На каком из дисплеев в изображении наблюдается лестничный эффект
Развитие компьютерной графики во многом обусловлено развитием технических средств ее поддержки. Прежде всего это устройства вывода, каковыми являются дисплеи. В настоящее время существует несколько типов дисплеев, использующих электронно-лучевую трубку, а также дисплеи на жидкокристаллических индикаторах и другие их виды. Нас интересуют главным образом функциональные возможности дисплеев, поэтому мы не будем касаться их внутреннего устройства и электронных схем.
Возникновение компьютерной графики, как уже говорилось ранее, можно отнести к 50-м годам. Дисплейная графика на первом этапе своего развития использовала электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) с произвольным сканированием луча для вывода в виде изображения информации из ЭВМ. С эксперимента в Массачусетском технологическом институте начался этап развития векторных дисплеев (дисплеев с произвольным сканированием луча).
Самым простым из устройств на ЭЛТ является дисплей на запоминающей трубке с прямым копированием изображения. Запоминающая трубка обладает свойством длительного времени послесвечения: изображение остается видимым в течение длительного времени (до одного часа). При выводе изображения интенсивность электронного луча увеличивают до уровня, при котором происходит запоминание следа луча на люминофоре. Сложность изображения практически не ограничена. Стирание происходит путем подачи на всю трубку специального напряжения, при котором свечение исчезает, и эта процедура занимает приблизительно 0,5 с. Поэтому изображения, полученные на экране, нельзя стереть частично, а стало быть, динамические изображения или анимация на таком дисплее невозможны. Дисплей на запоминающей трубке является векторным, или дисплеем с произвольным сканированием, т.е. он позволяет провести отрезок из одной адресуемой точки в любую другую. Его достаточно легко программировать, но уровень интерактивности у него ниже, чем у ряда дисплеев других типов ввиду низкой скорости и плохих характеристик стирания.
Следующий тип - это векторные дисплеи с регенерацией изображения. При перемещении луча по экрану в точке, на которую попал луч, возбуждается свечение люминофора экрана. Это свечение достаточно быстро прекращается при перемещении луча в другую позицию (обычное время послесвечения - менее 0,1 с). Поэтому, для того чтобы изображение было постоянно видимым, приходится его "перерисовывать" (регенерировать изображение) 50 или 25 раз в секунду. Необходимость регенерации изображения требует сохранения его описания в специально выделенной памяти, называемой памятью регенерации. Само описание изображения называется дисплейным файлом. Понятно, что такой дисплей требует достаточно быстрого процессора для обработки дисплейного файла и управления перемещением луча по экрану.
Обычно серийные векторные дисплеи успевали 50 раз в секунду строить только около 3000–4000 отрезков. При большем числе отрезков изображение начинает мерцать, так как отрезки, построенные в начале очередного цикла , полностью гаснут к тому моменту, когда будут строиться последние.
Другим недостатком векторных дисплеев является малое число градаций по яркости (обычно от двух до четырех). Были разработаны, но не нашли широкого применения двух- и трехцветные ЭЛТ, также обеспечивавшие несколько градаций яркости.
В векторных дисплеях легко стереть любой элемент изображения - достаточно при очередном цикле построения удалить стираемый элемент из дисплейного файла.
Текстовый диалог поддерживается с помощью алфавитно-цифровой клавиатуры. Косвенный графический диалог, как и во всех остальных дисплеях, осуществляется перемещением перекрестия (курсора) по экрану с помощью тех или иных средств управления перекрестием - координатных колес, управляющего рычага (джойстика), трекбола (шаровой рукоятки), планшета и т.д. Отличительной чертой векторных дисплеев является возможность непосредственного графического диалога, заключающаяся в простом указании с помощью светового пера объектов на экране (линий, символов и т.д.).
Векторные дисплеи обычно подключаются к ЭВМ высокоскоростными каналами связи. Первые серийные векторные дисплеи за рубежом появились в конце 1960-х годов.
