mYYlywjooy

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МУРМАНСКИЙ АРКТИЧЕСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

А.В. Вицентий

МУЛЬТИМЕДИА ТЕХНОЛОГИИ. АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ВИЗУАЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ

Учебное пособие

Рекомендовано учебно-методическим советом университета в качестве учебного пособия

по дисциплине «Мультимедиа технологии» по направлению подготовки 09.03.02 «Информационные системы и технологии»

МУРМАНСК

2019

УДК 004.353 ББК 32.971.3 В54

Печатается по решению Совета по научно-исследовательской работе и редакци- онно-издательской деятельности Мурманского арктического государственного университета

Рекомендовано учебно-методическим советом МАГУ к использованию в учебном процессе (протокол № 1 от 17.09.2019 г.)

Рецензенты: В.Г. Наводнов, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой прикладной математики и информационных технологий Поволжского государственного технологического университета (протокол № 9 от 29 мая 2019 г.);

С.Н. Малыгина, кандидат технических наук, доцент кафедры информатики и вычислительной техники филиала федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Мурманский арктический государственный университет» в г. Апатиты

Вицентий А.В.

Мультимедиа технологии. Аппаратные средства и методы отображения ви-

зуальной информации: учебное пособие / А.В. Вицентий. – Мурманск: МАГУ, 2019.

– 101 с.

Учебное пособие «Мультимедиа технологии. Аппаратные средства и методы отображения визуальной информации» раскрывает базовые принципы работы и основы технологий реализации различных видов средств отображения визуальной информации. Наибольшее внимание уделено мониторам и проекторам, как наиболее распространенным устройствам визуального представления информации, с которыми сталкивается большинство пользователей информационных систем. Приводятся сведения из истории развития компьютерных мониторов, проекторов и сенсорных экранов. Подробно рассматриваются реализации аппаратных устройств на основе различных технологий. Учебное пособие содержит обширный список литературы, вопросы для самопроверки и набор тестовых заданий для проведения проверочных и контрольных работ. Пособие может использоваться как в рамках аудиторных занятий, так и для самостоятельной подготовки. Изложенные в пособии сведения могут быть полезны, прежде всего, обучающимся уровня бакалавриата по направлению подготовки 09.03.02 Информационные системы и технологии, а также широкой аудитории читателей, интересующейся современными мультимедийными технологиями.

Печатается в авторской редакции.

ISBN 978-5-4222-0396-3	Вицентий А.В., 2019
	ФГБОУ ВО «Мурманский арктический
	государственный университет», 2019
	2

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................................	5
1. КОМПЬЮТЕРНЫЕ МОНИТОРЫ .....................................................................................	7
1.1. История компьютерных мониторов ............................................................................	7
1.2. Виды мониторов ..........................................................................................................	11
1.2.1. По виду выводимой информации .......................................................................	11
1.2.2. По количеству воспроизводимых цветов ..........................................................	11
1.2.3. По физическим принципам формирования изображения ................................	14
1.2.3.1. Дисплеи на электронных прожекторах (электронно-лучевые) дисплеи . 14
1.2.3.2. Жидкокристаллические панели (дисплеи)..................................................	17
1.2.3.4. Газоразрядные или плазменные мониторы ................................................	23
1.2.3.5. Светодиодные дисплеи (панели) .................................................................	25
1.2.3.6. Виртуальный ретинальный дисплей ...........................................................	27
1.3. Проекционный дисплей (телевизор) .........................................................................	28
1.4. Лазерный телевизор (дисплей) ..................................................................................	29
1.5. Стереомониторы..........................................................................................................	31
1.5.1. Стереоскопические мониторы ............................................................................	33
1.5.1.1. Мониторы, не нуждающиеся в дополнительных устройствах
(автостереоскопические) ...........................................................................................	33
1.5.1.2. Мониторы, для полноценного использования которых нужны
дополнительные устройства......................................................................................	34
1.5.2. Объемные мониторы............................................................................................	35
1.5.3. Перспективы развития стереомониторов ..........................................................	38
1.6. Free-Space Display или аэрозольный экран...............................................................	40
1.7. Безэкранный дисплей..................................................................................................	42
1.8. Основные параметры мониторов...............................................................................	44
Вопросы для самопроверки...............................................................................................	45
Список рекомендуемой литературы.................................................................................	46
2. КОМПЬЮТЕРНЫЕ ПРОЕКТОРЫ...................................................................................	49
2.1. История развития проекционного оборудования ....................................................	49
2.2. Виды и назначение проекторов .................................................................................	51
2.3. Основные технологии, применяемые в проекционном оборудовании..................	52
2.3.1. Технология жидких кристаллов LCD.................................................................	52
2.3.2. Технология цифровой обработки света (DLP) ..................................................	53
2.3.3. Технология на основе использования жидких кристаллов на силиконе
(LCOS) .............................................................................................................................	55
2.3.4. Технология CRT ...................................................................................................	55
2.3.5. Технология LDT ...................................................................................................	56
2.4. Пико-проектор .............................................................................................................	57
Вопросы для самопроверки...............................................................................................	59
Список рекомендуемой литературы.................................................................................	59
3. СЕНСОРНЫЕ ЭКРАНЫ ...................................................................................................	61
3.1. История создания сенсорных экранов ......................................................................	61
3.2. Области применения сенсорных экранов .................................................................	61
3.2.1. Демонстрация информационных материалов в общественных местах..........	61
3.2.2. Использование в розничной торговле и ресторанном бизнесе........................	62
3.2.3. Самообслуживание клиента ................................................................................	62
3.2.4. Управление и системы автоматизации ..............................................................	62
3

