64 или даже несколько сотен сопел). В качестве элементов, выталкивающих струи чернил, используются пьезокристаллы. В основе их работы лежит эффект расширения под действием электричества. По сравнению с матричными принтерами этот способ печати обеспечивает лучшее качество печати и большую производительность. Он удобен для реализации цветной печати. Цветное изображение формируется с помощью использования (наложения друг на друга) четырех цветов. Качество печати зависит от количества сопел в печатающей головке, – чем их больше, тем выше качество. Большое значение имеют качество и толщина бумаги. Основным недостатком являются большая стоимость расходных материалов, и возможность засыхания чернил внутри сопла (существуют пигментные краски, которые не высыхают). Разрешение от 300 на 300 до 720 на 720 dpi на лист.

Лазерные принтеры

Лазерные принтеры обеспечивают наилучшее качество печати. В них используется для печати лазерный луч, управляемый компьютером. В лазерном принтере имеется валик, покрытый полупроводниковым веществом, которое электризуется от попадания лазерного света. Луч при помощи поворотного зеркала направляется в то место валика, где должно быть изображение. Это место электризуется и к нему прилипают мельчайшие частицы сухой краски, которая находится в контейнере под валиком. После этого валик прокатывается по листу бумаги и краска переходит на бумагу. Для закрепления на бумаге красящего порошка

еепропускают через нагревательный элемент, что приводит к спеканию краски:

-разрешающая способность

-производительность (16 страниц и до 60стр/мин для офисныхпринтеров, где много печатают)

-формат бумаги

-объем собственной оперативной памяти

Наиболее часто используемый объем памяти от 2 до 4 Мбайт, существует память 10 Мбайт, видимо это не предел. Печать на бумаге формата А4, реже – А3. Память

27

лазерного принтера м.б. увеличена путем установки специальных карт с DRAM или SIIM модулями.

Светодиодные принтеры.

Вместо лазера используется полоса, состоящая из большого количества светодиодов. Свет этих светодиодов электризует полупроводниковый барабан. Все остальное происходит также как в лазерном принтере. Светодиоды – это полупроводниковые элементы, которые излучают свет при подачи на них напряжения. Разрешающая способность лазерных и светодиодных принтеров лежит в диапазоне от 300 до 1200 точек на дюйм.

Имиджсеттеры

Имиджсеттеры – это фотонаборные машины с цифровым формированием изображения. Они производят вывод на печать с высоким разрешением – от 1000 до 3000 точек на дюйм. Для черно-белой издательской продукции имиджсеттеры обеспечивают печать с максимальным количеством оттенков серого – 256. Для цветного вывода они создают четыре пленочных изображения, каждый их которых передает свой цвет (цветоделение). После пробного оттиска негативы передаются на коммерческий принтер, на котором создаются печатные формы с негатива.

Плоттеры

Плоттер (графопостроитель) - устройство, которое чертит графики, рисунки или диаграммы под управлением компьютера. Плоттеры бывают монохромными и цветными. Плоттеры делятся на перьевые и струйные. Большинство плоттеров имеют пишущий узел перьевого типа. Они используют специальные фломастеры или ручки с возможностью их автоматической замены. Существует разновидности плоттеров с пишущим узлом струйного типа, а также использующие эффект притягивания частиц краски электростатическим зарядом. Большинство струйных аппаратов обеспечивают печать графических файлов форматов TIFF, BMP,PCX.

Различают:

1 Планшетные графопостроители для формата А3 - А2, с фиксацией листа электростатическим способом и пишущим узлом, перемещающимся в двух координатах (на плоскости);

1.барабанные графопостроители (drum plotter) с носителем, закрепляемым на вращающемся барабане;

2.рулонные или роликовые графопостроители (roll-feed plotter) с чертежной головкой, перемещающейся в одном направлении при одновременном перемещении носителя в перпендикулярном ему направлении. Ширина бумаги формата А1 или А0. Такие плоттеры используют рулоны бумаги длиной до нескольких десятков метров.

Плоттеры изготавливаются в напольном и настольном исполнении.

По принципу построения изображения подразделяются на:

1.Векторные графопостроители

2.Растровые графопостроители

Векторные графопостроители создают изображение с помощью шариковых, перьевых рапидографов, фломастера, карандаша. В настоящее время практически сняты с производства.

28

Растровые графопостроители, наследуя конструктивные особенности принтеров, создают изображение путем построчного воспроизведения.

Средства диалога для систем виртуальной реальности

В системах виртуальной реальности, в отличие от обычных приложений компьютерной графики, как правило, требуется вывод и ввод трехмерной координатной информации, как для управления положениями синтезируемых объектов, так и для определения координат частей тела оператора и направления его взгляда.

Space ball. Одним из первых появилось устройство спейсбол (space ball), представляющее собой конструктивное объединение мышки и небольшого трекбола. Мышка перемещается оператором по столу и обеспечивает ввод двух координат. Ввод третьей координаты обеспечивается вращением шарика трекбола большим пальцем руки.

Для манипулирования объектами в трехмерном пространстве часто используется техника виртуальной сферы. Управляемый объект окружается (воображаемой) сферой. Для перемещения сферы используется мышь, а вращение сферы и заключенного в нее объекта обеспечивается вращением шарика трекбола.

Head Mounted Display. В системах виртуальной реальности используются устройства вывода в виде монтируемых на голове дисплеев (Head Mounted Display - HMD) с бинокулярным всенаправленным монитором (Binocular Omni-Orientation Monitor - BOOM) со средствами отслеживания положения головы (head tracking) и даже отслеживанием положения глаза (eye tracking). Это требуется для создания эффекта "погружения" со стереоскопическим изображением и оперативным изменением сцены при поворотах головы и/или глаз.

Используемые в HMD жидкокристаллические дисплеи обычно невысокого разрешения (до 417×277 пикселов). Сравните это с 1280×1024 и 1600×1200 для настольных систем или с разрешением монитором для телевидения высокой четкости (ТВВЧ) - 1920×1035 и 1920×1135. Поэтому ведутся интенсивные исследования по созданию средств отображения для систем виртуальной реальности, обладающих высоким разрешением при приемлемых значениях электромагнитных наводок (уже есть экраны с большим разрешением, человек помещается в виртуальную сферу). Одна из таких систем, использующих миниатюрные монохромные прецизионные электронные трубки и жидкокристаллические затворы, обеспечивает разрешение до 2000×2000. Интересное решение заключается в формировании изображения лазером непосредственно на сетчатке, но эти предложения пока далеки от коммерческой реализации.

Отслеживание положения головы обеспечивается либо механическими рычажными системами, либо комплектом инфракрасных или электромагнитных датчиков.

Power Glove, Date Glove, Date Suit. Непосредственный ввод геометрической информации о положении частей тела с поддержкой тактильной и даже силовой обратной связи обеспечивается перчатками и костюмами данных.

Дешевая перчатка данных - Power Glove, используемая для игр, обеспечивает только четыре уровня данных.

29

В более продвинутой перчатке данных Date Glove фирмы VPL для определения углов сгибания пальцев используются оптические волокна. Для обеспечения тактильной обратной связи используются пневматические активаторы.

Перчатка данных фирмы VPL

3D-сканер — устройство, анализирующее физический объект и на основе полученных данных, создающее его 3D-модель.

3D-сканеры делятся на два типа по методу сканирования:

•Контактный, такой метод основывается на непосредственном контакте сканера с исследуемым объектом (обводка модели специальным высокочувствительным щупом).

•Бесконтактный (фотографируют объект с разных точек и по ним создают модель или проецируют лазерный луч на предмет)

30