Мультимедийные проекторы: базовые технологии

Среди разработанных на сегодняшний день технологий проецирования цветного изображения на внешний экран можно выделить четыре основные, получившие наиболее широкое применение в коммерческих продуктах ведущих производителей и различающиеся в первую очередь типом элемента, используемого для формирования изображения:

• CRT - Cathode Ray Tube;

• LCD - Liquid Crystal Display;

• DLP - (Digital Light Processing);

• D-ILA - Direct Drive Image Light Amplifier.

В каждом случае свойства формирователя определяют основные достоинства и недостатки технологии, а, следовательно, и область применения созданных на ее основе проекционных аппаратов.

3.3.17. Методы улучшения 3D-графики (интерполяции ко всему полигону, расчет освещенности с уче­том вектора нормали к поверхности). Понятия вершинные и пиксельны шейдеры.

Метод интерполяции ко всему полигону. Для улучше­ния реалистичности стали рассчитывать освещенность объекта следующим методом¹ - определив освещенность вершин полигонов, ее интерполировали на внутренние точки граней. Такой подход лег в основу графических процес­соров с фиксированным конвейером (поколение DirectX 7), получивших аппаратный блок геометрических вычислений — Hardware Transform & Lightning (T&L). Однако требования к реалистичности сцены непрерыв­но росли, а метод интерполяции по всему полигону был не в состоянии правдоподобно передать фактуру поверхности. Кроме того, большинство трехмерных объектов строились из малого числа полигонов с целью эко­номии вычислительных ресурсов и потому страдали «кубизмом» в силу прямолинейности образующих полигоны линий и плоских граней.

Метод расчета освещенности с уче­том вектора нормали к поверхности² решает эту проблему, т.к вектора перпендикулярны к поверхности в данной точке. Задав еще одну текстуру специального вида (определяющую нормали) и модифицировав алгоритм расчета цве­та точки, сумели радикально улучшить внешний вид моделей. Для полноценной реализации он требует программирования пиксельных конвейеров — перехода от интерполяции и выборки из текстур к обработке формул расчета цвета каждого пиксела объекта (а не только вершин). Так впервые появились пиксельные шейдеры — комплекты команд, позволяющие программировать пиксельные конвейеры графического процессора. Шейдеры заметно повысили реали­стичность объектов. Так объекты в играх состоят из уме­ренного числа полигонов, но благодаря применению шейдеров выглядят вполне реалистично. Видеоадаптеры, поддерживающие обработку шей­деров, появились в поколении DirectX8. Как правило, программы-шейдеры пишут на специальной разновидности ассемблера, привязанного к конкретному графическому процессору. В последнее время появились языки программирования высокого уровня для создания шейдеров, на­пример Microsoft High-Level Shader Language (HLSL).

Вершинные шейдеры. Естественным развитием блока T&L стал программируемый блок гео­метрических преобразований, поддерживающий вершинные шейдеры (Vertex Shader). Программируемый вершинный блок способен имитиро­вать мимику персонажа, переливы меха, развевающиеся волосы, стелю­щуюся под ветром траву, и выполнять прочие геометрические преобра­зования, реализуя их на лету. Разработчик программы получает полный контроль над механизмами T&L и может использовать вершинные шейдеры для расчета вспомогательных геометрических данных, которые за­тем будут использовать пиксельные шейдеры.

Например, программист пишет шейдер, в котором указывает, что его следует использовать для вершин треугольников, составляющих листок дерева. Графический процессор исполняет эту программу, и в результате листочек на дереве поворачивается на определенный угол в каждом ка­дре. Другой вариант использования вершинного шейдера связан с обра­боткой текстур. Например, шейдер изменяет текстурные координаты вер­шин полигонов, а в результате выражение лица персонажа изменяется от улыбки до плача за счет наложения других текстур. Программированию поддаются практически все параметры, связанные с обработкой вершин: помимо уже названных геометрических и текстурных координат можно задавать цвет вершины, параметры смешивания, прозрачность.

Возможности шейдеров росли от версии к версии. Начиная с версии 3.0 (включены в API DirectX9), шейдеры почти не ограничивают методы про­граммирования, позволяя использовать в вычислениях текстуры и задавать уникальные свойства вершин. То есть вершинный блок графического процессора сейчас мало чем уступает по функциональности центрально­му процессору.

Пиксельные шейдеры. Вершинные шейдеры при необходимости можно перенаправить на ис­полнение центральным процессором. С геометрическими расчетами мощ­ный процессор справится без проблем. Но при выполнении пиксельного шейдера даже сверхмощный CPU задумается надолго, поскольку здесь происходит интенсивный обмен с памятью и сложные расчеты с исполь­зованием вещественных чисел.

В задачах расчета освещения это ключе­вой момент: динамического диапазона стандартного 8-битного цвета для передачи всего богатства оттенков может не хватить.