Прогресс в технологии микроэлектроники привел к тому, что с середины 1970-х годов преимущественное распространение получили дисплеи с растровым сканированием луча. Растровое устройство можно рассматривать как матрицу дискретных точек (пикселей), каждая из которых может быть подсвечена. Таким образом, оно является точечно- рисующим устройством. Поэтому любой изображаемый на экране дисплея отрезок строится с помощью последовательности точек, аппроксимирующих идеальную траекторию отрезка, подобно тому, как можно строить изображение по клеткам на клетчатом листке бумаги. При этом отрезок получается прямым только в случаях, когда он горизонтален, вертикален или направлен под углом 45 к горизонтали. Все другие отрезки выглядят как последовательность "ступенек" (ступенчатый эффект).
При построении изображения в растровых графических устройствах используется буфер кадра, представляющий собой большой непрерывный участок памяти компьютера. Для каждой точки в растре отводится как минимум один бит памяти. Буфер кадра сам по себе не является устройством вывода, он лишь используется для хранения рисунка. Наиболее часто в качестве устройства вывода, используемого с буфером кадра, выступает видеомонитор.
Чтобы понять принципы работы растровых дисплеев, мы рассмотрим в общих чертах устройство цветной растровой электронно-лучевой трубки. Изображение на экране получается с помощью сфокусированного электронного луча, который, попадая на экран, покрытый люминофором, дает яркое цветовое пятно. Луч в растровом дисплее может отклоняться только в строго определенные позиции на экране, образующие своеобразную мозаику. Люминофорное покрытие тоже не непрерывно, а представляет собой множество близко расположенных мельчайших точек, куда может позиционироваться луч. Дисплей , формирующий черно-белые изображения, имеет одну электронную пушку, и ее луч высвечивает однотонные цветовые пятна. В цветной ЭЛТ находятся три электронных пушки, по одной на каждый основной цвет: красный, зеленый и синий. Электронные пушки часто объединены в треугольный блок, соответствующий треугольным блокам красного, зеленого и синего люминофоров на экране. Электронные лучи от каждой из пушек, проходя через специальную теневую маску, попадают точно на пятно своего люминофора. Изменение интенсивности каждого из трех лучей позволяет получить не только три основных цвета, но и цвета, получаемые при их смешении в разных пропорциях, что дает очень большое количество цветов для каждого пикселя экрана.
Дисплеи на жидкокристаллических индикаторах работают аналогично индикаторам в электронных часах, но, конечно, изображение состоит не из нескольких крупных сегментов, а из большого числа отдельно управляемых точек. Эти дисплеи имеют наименьшие габариты и энергопотребление , поэтому широко используются в портативных компьютерах. Они имеют как преимущества, так и недостатки по сравнению с дисплеями на ЭЛТ. Хотя исторически такой способ вывода изображения появился раньше, чем растровый дисплей с ЭЛТ, но быстро развиваться он начал значительно позднее. Эти дисплеи также являются растровыми устройствами (их тоже можно представить как матрицу элементов - жидких кристаллов).
Существуют и другие виды дисплеев, например плазменная панель, но мы не будем их касаться, поскольку они также являются растровыми, а техническая реализация не является предметом нашего курса. Важно то, что рассматриваемые нами алгоритмы разработаны для растровых графических дисплеев, а общие принципы работы этих устройств нам понятны.
Помимо дисплеев, в качестве устройств вывода изображений используются плоттеры ( графопостроители ), предназначенные для вывода графической информации на бумагу. Ранние графические пакеты были ориентированы именно на модель перьевого плоттера, формирующего изображение с помощью пера. Перо может перемещаться вдоль двух направляющих, соответствующих двум координатным осям, причем оно может находиться в двух состояниях - поднятом и опущенном. В поднятом состоянии оно просто перемещается над поверхностью бумаги, а в опущенном оставляет на бумаге линии, формирующие изображение. Таким образом, плоттер стоит ближе к векторным дисплеям, но отличается от них тем, что стирать выводимые изображения невозможно. Поэтому для них изображение сначала полностью формируется в памяти компьютера, а затем выводится.
