22. Відеосистема. Фізичні основи візуалізації інформації. Принципи виводу зображення.

Видеосистема

Персональный компьютер смог стать привлекательным вычислительным сред¬ством благодаря интерактивности взаимодействия с пользователем. Интерактив¬ность подразумевает наличие устройств оперативного ввода и вывода информа¬ции. Основной поток выходной информации — визуальный, причем информа¬ция представляется как в текстовом, так и в графическом виде. Визуальная ин¬формация может выводиться на экран, возможно получение и ее «твердой ко¬пии» (Hard Copy) — на бумаге, пленке и т. п. Для интерактивного режима вывод на бумагу малоинтересен, хотя в далекой истории компьютеров интерактивный режим впервые был реализован именно на телетайпе (грубо говоря, электричес¬кой пишущей машинке, подключенной к компьютеру). Данная глава посвящена активным средствам вывода визуальной информации — видеосистеме PC. Ак¬тивность подразумевает возможность изменения изображения без смены носи¬теля. Пассивные средства вывода визуальной информации (принтеры, плотте¬ры) рассмотрены в главе 9.

В первые годы существования PC его видеосистемой называли средства вы¬вода текстовой или графической информации на какой-либо экран. В качестве оконечного устройства чаще всего использовали (и продолжают использовать) мониторы с электронно-лучевыми трубками. Адаптеры, позволяющие подклю¬чать монитор к шине компьютера, называли видеоадаптерами и подразделяли на алфавитно-цифровые и графические. Последние, естественно, кроме графичес¬кой, позволяли выводить и текстовую информацию. Вся выводимая информа¬ция формировалась в результате действия и под управлением системных и при¬кладных программ.

По мере «взросления», на PC стали взваливать и казавшуюся ранее неподъ¬емной ношу воспроизведения и обработки движущихся телевизионных изобра¬жений — так называемого «живого видео». Так назрела необходимость коррек¬тировки терминологии. Видеосистема современного компьютера состоит из обя¬зательной графической (формирующей изображение программно) и дополнитель¬ной подсистемы обработки видеоизображений. Обе эти составляющие части обыч¬но используют общий монитор, а соответствующие аппаратные средства систем¬ного блока могут располагаться на раздельных картах различного функциональ¬ного назначения или объединяться на одном комбинированном адаптере, кото¬рый можно назвать адаптером дисплея (Display Adapter).

Графический адаптер служит для программного формирования графических и текстовых изображений и является промежуточным элементом между мони¬тором и шиной компьютера. Изображение строится по программе, исполняемой центральным процессором, в чем ему могут помогать графические акселерато¬ры и сопроцессоры. В BIOS имеется поддержка функций формирования тексто¬вых и графических изображений, по старинке называемая видеосервисом (BIOS Int 10h). Существует ряд классов адаптеров (MDA, CGA, EGA, VGA, SVGA...), которые будут рассмотрены ниже. В моншхщ адатоу?. жкьш&л чжъшь упряв-ления яркостью лучей RGB (Red, Green, Blue — красный, зеленый и синий — базисные цвета) и синхросигналы строчной и кадровой разверток. Кроме этих сигналов, относящихся только к формированию изображения, интерфейс с мо¬нитором может содержать и сигналы обмена конфигурационной информацией между монитором и компьютером. Так, например, PnP-мониторы при наличии соответствующей поддержки адаптером способны сообщать системе свои пара¬метры (модель и параметры синхронизации).

Средства работы с видеоизображениями, передаваемыми в стандартах PAL, SECAM или NTSC, относятся уже к мультимедийному оборудованию. От про¬граммно-управляемых графических средств они отличаются тем, что оперируют с «живым» изображением, поступающим в компьютер извне (с видеокамеры, TV-тюнера) или воспроизводимым с какого-либо носителя информации (например, CD-ROM или DVD).