Поэтому обработкой пиксельных шейдеров практически всегда зани­маются пиксельные конвейеры графического процессора. Использование пиксельных шейдеров позволило реализовать расчет освещенности объ­ектов методом Фонга, обеспечивающим наивысшую на сегодняшний день реалистичность. Согласно методу Фонга, цвет участка поверхности рас­считывается раздельно в каждом из цветовых каналов и складывается из трех компонентов: фонового освещения (имитирующего естественный рассеянный свет), диффузного отражения (рассеянного света, отражен­ного от поверхности) и зеркального отражения (имитирующего направ­ленное отражение). На практике фоновое освещение используют для того, чтобы подсветить излишне темные участки. Диффузное отражение соот­ветствует отражению света от неровной поверхности. Подобная поверх­ность рассеивает падающий на нее свет практически равномерно по всем направлениям. Но, в отличие от фонового освещения, диффузное отраже­ние учитывает направление на источник света. Главная особенность метода Фонга кроется в расчете зеркального отражения, учитывающего не толь­ко направление на источник света, но и местоположение наблюдателя.

4.1.4. Принцип действия термоструйной печати на основе терморезистора в принтерах Hewlett-Packard и Lexmark. Принцип действия термоструйной печати на основе терморезистора в принтерах Canon

Тер­моструйная и пьезоэлектрическая технологии струйной печати.

В реальности на рынке струйных принтеров широко применяются только системы импульсной печати основанные на тер­моструйной и пьезоэлектрической технологии печати. Основных фирм-из­готовителей струйных принтеров всего четыре — Canon, Epson, Hewlett-Packard и Lexmark. Из этих фирм только Epson остается бессменным и единственным приверженцем пьезоэлектрической конструкции, остальные же три компании развивают термоструйную печать.

При термоструйной печати в качестве элемента, вызывающего выброс капель из сопел печатающей го­ловки, служат встроенные в головку нагревательные элементы (терморезисторы). При подаче кратковремен­ного напряжения температура нагревательного элемен­та резко (в течение микросекунд) возраста­ет до нескольких сотен градусов и вызывает мгновен­ное вскипание и испарение контактирующих с ним чернил. Возникающий при этом пузырек пара и выполня­ет роль элемента, создающего давление и заставляющего чернила «выстрели­вать» из сопла. Затем напряжение с терморезистора снимается, он остывает, при этом исчезает и газовый пузырек, тем самым способствуя всасыванию в головку очередной порции чернил.

Несмотря на то, что принтеры Canon, Hewlett-Packard и Lexmark роднит одна и та же технология, они име­ют свои конструктивные особенности.

В аппаратах фирм Hewlett-Packard и Lexmark чернила поступают в, условно говоря, отдельную камеру, где и установлен терморезистор. Как можно видеть на рисунке, капля «выстреливается» в том же направлении, в котором об­разуется газовый пузырек.

Компания Canon пошла не­сколько иным путем. В «пузырьково-струйных» (Bub­ble-Jet) принтерах Canon пузырьки образуются в на­правлении, перпендикулярном выбросу капель из сопел. Такое решение дешевле в производстве и теоретически обеспечивает меньшую точность «серийных выстрелов» (хотя на практике последнее заметить трудно). В со­временных моделях принтеров, использующих термо­струйную технологию печати, частота генерирования капель составляет десятки килогерц, а микроскопиче­ские дюзы формируют капли минимальным объемом 1 пл. При этом печатающие головки, изготавливаемые фотолитографическим способом, могут содержать свы­ше шести тысяч сопел. Стоит заметить, что фирмы по-разному подходят к вопросу о том, как именно долж­на быть выполнена печатающая головка.

В изделиях Lexmark печатающая головка — часть картриджа, и потому ее ресурс невелик (соплам достаточно вырабо­тать лишь содержащееся в картридже количество чер­нил), но также невелики и проблемы в случае, если головка, к примеру, пересохнет — пользователь про­сто меняет картридж и продолжает работу. Аналогич­ная конструкция применяется и в большинстве прин­теров Hewlett-Packard (исключение — последние мо­дели с технологией SPT).

Иначе выполнен ряд аппара­тов Canon, у которых печатающая головка представля­ет собой отдельный (и довольно дорогой) блок с боль­шим ресурсом, при необходимости легко заменяемый другим, а чернила поступают из устанавливаемых в этот блок картриджей

5.1.1. Основные понятия цифровой обработки звука. Понятие импульсно-кодовая модуляция (метод PCM). Кадр звуковой волны и частота дискретизации. Глубиной оцифровки

Цифровая обработка звука

Метод натуральной цифровой записи звука называется PCM (Pulse Code Modulation — импульсно-кодовая модуляция). Он заключается в том, что в ходе записи в течение каждой секунды многократно регистрирует­ся текущая амплитуда звуковой волны. Некоторое значение амплитуды принимается как максимально возможное в данной звукозаписи. В соот­ветствии с выделенным для оцифровки единичным элементом данных максимальному значению присваивается самое большое целое число.