Кроме того, следует упомянуть принтеры, выводящие изображение на бумагу или пленку. Изображение, получаемое с помощью современных принтеров, также формируется как точечное (растровое), но, как правило, с лучшим разрешением, чем экранное. Как и в случае с графопостроителем , стереть изображение или его часть невозможно.
Теперь сделаем небольшой обзор устройств ввода информации, позволяющих решать различные задачи компьютерной графики, не вдаваясь в детали физических принципов их работы. Эти устройства позволяют организовать диалог "человек- компьютер ", а особенности конструкции каждого устройства позволяют ему специализироваться на выполнении определенного круга задач. Нас они интересуют именно как логические устройства, т.е. с точки зрения выполняемых ими функций.
Первую группу устройств, с помощью которых пользователь может указать позицию на экране, назовем устройствами указания ( pointing device ): мышь , трекбол ( trackball ), световое перо (lightpen), джойстик ( joystick ), спейсбол (spaceball). Практически все устройства этой группы оснащены парой или несколькими кнопками, которые позволяют сформировать и передать в компьютер какие-либо сигналы или прерывания.
Мышь (рис. 1.1) и трекбол (рис. 1.2) похожи не только по назначению, но часто и по конструкции. В механической мыши и трекболе вращение шарика преобразуется с помощью пары преобразователей в сигналы, передаваемые в компьютер . Преобразователи измеряют вращение относительно двух взаимно перпендикулярных осей. Существует очень много модификаций устройств этих групп. В оптической мыши используются не механические, а оптические чувствительные элементы для измерения перемещения: измеряется расстояние путем подсчета штрихов на специальной подложке. Маленькие трекболы широко применяются в портативных компьютерах, где их встраивают прямо в клавиатуру.
В некоторые клавиатуры встраиваются приборы, чувствительные к давлению, которые выполняют те же функции, что и мышь или трекбол, но при этом в них отсутствуют подвижные элементы. Преобразователи в таких устройствах измеряют величину давления на небольшой выпуклый набалдашник, размещенный между двумя кнопками в средней части клавиатуры. Они, как и трекбол, используются преимущественно в портативных компьютерах.
Выходные сигналы мыши или трекбола можно рассматривать как две независимые величины и преобразовывать их в координаты положения на двумерной плоскости экрана или в какой-либо другой системе координат. Считанные с устройства значения можно сразу же использовать для управления специальной отметкой (курсором) на экране.
 (2)  
 (3)  
Номер 2
Ответ:
 (2) I= \left\ < \begin& I_F k_F +k_s I_S \cos\varphi \text < при >0\le\varphi\le\pi/2 \\ \\ & I_F k_F \text < в противном случае>\end \right.  
 (3)  
Номер 3
Ответ:
 (1) глаз наблюдателя воспринимает зеркально отраженный луч только для монохроматического света 
 (2) интенсивность зеркального отражения для наблюдателя зависит от угла между идеально отраженным лучом и направлением к наблюдателю 
Упражнение 4: Номер 1
Ответ:
Номер 2
Ответ:
 (2) интенсивность освещения точек грани вычисляется путем билинейной интерполяции интенсивностей, вычисленных в вершинах 
 (3) интенсивность освещения точек вычисляется с учетом направления нормали к поверхности, которая строится путем билинейной интерполяции нормалей в точках, соответствующих вершинам многогранника 
Номер 3
Ответ:
 (2) интенсивность освещения точек грани вычисляется путем билинейной интерполяции интенсивностей, вычисленных в вершинах 
 (3) интенсивность освещения точек вычисляется с учетом направления нормали к поверхности, которая строится путем билинейной интерполяции нормалей в точках, соответствующих вершинам многогранника 
Упражнение 5: Номер 1
Ответ:
 (2) преломленный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к поверхности в точке падения луча 
Номер 2
Ответ:
 (1)  
 (2)  
 (3)  
Номер 3
Ответ:
 (1)  
 (2)  
 (3)  
Упражнение 6: Номер 1
Ответ:
Номер 2
Ответ:
 (2) изображение с более низким разрешением, чем позволяет растр, и усреднение атрибутов пикселей 
Номер 3
Ответ:
 (1) если горизонтальный или вертикальный размер изображения занимает меньше четверти экрана 
Технология, концептуальная для 3D, позволяющая убрать так называемый "эффект лестницы", при котором на стыке текстур появляются мелкие зубцы, которые явно не добавляют игре реалистичности. Эта технология лучше всего реализована в Voodoo5. GeForce поддерживает Full Scene Anti-Aliasing (полноэкранное сглаживание) . Есть опция настройки FSAA в меню референс-драйвера. Проблема состоит в том, что этот механизм пока работает идеально только с OpenGL, а с Direct3D начинает глючить, или вообще полностью отключается. Единственное, что тут можно сказать, это то, что Direct3D постепенно сдает позиции и проблема эта актуальна только в достаточно старых играх.
