64

Ввод графической информации (периферийные графические устройства)

1. Краткий исторический экскурс

Как это ни парадоксально, из всех компьютерных устройств, устройства для ввода графической информации самые старые по времени появления. Системы для сканирования изображения являются неотъемлемой частью таких устройств, как фототелеграф, телефакс, телекамера, и существуют уже сто пятьдесят лет.

Еще в 1857 году флорентийский физик Джованни Казелли (Giovanni Caselli) создал прибор для передачи изображений, названный «пантелеграфом». А в начале прошлого века немецким физиком Корном был создан фототелеграф, который ничем принципиально не отличается от современных барабанных сканеров.

С ростом производительности компьютеров и увеличением объёмов оперативной и внешней памяти стала возможна обработка огромных массивов данных (в приемлемое для пользователя время) при вводе графической информации.

В практику использования больших и малых ЭВМ вошли графические периферийные устройства - оцифровщики данных (дигитайзеры), читающие автоматы, сканирующие устройства (сканеры). Появление этих устройств заставило создать различные технологии ввода графической информации, языки программирования и управления этими устройствами, так как подготовка данных для ввода вручную весьма трудоёмка.

Первыми из графических устройств, пришедших в цифровую технику, были читающие автоматы, которые наряду с графическими данными вводили в ЭВМ и текст.

Затем были разработан ряд устройств – оцифровщиков данных (дигитайзеров), которые использовали различные физические принципы оцифровки данных, положенных в основу их конструкций.

Появление и развитие полупроводниковых технологий привело к появлению сканеров в их современном виде.

Появление периферийных устройств, перечисленных выше, создало предпосылку для развития Систем Автоматизированного Проектирования (САПР). Графические периферийные устройства, таким образом, обеспечили совместно с графическими дисплеями:

1. Возрастание производительности труда проектировщиков.

2. Повышение точности съёма и скорости ввода графики.

3. Повышение скорости вывода графической информации.

4. Включение ЭВМ в технологический процесс подготовки конструкторской документации.

5. Улучшение эргономических характеристик труда проектировщиков.

6. Повышение качества конструкторских документов, получаемых в САПР.

Кроме того, появление этих устройств создало предпосылки для возникновения нового раздела компьютерной науки – компьютерной графики.

В наше время, по мере появления недорогих, компактных устройств (электронных планшетов, сканеров), помимо использования графических устройств в бизнесе, государственных структурах, промышленности, учебе и науке, ввод графической информации широко используется в быту для самых разных целей (фотографии, картинки, и т.д.).

2. Особенности ввода графических данных

Документ, несущий графическую информацию и текст, называют визуальным сообщением. Это сообщение содержит информацию от простейших графиков до сложнейших цветных изображений.

Особенностью преобразования визуальных сообщений в двоичные коды состоит в том, что объём информации, описывающей сообщение, очень велик.

Рассмотрим следующий пример:

а) Имеется цветное изображение на носителе размером 0,5 х 0,5 метра.

б) Изображение представлено в виде мозаики элементов – пикселей. Размер пикселя составляет 0,5 х 0,5 мм.

в) Изображение можно рассматривать как совокупность 1000 х 1000 элементов.

г) Если при преобразовании «картинки» используется до 100 цветовых оттенков и столько же уровней яркости, то для кодирования цвета необходимо иметь 7 двоичных разрядов и столько же разрядов для кодирования яркости.

Нетрудно подсчитать, что таблица кодов, представляющая «картинку» будет иметь объём около 1,7 мегабайт. Рассмотренный пример показывает, что кодирование графики – сложная техническая задача.

Изображение может рассматриваться с точки зрения проблем его оцифровки и последующего ввода в ЭВМ как систему оптических неоднородностей, которые характеризуются следующими параметрами:

а) Оптическая яркость

Оптическая яркость – это способность поверхностности отражать свет рассеяно и равномерно во всех направлениях.

Оптическая яркость точки поверхности обозначается B=B(X,Y), где X и Y представляют координаты точек изображения.

Оптическая яркость характеризуется количеством света, отражённого от участка изображения (оценивается в процентах к исходной яркости источника).

Высокая оптическая яркость для бумаги, с которой сканируется изображение, весьма желательна, так как от этого зависит четкость вводимого изображения.

Для повышения оптической яркости в бумагу добавляют оптические отбеливатели - люминофоры, а так же синие и фиолетовые красители, устраняющие желтоватый оттенок, присущий целлюлозным волокнам.

Например, мелованные бумаги без оптического отбеливателя имеют оптическую яркость не менее 76%, а с отбеливателем – не менее 84%.