Далее текущее значение амплитуды масштабируется относительно максимального и округляется до ближайшего целого числа. В результате получается единичный снимок -кадр звуковой волны. Цифровая звуко­запись представляет собой последовательность таких кадров, а частоту, с которой делают снимки, называют частотой дискретизации, или частотой квантования, или частотой оцифровки.

Чем выше частота дискретизации, тем более точно цифровая запись будет соот­ветствовать аналоговому образцу. По правилу Котельникова (иначе правило Найквиста), частота дискретизации должна не ме­нее чем вдвое превышать максимальную частоту записываемого звука.

Сильно влияет на точность записи и величина единичного масси­ва данных (иногда называемая глубиной оцифровки или разрядностью представления), определяющая число различимых уровней записывае­мого звукового сигнала. От разрядности зависит отношение максимально воспроизводимой громкости звука по отношению к громкости шумового фона. Слуховая система человека способна различать звуки в диапазоне до 120 дБ. При 8-битной записи диапазон составит 48 дБ (всего 255 значе­ний). При 16-битной записи диапазон составит 96 дБ.

.

Аппаратный эквалайзер. Блок FM. Блок волнового табличного синтеза. Функции аналоговой цепи аудиокарты.

Сигнал, поступающий на выходы аудиокарты, может предваритель­но обрабатываться аппаратным эквалайзером. Обычно его применяют в достаточно дорогих устройствах, большинство массовых звуковых карт аппаратного эквалайзера не имеют. В принципе, функции эквалайзера достаточно хорошо реализуются и программными способами.

Звуковая карта служит не только для обработки и преобразований внешних сигналов, но и должна сама генерировать аудиоданные по ко­мандам, подаваемым программным обеспечением. В звуковых картах применяют два метода генерации аудиосигнала: FM-синтез и волновой табличный синтез.

Блок FM (Frequency Modulation — частотная модуляция) синтезатора имеет несколько каналов (голосов). Каждый канал содержит несколько ге­нераторов синусоидального сигнала (операторов). Цепочка генераторов в канале управляется по параметрам частоты и амплитуды. Итоговый сиг­нал представляет собой смесь синусоидальных сигналов. В качестве FM-синтезаторов чаще всего применяют микросхемы OPL2 или OPL3 фирмы Yamaha. Первая поддерживает два канала, a OPL3 — четыре канала.

Блок волнового табличного синтеза (Wave Table Synthesizer) работает на основе таблицы образцов звучания определенного набора музыкаль­ных инструментов и других источников звука. Эти образцы хранятся в постоянном запоминающем устройстве (ROM) на звуковой карте или за­гружаются программно из оперативной памяти. В некоторых звуковых картах используют смешанный метод, когда базовая таблица находится в ROM, а ее расширения поступают из оперативной памяти.

До перехода на интерфейс PCI аудиокарты с волновым табличным синтезатором часто имели собственное ОЗУ емкостью до 4 Мбайт. Сейчас такие конструкции не применяют, так как пропускной способности шины PCI вполне хватает для загрузки таблиц из основной оперативной памяти компьютера.

Мультимедийные устройства — это устройства общения компьютера с чело­веком через разные среды (multi media — множество сред). Поскольку основная информация воспринимается зрительно, главным устройством вывода является дисплей. Кроме текста и графики на дисплей мультимедийного компьютера мо­жет выводиться видеоизображение — воспроизводиться видеозапись (с CD и DVD), приниматься поток видеоданных по сети (видеоконференц-связь), воепроизводиться «живое» видео от внешних источников сигнала (камеры, теле­приемника, видеомагнитофона). Для этого от дисплея дополнительных способ­ностей (кроме общего качества) практически не требуется. Воспроизводить по­ток сжатых видеоданных (для проигрывания фильмов и телеконференций) мо­жет практически любой дисплейный адаптер современного компьютера, но до­полнительные аппаратные средства ускорения декодирования и масштабирова­ния позволят улучшить качество при снижении загрузки центрального процес­сора. Для работы с источниками видеосигнала требуются специальные аппарат­ные средства (видеобластер), позволяющие выводить видео в окно экрана, зах­ватывать отдельные кадры для сохранения и обработки и даже захватывать по­ток кадров «живого» видео. Для компьютеров выпускают карты телевизионных приемников (тюнеров), способных принимать телепрограммы одного или несколь­ких стандартов вещания. Тюнер может входить и в состав графической карты — такой «комбайн» приобретает богатые функциональные возможности. Напри­мер, можно выводить в отдельные окошки сигналы нескольких каналов (правда, не полнодвижущиеся, поскольку приемник один и его можно лишь переключать с канала на канал, запоминая картинку). Полезным свойством графической кар­ты является выход на телевизионный приемник (монитор) — с его помощью можно выводить изображение на большой экран и даже на несколько экранов, что удобно на презентациях и тому подобных мероприятиях. К графическому адаптеру могут подключаться и специальные проекционные аппараты, выводя­щие изображение на большой экран.

1 Метод Гуро

2 Метод Bump Mapping