Немаловажный фактор 2D графика, до недавнего времени NVIDIA несколько отставала в этой области, но GeForce 2 является мощным прорывом вперед. По качеству 2D графики на высоких разрешениях этот акселератор показывает потрясающие результаты, на данный момент существует очень немного GPU, могущих составить ему конкуренцию.
High-Definition Video Processor (HDVP) - немаловажный компонент, позволяющий в полном объеме оценить мощь нового стандарта (HDVP), который, правда, в нашей стране особой популярностью не пользуется.
Что касается скорости, здесь все достаточно сложно. Если взять, например КУ-III, игрушку, чаще всего используемую в качестве "народного теста", мы получаем примерно от 60 до 70 frames per second на P-III, при максимальном качестве графики скорость варьируется в зависимости от параметров памяти и проч. Это очень неплохо. Гораздо хуже дело обстоит с Unreal Tournament, который плохо использует преимущества T&L и высокий fill rate. Вообще глобальная проблема состоит в том, что GeForce 2 GTS несколько опередил свое время, во многих недавно выпущенный игрушках нет программной поддержки соответствующих новых аппаратных технологий, так что может быть трудно заметить существенную разницу между GeForce 2 GTS и TNT 2. По-настоящему оценить все преимущества нового GPU можно будет где-то через год (когда он, кстати, существенно подешевеет) .
Французы это состояние называют "остроумием на лестнице", когда вспоминаешь что надо было сказать что-то имено так а не как-то по другому, все равно кому - начальнику, другу или чот-то высказать, но поздно - поезд ушел!
эффект лестницы - понятие, придуманное французами: ) когда ты в нужный момент не можешь подобрать нужных слов, а потом через некоторое время поднимаешься по лестнице и они неожиданно приходят тебе в голову: ) так и здесь. ты можешь "заметить" выпавшую тебе возможность уже после того, как она испарилась.
Мы знаем, что все новое это хорошо осмысленное старое! И этот принцип уже доказывал свою состоятельность бесчисленное число раз. Вот вам еще один пример. В древних Японии и Китае был известен трюк «Волшебного окна». Он базировался на определенных познаниях в области оптики. Ремесленники в те стародавние времена умели делать необычные зеркала из бронзы. Их необычность проявлялась в том, что они были способны не только обеспечивать просмотр отражений, но и формировали совершенно другие изображения. Но для этого требовалось выполнить условие. Оно заключалось в освещение их поверхности прямыми солнечными лучами.
Но в чем же секрет этого трюка? Оказывается, все дело в том, что поверхность зеркала не является плоской. Хотя заметить это крайне сложно. Если же начать изучать его внимательно, можно обнаружить, что поверхность несколько деформирована. Древние мастера умели изменять плоскую поверхность так, что удавалось формировать определенные изображения. И, хотя сам трюк был известен очень давно, математическую основу под него удалось подвести только в 2005 году. Этой чести удостоился физик-математик Майкл Берри. Он изучал технологию «волшебного зеркала» в Университете Бристоля.