Все компоненты дисплейного адаптера могут размещаться на одной карте рас¬ширения, а зачастую они устанавливаются прямо на системной плате, используя лреимущества локального подключения. Мультимедийные средства могут раз¬мещаться на отдельных картах, связанных с графическим адаптером специаль¬ным интерфейсом, а могут быть выполнены и в виде небольшого «дочернего» модуля, устанавливаемого на графическую карту.

Стандартизацией в области видеосистем занимается международная органи-шщя VESA (Video Electronic Standard Association — ассоциация по стандартиза-ши в области видеоэлектроники, доступная по адресу http://www.vesa.org). Бла-одаря ее усилиям обеспечивается совместимость как на уровне аппаратных редств, так и на уровне программного обеспечения.

С самого начала появления персонального компьютера его видеосистему стре-шлись строить для максимального приближения к идеалу WYSIWYG (What You See Is What You Get) — что видишь, то и имеешь, или наоборот. Поскольку под ловом «имеешь» чаще всего подразумевается некоторая отпечатанная продук-:ия, то имеется и идеал WYSIWYP (What You See Is What You Print) — что видишь на мониторе, то и будет напечатано. Стремление к этим идеалам, подкреп¬ленное техническим прогрессом, приводит к неуклонному росту качественных показателей видеосистемы и проникновению компьютерных технологий в такие области, как, например, хранение точных (!) копий произведений искусства в электронном виде.

Принципы вывода изображений

Видеосистема PC ориентирована на растровый метод вывода изображения. Рас¬тровый метод подразумевает, что некий рисующий инструмент, способный ос¬тавлять видимый след, сканирует всю поверхность, на которую выводится изоб¬ражение. Траектория движения инструмента постоянна и не зависит от выводи¬мого изображения, но инструмент может рисовать, а может и не рисовать от¬дельные точки траектории. Видимым изображением являются оставленные им точки. В случае видеомонитора инструментом является модулированный луч (или три луча базисных цветов), построчно сканирующий экран и вызывающий све¬чение люминофора, нанесенного на внутреннюю поверхность экрана. Каждая строка растра разбивается на некоторое количество точек — пикселов (Pixel — сокращение от Picture Element — элемент изображения), засветкой каждой из которых по отдельности может управлять устройство, формирующее изображе¬ние (например, графическая карта). Видеомонитор является растровым устрой¬ством вывода динамически изменяемых изображений. Его луч сканирует экран с частотой, которая не должна позволять глазу видеть мерцание изображения Матричные дисплеи, применяемые в блокнотных ПК, также относятся к растро¬вым устройствам. Растровыми устройствами вывода статических изображение являются принтеры, в которых сканирование листа производится однократн: (хотя возможны и многократные проходы).

Альтернатива растровым устройствам — векторные устройства вывода изоб¬ражений. В этих устройствах инструмент прорисовывает только изображаемые фигуры и его траектория движения определяется выводимым изображением. Изоб¬ражение состоит из графических примитивов, которыми могут быть отрезки пря¬мых — векторы (откуда и название метода вывода), дуги, окружности. К вектор¬ным устройствам вывода статических изображений относятся перьевые плоттерь: Существовали (а, может, где-то используются и сейчас) и векторные мониторы однако ввиду сложности построения системы управления лучом, обеспечивающее быстрое и точное движение луча по сложной траектории, эта линия угасла. Ра: смотрим растровую систему вывода изображений, подразумевая в качестве ок нечного устройства монитор с электронно-лучевой трубкой - CRT (Catode R: Terminal, дословно — монитор на катодно-лучевой трубке). Сканирование экра:-модулированным лучом обеспечивается генераторами горизонтальной и вертика.-. иой разверток монитора. Луч может оставлять след только во время прямого хс: по строке (слева направо). Строка разбивается на некоторое количество точек р:-. ложения, каждая из которых может иметь состояние (яркость и цвет), не завис мое от других (для монитора это разбиение условно). На обратном ходе по стрс луч прин^^^Ъ^Ж^^Щ^Щ^ стРока прорисовывается параллельно пг