б) Коэффициент отражения

Отношение количества света, отраженного от поверхности, к количеству света, падающего на поверхность, называется коэффициентом отражения.

Коэффициент отражения:

R=R(X,Y) прямо пропорционален углу падения света на поверхность. Для пучка, падающего перпендикулярно на поверхность стекла, коэффициент R может быть выражен через показатель преломления стекла, обозначаемый, как n.

Коэффициент отражения R возрастает с увеличением показателя преломления n: так, для обычного стекла (n = 1,53) он составляет 0,043, а для стекла с n=1,65 (свинцовый хрусталь)—0,061.

Если световой поток проходит последовательно через несколько поверхностей стекла, то отражение происходит на каждой поверхности и, в конце концов, через стекло пройдет ограниченное количество света (с учетом отраженного). В сложных оптических системах, состоящих из ряда линз, призм, зеркал потеря отражением может составить до 75—80 % падающего света. В этом случае изображение будет темным.

Для увеличения светосилы научная группа академика И. В. Гребенщикова разработала способ, называемый просветлением оптики. При этом способе на поверхность стекла наносится тончайшая пленка фторидов или кремнекислоты, показатель преломления которых n равен n стекла. Толщина пленки должна составлять 0,25 длины волны падающего излучения. Такая пленка в 7—10 раз уменьшает коэффициент отражения и увеличивает количество света, пропущенного стеклом.

Если, наоборот, коэффициент отражения нужно увеличить, на стекло наносят пленку с более высоким показателем преломления, что используется при производстве полупрозрачных зеркал.

в) Цветовой тон (цветовая палитра)

Основная цветовая характеристика объекта, субъективный признак цвета, который познается через ощущения и определяется словами "синий", "зеленый", "красный", "желтый" и т. д.

Обозначается усредненной длиной волны, которая соответствует определенному участку спектра:

Λ = λ(Х,Y), где X,Y координаты точек графического объекта.

Зависит от избирательного спектрального пропускания прозрачных предметов и избирательного спектрального отражения непрозрачных предметов, рассматриваемых в отраженном свете.

В нашем сознании цветовой тон ассоциируется с цветом хорошо знакомых предметов. Многие наименования цветов произошли от объектов с характерным запоминающимся цветом, например, "малиновый", "вишневый", "изумрудный", "лимонно-желтый" и т. д.

Цветовой тон должен восприниматься естественно. Ниже приведены типичные при работе со сканером нарушения цветового тона:

Изображение слишком тусклое и недостаточно прозрачное.
Сканированное изображение выглядит слишком ярким.
Изображение имеет красноватый оттенок.
Изображение имеет желтоватый оттенок.
Изображение имеет синеватый оттенок.
Изображение имеет зеленоватый оттенок.

Для коррекции нарушений используются соответствующие аппаратно – программные средства.

г) Чистота цвета изображения P=P(X,Y).

Количественная колориметрическая характеристика зрительного восприятия насыщенности цвета, выражаемая количеством энергии монохроматического излучения, которое в сочетании с белым излучением воспроизводит измеряемый цвет. Наибольшей чистотой цвета, равной 1,0, обладают чистые спектральные цвета; наименьшей, равной 0,0 - ахроматические цвета, не имеющие цветового тона. По сути, чистотой цвета называют зрительное восприятие  концентрации тона (насыщенности) цвета. Изменение чистоты цвета, связано с добавлением или убыванием ахроматического (белого, черного и оттенков серого) цвета. Полноценно чистыми цветами считаются лишь спектральные цвета. Чистоту их цвета принято обозначать единицей, вне зависимости от того, что спектральные цвета отличны друг от друга по степени насыщенности (синий – максимум, желтый – минимум).  Все остальные цвета и оттенки имеют значение чистоты цвета меньшее единицы.

д) Виды визуальных сообщений.

Простейшая форма визуального сообщения – функция вида Y=F(X). Это типично для различных самопишущих приборов, осциллографов, снимков, получаемых при ядерных исследованиях и т.п. В этих графических сообщениях преобразование «графиков» сводится к измерению координат точек кривых с последующей обработкой полученных данных с помощью прикладных программ.

Более сложно осуществляется преобразование штриховых изображений, представляющих собой неоднозначные функции одного аргумента: чертежи, диаграммы, схемы.

Ещё более сложно осуществляется ввод полутоновых изображений, в том числе многоцветных – картография, текстовые документы и др.

Далее, перейдем к рассмотрению принципов построения конкретных устройств.