Его работа вдохновила другого канадца Феликса Хуфнагеля из Университета Оттавы на новые изыскания в этой области. Этот ученый с командой единомышленников использовал уже известный принцип в отношении жидких кристаллов. Результатом их работы стала технология прозрачных жидкокристаллических «волшебных окон». Они могут создавать любое желаемое изображение! По словам Хуфнагеля, с помощью этой технологии можно будет создавать инновационные 3D-дисплеи. Они будут генерировать стабильные 3D-изображения даже при просмотре с разных расстояний. Эта технология ценна не только сама по себе. Но ее важность еще и в том, что она позволит начать работу над квантовыми исследованиями.
Дисплеи являются самым распространенным типом устройств вывода графической информации. Они применяются везде - от мобильных телефонов до рекламных щитов.
Дисплеи на ЭЛТ
Самый распространенный 5 с учетом телевизоров тип дисплеев среднего размера. Основан на использовании ЭЛТ - Электронно-Лучевой Трубки (англ. CRT). ЭЛТ устроена следующим образом.
Электроны сначала ускоряются электромагнитным полем, а затем отклоняются в нужном направлении перпендикулярным полем (эта часть ЭЛТ называется пушкой ). При попадании на поверхность экрана они вызывают свечение установленных там частиц люминофора, которое и воспринимается наблюдателем. Чем большее ускорение (а следовательно, большую энергию) получил электрон, тем ярче светится люминофор. У цветных дисплеев имеется 3 пушки для каждого из базисных RGB-цветов, а по поверхности экрана равномерно распределены частицы люминофора, соответствующие базисным цветам. Чтобы электроны, выпущенные из соответствующей пушки, попали только на люминофор своего цвета перед экраном ставится щелевая маска или апертурная решетка. Время послесвечения люминофора незначительно, и изображение постоянно обновляется; для вывода одного кадра пушка выпускает электроны последовательно слева направо в каждой строке и по строкам снизу вверх. Количество обновлений всего изображения в секунду носит название частота обновления или частота развертки (англ. refresh rate ). Она должна быть достаточно высокой (> 75 Гц), чтобы не возникало утомляющего глаза мерцания.
Проблемой мониторов на ЭЛТ является то, что яркость свечения люминофора зависит от энергии попавшего на него электрона (в свою очередь определяемой напряжением в пушке Vs ) не линейно, а по закону > \sim >>>" />
. Для большинства ЭЛТ . Для того чтобы компенсировать этот эффект, применяют т.н. гамма-коррекцию, т.е. подачу на пушку скорректированного напряжения = V_^<(1/\gamma )>" />
.
Гамма-коррекция может также осуществляться программно, соответствующим изменением цвета пикселей. Для цветных ЭЛТ дисплеев, вообще говоря, своя для каждого из базисных RGB-цветов, но в простых системах это не учитывают.
Основными недостатками дисплеев на ЭЛТ являются сравнительно большие размер и вес, а также геометрические искажения на периферии экрана. Впрочем, последний недостаток в современных устройствах устранен. Основные достоинства - хорошая цветопередача и способность приемлемо работать в широком диапазоне разрешений экрана, в отличие от ЖК-дисплеев.
Разрешение зависит от плотности частиц люминофора на поверхности дисплея. Типичные значения - 85-130 ppi . Практически все ЭЛТ-дисплеи имеют аспектовое отношение 4:3.
Жидкокристаллические дисплеи
В настоящее время занимают доминирующую позицию (по сравнению с ЭЛТ) в качестве дисплеев персональных компьютеров. Единственный вид дисплеев, используемый в ноутбуках на настоящий момент. Устроены они следующим образом:
Сзади дисплея встроена лампа, свет от которой проходит или не проходит через экран. Экран жидкокристаллического дисплея состоит из 5 слоев: с двух сторон слои поляризационных фильтров и электродов, а посередине - слой жидких кристаллов. Для каждого пикселя слой жидких кристаллов состоит из нескольких молекул в ряд. При отсутствии напряжения этот ряд имеет форму спирали и свет полностью проходит через внешний фильтр (т.е. пиксель светится). При подаче напряжения на электроды молекулы распрямляются в ровный ряд и свет идет перепендикулярно внешнему фильтру и не проходит через него (т.е. пиксель - темный). Величина напряжения позволяет регулировать яркость. Цветное изображение формируется, как и в фотоаппаратах, с помощью микросветофильтров.