дыдущей, но с некоторым вертикальным смещением (вниз), и так происходит ска¬нирование до окончания кадра — достижения правого нижнего угла экрана. Во время обратного хода луча по вертикали, за время которого генератор горизон¬тальной развертки успеет сделать несколько строчных циклов, луч также прину¬дительно гасится. В следующем кадре сканирование может производиться по-раз¬ному. В системах с прогрессивной (Progressive), или нечередующейся (N1 — Non¬interlaced), разверткой луч идет по тем же самым строкам (рис. 8.1, а). В системах с чересстрочной разверткой (IL — Interlaced) луч пойдет по строкам, смещенным по вертикали на половину шага строки (рис. 8.1, б). Таким образом, всю поверх¬ность экрана луч проходит за два цикла кадровой развертки, называемых полу¬кадрами. Чересстрочная развертка позволяет почти вдвое снизить частоту гори¬зонтальной (строчной) развертки, а следовательно, и темп вывода точек изобра¬жения. Выгода от этого снижения будет понятна позже, а пока поясним, как опре¬деляются частоты развертки.

Как известно, глаз является инерционным органом зрения — он воспринима¬ет изменение яркости или освещенности только до какой-то определенной час¬тоты. Существует понятие критической частоты световых мельканий (КЧСМ), которую измеряют так: человек смотрит неподвижно на некоторый безынерци¬онный источник света (например, светодиод), который вспыхивает и гаснет с плавно повышаемой частотой. Сначала человек воспринимает вспышки по от¬дельности, с повышением частоты он видит уже только мерцание, а начиная с некоторой частоты, мерцания для него сливаются в ровный свет. Эта частота и называется критической, и у разных людей она может находиться в пределах примерно 40-60 Гц. Неподвижность взгляда и источника в нашем опыте огова¬ривалась, поскольку при движении мелькающего объекта человек будет его вос¬принимать как трассу прерывистых светящихся точек (стробоскопический эф¬фект). Наблюдение мерцающих объектов раздражает и утомляет зрительную си¬стему, поэтому частота кадров (прорисовки экрана) должна быть по крайней мере не ниже значения КЧСМ. Таким образом, мы получили ориентировочное значе¬ние минимальной частоты кадров, равное 50 Гц (эта компромиссная частота при¬меняется во многих телевизионных системах). Теперь посмотрим, что из этого следует. Вполне очевидно, что для качественного изображения экран должен иметь как можно больше точек матрицы разложения — то есть строк в кадре ш

точек на строке. Возьмем популярный режим 800x600 (600 строк по 800 точек). За один период прогрессивной кадровой развертки луч должен успеть прочер¬тить 600 видимых строк, да еще некоторое количество невидимых строк (при¬мерно 50) он прочертит на обратном ходе по кадру. Получается, что частота строк должна составить 50 Гц х (600 + 50) = 32,5 кГц (вроде и не так уж много). Этой частоте соответствует период около 30 мкс (1/32,5), из которого на прямой ход по строке остается около 25 мкс. За это время необходимо вывести 800 точек строки, так что на каждую точку отводится 25/800 = 0,03 мкс, что соответствует частоте вывода точек в 30 МГц, а это для электронных схем уже высокая часто¬та. Поскольку соседние точки выводимого изображения в принципе друг с дру¬гом не связаны, то полоса частот сигнала, модулирующего интенсивность луча, должна быть несколько выше этого значения (примерно на 25 %). Такую широ¬кую полосу пропускания должен обеспечивать весь видеотракт: видеоусилители модуляторов лучей, сигнальные линии интерфейсного кабеля, и, наконец (вер¬нее, сначала), такой широкополосный сигнал должен сформировать графичес¬кий адаптер. На всех этих стадиях высокие частоты порождают технические про¬блемы. Если реальная полоса пропускания в этом тракте будет уже, четкого изоб¬ражения получить не удастся — переходы будут размыты. Если же частотная характеристика тракта в требуемом диапазоне будет неравномерной, появятся специфические искажения цветов или яркости около границ отображаемых объек¬тов (справа от граничной линии). Понятно, что с технической точки зрения есть стимулы снижать требуемую верхнюю границу полосы частот видеотракта. При чересстрочной развертке за каждый полукадр сканируется только половина строк разложения (четные в одном полукадре и нечетные в другом), следовательно, строчная частота уменьшается, а длительность прохода видимой части строки увеличивается примерно вдвое. Таким образом, при заданных условиях (разре¬шении экрана и ограничении минимальной кадровой частоты) чересстрочная развертка позволяет снизить требуемую полосу пропускания вдвое.

Как видно из вышеприведенных выкладок, частотные параметры видеосисте¬мы определяются, исходя из желаемой частоты кадров, разрешения экрана и ре¬жима развертки. Заботясь о зрении пользователя, частоту кадров стремятся повы¬шать. При низкой частоте экран начинает мерцать, что особо заметно на больших белых полях изображения (в полном смысле слова яркий тому пример — белый фон в приложениях Windows). Разрешение экрана стремятся увеличить — чем оно выше, тем больше информации можно уместить на экране. Поскольку размер эк¬рана постоянно увеличивается — монитор на 17-19" является уже нормой для многих видов деятельности, — потребность в разрешении, скажем, 1600 х 1200 вполне реальна. Но по нашим выкладкам для этого уже требуется полоса 120 МГц (а кадровая частота 50 Гц — это отнюдь не идеал). Применение чересстрочной развертки годится лишь как вынужденная мера, поскольку имеет свои специфи¬ческие неприятные «видеоэфекты»: если выводится тонкая (в одну строку то¬чек) горизонтальная линия, она будет заметно мерцать. Это и понятно, ведь про¬рисовывается она только в одном из полукадров, следовательно, с половинной кадровой частотой. Если изображение потолще (один и тот же элемент имеет точки в соседних строках), его мерцание будет почти незаметным. Итак, вожде¬ленные цели ясны: частота кадров — выше, разрешение (по вертикали и гори¬зонтали) — больше, развертка — не чересстрочная (Non Interlaced). Забегая не-

много вперед, заметим, что чем выше частота развертки, тем ниже производи¬тельность графической системы при построении изображений. С точки зрения пользователя, привлекательность чересстрочного режима развертки заключает¬ся в цене устройств — поскольку для прогрессивной развертки требуется более высокое качество компонентов всего видеотракта, построчная развертка с высо¬кой частотой кадров при режимах высокого разрешения — дорогое удовольствие. Но для профессиональной работы с текстом, графического дизайна и других ви¬дов деятельности ухудшение зрения обойдется дороже. Чересстрочная разверт¬ка широко применяется в телевидении, где видеосигнал приходится «пропихи¬вать» через радиоканал, с шириной полосы которого всегда имеются проблемы. Современные мониторы и графические адаптеры, применяемые в PC, использу¬ют оба режима развертки с различными значениями частоты кадров. Естествен¬но, что работать они должны в согласованных режимах.

Рассмотрев работу оконечного устройства (монитора), обсудим способы фор¬мирования изображения в графическом адаптере. Итак, у нас имеется матрица точек экрана, образованная горизонтальными строками растра (номер строки — вертикальная координата матрицы) и точками разложения строки (номер точки в строке — горизонтальная координата матрицы). Эта матрица сканируется по¬строчным или чересстрочным образом, и. во время прямого хода луча по види¬мым строкам графический адаптер должен формировать сигналы управления яркостью базисных цветов монитора (или одного сигнала яркости в монохром¬ном варианте). За это время последовательно (и синхронно с ходом луча) долж¬на выводиться информация о яркости и цвете всех точек данной строки. Синх¬ронизация обеспечивается формированием горизонтальных и вертикальных син¬хроимпульсов. Таким образом, графический адаптер является задающим устрой¬ством, а монитор со своими генераторами разверток должен вписаться в задан¬ные параметры синхронизации.

Существуют два основных режима вывода информации — графический и сим¬вольный (текстовый). Хотя исторически первые видеосистемы работали в сим¬вольном режиме, начать объяснение работы удобнее с графического.