3.2.5. Использование в обучении..................................................................................	62
3.2.6. Как вспомогательная технология .......................................................................	63
3.2.7. Другие области применения................................................................................	63
3.3. Типы сенсорных экранов............................................................................................	63
3.3.1. Резистивные touch screen дисплеи ......................................................................	63
3.3.2. Матричные сенсорные дисплеи ..........................................................................	65
3.3.3. Ёмкостные touch screen дисплеи.........................................................................	66
3.3.4. Проекционно-ёмкостные touch screen дисплеи .................................................	66
3.3.5. Сенсорные экраны, реализованные с использование эффекта
поверхностных акустических волн...............................................................................	67
3.3.6. Сенсорные экраны на инфракрасных лучах ......................................................	68
3.3.7. Основные сравнительные характеристики сенсорных экранов ......................	70
Вопросы для самопроверки...............................................................................................	70
Список рекомендуемой литературы.................................................................................	71
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................................	74
Литература…………………………………………………………………………………...75
Приложение 1. Набор тестовых заданий для проведения проверочных и контрольных
работ ........................................................................................................................................	78
Приложение 2. Набор ключей к тестовым заданиям для проведения проверочных и
контрольных работ...............................................................................................................	100

4

ВВЕДЕНИЕ

Учебное пособие «Мультимедиа технологии. Аппаратные средства и методы отображения визуальной информации» знакомит обучающихся с основными принципами и технологиями работы различных типов мониторов и проекторов, а также дает представление о реализации технологий сенсорных экранов. Приводятся краткие сведения из истории развития компьютерных мониторов, проекторов и сенсорных экранов. Рассматриваются ключевые особенности различных технологий реализации отображения информации в этих аппаратных устройствах.

В пособии рассмотрены различные виды и назначение мониторов и проекторов, а также основные области применения сенсорных экранов. Приведена классификация мониторов:

по виду выводимой информации, по количеству воспроизводимых цветов,

по физическим принципам формирования изображения. Рассмотрены основы технологий:

электронно-лучевых мониторов, жидкокристаллических мониторов, газоразрядных (плазменных) мониторов, светодиодных мониторов, виртуальных ретинальных мониторов.

Отдельное внимание уделено описанию проекционных, лазерных и стереомониторов. Также рассмотрены перспективные технологии аэрозольных экранов и безэкранных дисплеев.

Второй раздел учебного пособия посвящен рассмотрению мультимедийных проекторов. Они разделены на четыре основных категории:

мультимедийные проекторы для дома, проекторы для бизнеса и образования,

профессиональные проекторы для кинотеатров, презентаций, различных применений в развлекательной сфере,

проекторы для инсталляций в общественных местах.

Описаны особенности и характеристики, присущие каждой категории. Кратко рассмотрены особенности основных технологий, применяемых в проекционном оборудовании. В частности, рассмотрены следующие технологии:

технология на основе использования жидкокристаллической матри-

цы (Liquid Crystal Display),

технология на основе использования цифрового микрозеркального устройства (Digital Micromirror Device),

технология цифровой обработки света (Digital Light Processing),

5

технология на основе использования жидких кристаллов на силиконе

(Liqued Crystal on Silicon),

технология прямого усиления потока света от изображения, технология на основе использования катодно-лучевой трубки

(Cathode Ray Tube),

технология на основе использования лазерного дисплея (Laser

Display Technonlogy).

В третьем разделе рассматриваются сенсорные экраны с точки зрения основных областей применения и способов реализации этой технологии. Выделены и отдельно рассмотрены следующие типы сенсорных экранов:

инфракрасные сенсорные экраны проекционно-ёмкостные сенсорные экраны, матричные сенсорные экраны,

сенсорные экраны на поверхностных акустических волнах ёмкостные сенсорные экраны, резистивные сенсорные экраны.

В завершающей части раздела приводятся основные сравнительные характеристики различных типов сенсорных экранов.

Учебное пособие содержит обширный список основной и дополнительной литературы по каждому разделу. Для закрепления полученных знаний, в конце каждой главы приводится список вопросов для самопроверки, который можно также использовать в качестве тем коротких информационных сообщений, подготавливаемых обучающимися самостоятельно на основе использования ресурсов электронных библиотечных систем и Интернета. Кроме того, учебное пособие включает два приложения с набором тестовых заданий для проведения проверочных и контрольных работ и ключами к нему, что позволяет частично автоматизировать процесс оценки полученных обучаемыми знаний.

Данное учебное пособие предназначено в первую очередь для обучающихся по направлениям подготовки бакалавриата 09.03.02 «Информационные системы и технологии» и 38.03.05 «Бизнес информатика», но может быть полезно обучающимся и по другим направлениям подготовки, включающим изучение дисциплины «мультимедиа технологии». Пособие может использоваться как в рамках аудиторных занятий, так и для самостоятельной подготовки обучающихся.

6

1. КОМПЬЮТЕРНЫЕ МОНИТОРЫ

Понятие компьютерный монитор или дисплей обозначает периферийное устройство, предназначенное для вывода пользователю на экран текстовой и графической информации. Его можно назвать одной из важнейших частей персонального компьютера. С экраном монитора пользователь постоянно контактирует во время работы. [1] От основных характеристик экрана, его размера и качества выводимого изображения зависит, насколько будет комфортно органам зрения и какую нагрузку им придется испытывать. [2]

К тому же, по уровню всевозможных излучений, монитор должен быть безопасным для здоровья человека. Также современные мониторы должны обеспечивать возможность долгой комфортной работы с ними, предоставляя в распоряжение пользователя качественное изображение и возможности его настройки под конкретные задачи и свойства окружающей среды.

1.1. История компьютерных мониторов

Сегодня человек, который использует в своей повседневной деятельности компьютер, как правило, никогда не задумывается о том, насколько разительно современный компьютер отличается от тех, что существовали на заре становления вычислительной техники. Какой большой эволюционный путь он прошел, прежде чем превратиться в то, что мы наблюдаем сегодня.

Привычный для нашего взгляда современный компьютерный монитор на заре своего существования выглядел совершенно по-другому. Если посмотреть в историю развития мониторов 40-50 лет назад, то можно увидеть, что первые мониторы, в нашем сегодняшнем понимании, являлись важнейшим составным элементом вычислительной системы, который был необходим для осуществления контроля над вводом или выводом информации. На первых порах – почти всегда лишь текстовой.

Это были так называемые «Видеотелетайпы». Видеотелетайпы представляли собой небольшие мониторы на основе электронно-лучевых трубок (ЭЛТ). Как правило, информация выводилась всего в двух цветах, чаще всего, для этого использовались черный и белый цвета. Кроме того, экраны этих мониторов имели довольно маленький размер.

До 50-х годов мониторы в составе вычислительных систем практически не использовались. Вся выходная информация печаталась на бумажных носителях с помощью специальных печатающих устройств. В составе крупной компьютерной системы могло быть сразу несколько таких устройств. Единственными «экранами», используемыми в вычислительных

7

системах того времени были экраны осциллографов, которые использовались для обеспечения контроля работоспособность вычислительных систем.

Электронно-лучевая трубка, подобная той, что устанавливалась в осциллографах середины прошлого века, была впервые использована для вывода информации пользователю в 1950 году. Этот первый графический монитор был реализован в рамках создания интерфейса для электронной вычислительной машины Electronic Delay Storage Automatic Computer (EDASC), которая была создана группой ученых-разработчиков Кембриджского университета в 1949 году. Первой игрой, использовавшей компьютерный монитор, была игра в шашки, написанная в 1952 году для компьютера Марк 1. [3]

Значительный прогресс в области использования мониторов для визуализации графической информации пользователю был достигнут в Соединенных Штатах Америки (США) в начале пятидесятых годов прошлого века. Толчком к этому послужило создание вычислительной системы для нужд военной отрасли.

Этой системой являлась ЭВМ Вихрь, используемая военным ведомством США для обработки информации о нарушениях воздушного пространства. По современным меркам, возможности визуализации Вихря были более чем скромными. Система могла лишь отображать на экране положение самолета-нарушителя в виде отдельной точки и помечать его литерой «T». На этом возможности системы визуализации заканчивались. Однако даже такое использование мониторов в вычислительных системах считалось крупным успехом и новым шагом в разработке и использовании средств отображения графической информации того времени.

Следующим важным этапом в развитии мониторов стало создание первой персональной электронно-вычислительной машины (ПЭВМ). ПЭВМ или персональный компьютер (Personal Computer, PC) была разра-

ботана американской компанией International Business Machines (IBM) в 1981 году. Среди прочих составляющих, обязательным элементом персонального компьютера являлся монитор (Рис. 1). Также в состав PC входили клавиатура и системный блок, включающий, среди прочего, центральный процессор, жесткий диск (опционально), оперативную память, материнскую плату, платы расширения (опционально), и другие компоненты). [4]

Также International Business Machines занялась разработкой, сборкой и продажей собственных дисплеев. Это были относительно простые мониторы, поддерживающие лишь монохроматическое изображение. Такой шаг позволил IBM существенно расширить продажи не только самих мониторов, но и видеоадаптеров для них. Первые видеоадаптеры Monochrome Display Adapter (MDA) были способны поддерживать только текстовый режим и монохромный цвет. Поддержка графического режима отсутствовала. Однако, даже такие ограниченные по своим возможностям адаптеры

8

пользовались популярностью, так как обеспечивали хорошую резкость изображения в режиме двадцати пяти строк и восьмидесяти столбцов.

Наряду с адаптерами MDA выпускались также видеокарты Color Graphics Adapter (CGA). Эти видеокарты уже поддерживали возможность отображения цветных графических изображений, при условии, что эти возможности поддерживались также и используемым монитором. Видеокарты Color Graphics Adapter могли обеспечить вывод лишь четырех цветов. Максимальным доступным разрешением экрана было разрешение в 320 на 200 экранных точек (пикселей).

Рисунок 1. Первая модель персонального компьютера от фирмы International Business Machines (IBM 5150)

Примерно через три года был разработан и представлен новый стандарт для мониторов и видеоадаптеров (видеокарт). Этот стандарт был основан на возможностях усовершенствованного графического адаптера фирмы IBM, получившего название Enhanced Graphics Adapter (EGA). Мо-

ниторы, поддерживающие этот стандарт, могли выдавать не более 16 различных цветов. При этом максимальное разрешение экрана увеличилось до значений 640 на 350 экранных точек. Этот стандарт довольно успешно просуществовал на протяжении трех лет и был замещен вы 1987 году новым стандартом от IBM.

На смену ему пришел стандарт, использующий аналоговый сигнал, и получивший название Video Graphics Array (VGA). Он предлагал прогрессивный для своего времени компонентный видеоинтерфейс для мониторов и видеоадаптеров. К этому моменту для большинства мониторов становится нормой отображение не менее чем 254 основных цветов. При этом разрешение при таком количестве цветов составляет всего 640 на 480 экран-

9

ных точек. Еще одной важной особенностью стандарта Video Graphics Array была возможность использовать мониторы с видеоадаптерами, выпущенными позднее. Что потенциально обеспечивает возможность использования мониторов для вывода большего количества цветов с более высоким разрешением.

Всего через три года произошел существенный скачек в развитии видеокарт, стандартов, интерфейсов и мониторов. Несмотря на то, что технология производства компьютерных дисплеев изменилась не слишком сильно, удалось добиться впечатляющей цветопередачи в почти семнадцать миллионов цветов. При этом, разрешение экрана могло составлять до 1600 на 1200 экранных точек.

Однако распространённые в то время электронно-лучевые мониторы имели множество принципиальных недостатков, основными из которых были их громоздкость и высокая величина электромагнитного излучения. Однако, вплоть до конца 1990-х, начала 2000-х годов электронно-лучевые мониторы были самыми распространенными как в профессиональной среди, так и среди домашних пользователей. [5]

К этому времени, разрабатывавшиеся ещё с шестидесятых годов дисплеи на основе жидких кристаллов, громко заявили о себе. Конечно, первые модели жидкокристаллических мониторов не могли конкурировать с электронно-лучевыми моделями. Они были очень несовершенны, и, к тому же, весьма дороги. Как правило, они имели относительно маленькую диагональ экрана, часто лишь квадратную форму дисплея, низкую цветопередачу и контрастность, а также узкий диапазон настроек и малые углы обзора.

Поначалу такие мониторы применялись лишь в мелких электронных приборах, таких, например, как часы, калькуляторы, и т.п. Однако, с течением времени и развитием элементной базы, жидкокристаллические мониторы (ЖК-мониторы) обеспечили высокие потребительские характеристики, сравнимые с характеристиками широко распространенных на тот момент ЭЛТ – мониторов.

В настоящее время характеристики ЖК-мониторы, как правило, существенно превосходят свои ЭЛТ аналоги и в настоящее время именно жидкокристаллические мониторы являются наиболее распространенными.

Последним трендом в развитии мониторов является применение органических светодиодов. Мониторы, созданные на основе технологии organic light-emitting diode (OLED) выигрывают в цене и основных параметрах у ЖК-мониторов. Скорее всего, технология organic light-emitting diode через какое-то время окончательно вытеснит жидкие кристаллы как основу для производства мониторов массового сегмента.

Также можно отметить тот факт, что в настоящее время различными компаниями ведутся разработки по созданию новых, перспективных, доступных для широких масс пользователей трехмерных мониторов (3D–

10