Основными достоинствами жидкокристаллических дисплеев являются меньшие, чем у ЭЛТ-дисплеев, размер в глубину, вес и энергопотребление, большая четкость. Помимо этого отсутствует мерцание изображения, наблюдающееся у ЭЛТ-дисплеев, что приводит к меньшему утомлению глаз. Недостатками являются: худшая, чем у ЭЛТ-дисплеев, цветопередача; цветовые искажения при косых углах зрения; большое среднее время реакции (время переключения с одного цвета на другой, типичное значение - 25 мс, т.е. максимум 40 кадр/с), что приводит к "смазыванию" динамично меняющихся изображений (прежде всего в видео и компьютерных играх), а также недостаточно темный черный цвет (т.к. на самом деле не весь свет удается блокировать кристаллом).
Типичное разрешение такое же, как и у ЭЛТ-дисплеев, - 85-130 ppi . Аспектовое отношение - 4:3 или 16:10 (т.н. широкоэкранные дисплеи ).
Другие типы дисплеев
Также существуют менее распространенные типы дисплеев, в том числе и те, которые только появляются на рынке.
- Плазменные панели. В плазменных панелях, подобно ЖК-панелям, экран состоит из нескольких слоев; так же, как и у ЖК-панелей, с двух сторон подведены электроды, только между ними находятся уже не жидкие кристаллы, а смесь инертных газов неона и ксенона. При подаче напряжения на электроды через смесь газов начинает проходить ток, что приводит к испусканию ионов, которые, как и в ЭЛТ-дисплеях, попадая на находящиеся в верхнем слое частицы люминофора вызывают его свечение. Так как в плазменных дисплеях используется люминофор, подобный тому, что используется в ЭЛТ-дисплеях, то и цветовые гаммы у них близки. Основные достоинства: они имеют малую глубину (порядка 10 см) и в то же время легко можно получить дисплей большого размера; помимо этого они обладают отличной яркостью. К недостаткам следует отнести высокую цену и большое энергопотребление, сравнимое с ЭЛТ для одинаковой площади экрана.
- Дисплеи на светодиодах. Светоизлучающий диод (англ. LED - Light Emission Diode ) - это полупроводниковый диод, обладающий дополнительным свойством испускания фотонов определенного цвета при прохождении через него электрического тока. Для построения цветного дисплея для каждого пикселя берется три светодиода - с соответствующими красному, зеленому и синему цветами излучения. Множество таких троек, расположенных на прямоугольной сетке, и образуют экран. Используются в основном для больших наружных дисплеев (реклама и т.п.).
- Дисплеи на органических светодиодах. Органические светодиоды (англ. OLED - Organic LED ) - это светодиоды, при производстве которых используются органические материалы, в частности полимеры, которые обладают свойством гибкости, что позволяет производить гибкие дисплеи. Также их достоинством является то, что их можно производить путем процесса, напоминающего струйную печать, т.е. сравнительно дешево. В настоящее время они используются в основном в портативных устройствах , таких как MP3-плейеры, но возможно найдут более широкое применение в будущем.
- "Электронная бумага". Гибкие дисплеи, способные заменить обычную бумагу. От других типов отличаются тем, что рассчитаны не на постоянное обновление изображения, а наоборот, на его длительное сохранение без электрической энергии. Это является одним из основных требований. Разработано несколько технологий, удовлетворяющих этим требованиям, на данный момент они находятся на стадии прототипов.
Существуют еще некоторые перспективные технологии, которые потенциально могут служить для производства дисплеев, но они остаются за рамками данной книги ввиду своей незрелости.
Читайте также: