2015-08-13
978
Практично у всіх прискорювачах тривимірної графіки застосовуються описані нижче технології.
• Затуманення. Імітація газу або туману в іграх.
• Затінювання Гуро. Інтерполяція кольорів для згладжування нерівностей кола і сфери.
• Альфа-змішування. Одна з перших технологій тривимірної графіки, використовувана для створення реалістичних об'єктів, наприклад "прозорого" диму, води і скла.
Нижче перераховані технології, найчастіше використовувані в сучасних прискорювачах тривимірної графіки.
• Буфер шаблонів. Активно використовується в іграх (особливе в жанрі авіасимуляторів) при моделюванні ландшафту, літаків і інших об'єктів поза скляною кабіною льотчика.
• Z-буферизація. Спочатку застосовувалася в системах автоматизованого проектування. Частина відеопам'яті, відведена під Z-буфер, містить інформацію про глибину сцени. При візуалізації ця інформація використовується для побудови закінченого зображення: пікселі, які розташовуються ближче, будуть візуалізовані, на відміну від пікселів, закритих іншими об'єктами.
|
|
|
• Рельєфне текстурірованіє. Призначено для відтворення спеціальних світлових ефектів, таких, як водні брижі, каміння і інші складні поверхні. Це додає велику реалістичність ігровим сценам і ландшафтам.
• Поліпшені технології накладення текстур. Для візуалізації тривимірних сцен з високим ступенем деталізації необхідно застосовувати спеціальні методи накладення текстур, які усувають небажані ефекти і роблять сцени реалістичнішими.
• Білінейная фільтрація. Поліпшення якості зображення невеликих текстур, поміщених на великі багатокутники. Ця технологія усуває ефект "блоковості" текстур.
• Множинне відображення. Поліпшення якості відображення об'єктів шляхом формування послідовності текстур одного і того ж зображення з роздільною здатністю, що зменшується; є різновидом згладжування.
• Трілінейная фільтрація. Комбінація білінейной фільтрації і так званого накладення mip mapping (текстури, що мають різний ступінь деталізації залежно від відстані до точки спостереження).
• Анізотропна фільтрація. Використовувана в деяких відеоадаптерах, дозволяє зробити сцену ще реалістичнішої. Проте ця технологія поки не набула належного поширення через високі вимоги до апаратної частини відеоадаптера.
• Однопрохідна або мул'тіпроходная візуалізація. У різних відеоадаптерах застосовуються різні технології візуалізації. В даний час практично у всіх відеоадаптерах фільтрація і основна візуалізація виконуються за один прохід, що дозволяє збільшити частоту кадрів.
• Апаратне або програмне прискорення. При апаратний виконуваній візуалізації досягається набагато краща якість зображень і швидкість анімації, ніж при програмній. Використовуючи спеціальні драйвери, нові відеоадаптери виконують всі потрібні обчислення з нечуваною раніше швидкістю. Для роботи з програмами тривимірної графіки, а також для сучасних ігор це технологічне рішення просте неоцінимо.
|
|
|
• Щоб забезпечити таку продуктивність, більшість відеоадаптерів працює на високих частотах (іноді перевищуючих робочу частоту мікросхеми, тобто розігнані), а отже, виділяють велику кількість тепла. Для усунення перегріву застосовуються вентилятори і теплоотводи (мал. 15.12).
• Повноекранне згладжування. Зменшення нерівностей, що виникають при збільшенні дозволу, за допомогою згладжування колірних меж для забезпечення плавних колірних переходів. Раніше згладжування використовувалося тільки для певних об'єктів; сучасні акселератори, створені компаніями nVidia і АІ, дозволяють використовувати цю технологію для всього екрану.
• Сполучення/згладжування вершин. Згладжування областей зчленовувань двох полігональних об'єктів, наприклад рук або ніг з тілом анімованого персонажа. Для виконання функції сполучення вершин у відеоадаптерах серії GeForce компанії nVidia використовується двохматрична технологія на програмній основі, а в процесорі RADEON компанії ATI використовується, у свою чергу, чотирьохматричне сполучення, підтримуване на апаратному рівні.
• Інтерполяція ключового кадру або трансформація вершин. Пожвавлення переходу від одного виразу обличчя до іншого, що дозволяє за відсутності скелетної анімації зробити міміку обличчя реалістичнішої. Для отримання докладнішої інформації звернетеся на Web-вузол компанії ATI.
• Програмована трансформація вершин і обробка півтонів. Технологія nfiniteFX компанії nVidia (відеоадаптер GeForceS), дозволяюча розробникам програмного забезпечення модифікувати ефекти на зразок сполучення вершин і обробки півтонів (поліпшений метод перетворення неправильних поверхонь). Це дозволяє позбавитися застосування щодо малої кількості ефектів з наперед певними характеристиками.
По мере развития ПК видеоадаптеры стали реализовывать аппаратное ускорение 2D- и SD-графики, обработку видеосигналов, прием телевизионных сигналов и многое другое. Современный видеоадаптер, называемый Super VGA (Super Video Graphics Adapter), или SVGA, представляет собой универсальное графическое устройство.
Видеоадаптер определяет следующие характеристики видеосистемы:
максимальное разрешение и максимальное количество отображаемых оттенков цветов;
скорости обработки и передачи видеоинформации, определяющие производительность видеосистемы и ПК в целом.
Кроме того, в функцию видеоадаптера включается формирование сигналов горизонтальной и вертикальной синхронизации, используемых при формировании растра на экране монитора.
^ Принцип действия видеоадаптера состоит в следующем.
Процессор формирует цифровое изображение в виде матрицы NxM n-разрядных чисел и записывает его в видеопамять. Участок видеопамяти, отведенный для хранения цифрового образа текущего изображения (кадра), называется кадровым буфером, или фрейм-буфером.
Видеоадаптер последовательно считывает (сканирует) содержимое ячеек кадрового буфера и формирует на выходе видеосигнал, уровень которого в каждый момент времени пропорционален значению, хранящемуся в отдельной ячейке. Сканирование видеопамяти осуществляется синхронно с перемещением электронного луча по экрану ЭЛТ. В результате яркость каждого пиксела на экране монитора пропорциональна содержимому соответствующей ячейки памяти видеоадаптера.
По окончании просмотра ячеек, соответствующих одной строке растра, видеоадаптер формирует импульсы строчной синхронизации, инициирующие обратный ход луча по горизонтали, а по окончании сканирования кадрового буфера формирует сигнал, вызывающий движение луча снизу вверх. Таким образом, частоты строчной и кадровой развертки монитора определяются скоростью сканирования содержимого видеопамяти, т.е. видеоадаптером.
|
|
|
^ 1. Режимы работы видеоадаптера
Режимы работы видеоадаптера, или видеорежимы, представляют собой совокупность параметров, обеспечиваемых видеоадаптером: разрешение, цветовая палитра, частоты строчной и кадровой развертки, способ адресации участков экрана и др.
Все видеорежимы делятся на графические и текстовые. Причем в различных режимах видеоадаптера используются разные механизмы формирования видеосигнала, а монитор в обоих режимах работает одинаково.
^ Графический режим является основным режимом работы видеосистемы современного ПК, например под управлением Windows. В графическом режиме на экран монитора можно вывести текст, рисунок, фотографию, анимацию или видеосюжет. В графическом режиме в каждой ячейке кадрового буфера (матрицы NxMn-разрядных чисел) содержится код цвета соответствующего пиксела экрана. Разрешение экрана при этом также равно NxМ. Адресуемым элементом экрана является минимальный элемент изображения — пиксел. По этой причине графический режим называют также режимом АРА (All Point Addressable —все точки адресуемы). Иногда число п называют глубиной цвета. При этом количество одновременно отображаемых цветов равно 2n, а размер кадрового буфера, необходимый для хранения цветного изображения с разрешением NxMи глубиной цвета п, составляет NxMбит.
В текстовом (символьном) режиме, как и в графическом, изображение на экране монитора представляет собой множество пикселов и характеризуется разрешением NxM. Однако все пикселы разбиты на группы, называемые знакоместам и, или символьными позициями (Character boxes — символьные ячейки), размером р х q. В каждом из знакомест может быть отображен один из 256 символов. Таким образом, на экране умещается M/q= M, символьных строк по N/p= N, символов в каждой. Типичным текстовым режимом является режим 80x25 символов.
|
|
|
Изображение символа в пределах каждого знакоместа задается точечной матрицей (Dot Matrix). Размер матрицы зависит от типа видеоадаптера и текущего видеорежима. Чем больше точек используется для отображения символа, тем выше качество изображения и лучше читается текст. Точки матрицы, формирующие изображение символа, называются передним планом, остальные — задним планом, или фоном. На рис. 4.16 показана символьная матрица 8x8 пикселов. Допустив, что темной клетке соответствует логическая единица, а светлой — логический ноль, каждую строку символьной матрицы представим в виде двоичного числа. Следовательно, графическое изображение символа можно хранить в виде набора двоичных чисел. Для этой цели используется специальное ПЗУ, размещенное на плате видеоадаптера. Такое ПЗУ называют аппаратным знакогенератором.
Рис. 4.16. Схема представления символа «А» в текстовом режиме в матрице 8x8 и ячейке знакогенератора
Совокупность изображений 256 символов называется шрифтом. Аппаратный знакогенератор хранит шрифт, который автоматически используется видеоадаптером сразу же после включения компьютера (обычно это буквы английского алфавита и набор специальных символов). Адресом ячейки знакогенератора является порядковый номер символа.
Для кодирования изображения символа на экране используются два байта: один — для задания номера символа, второй — для указания атрибутов символа (цвета символа и фона, подчеркивания, мигания, отображения курсора). Если на экране имеется N x M знакомест, то объем видеопамяти, необходимый для хранения изображения, составит Nt х Мt х 2 байт. Эту область видеопамяти называют видеостраницей. Видеостраница является аналогом кадрового буфера в графическом режиме, но имеет значительно меньший объем. В наиболее распространенном текстовом режиме (80х25 символов) размер видеостраницы составляет 4000 байт, в режиме 40х25 — 2000 байт. На практике для удобства адресации под видеостраницу отводят 4 Кбайт = 4096 байт и 2 Кбайт = 2048 байт соответственно, при этом «лишние» байты (96 и 48) не используются.
Главная особенность текстового режима в том, что адресуемым элементом экрана является не пиксел, а знакоместо. Иными словами, в текстовом режиме нельзя сформировать произвольное изображение в любом месте экрана — можно лишь отобразить символы из заданного набора, причем только в отведенных символьных позициях.
Другим существенным ограничением текстового режима является узкая цветовая палитра — в данном режиме может быть отображено не более 16 цветов.
Таким образом, в текстовом режиме предоставляется значительно меньше возможностей для отображения информации, чем в графическом. Однако важное преимущество текстового режима — значительно меньшие затраты ресурсов ПК на его реализацию.
Переход к более высокому разрешению и большей глубине цвета привел к увеличению загрузки центрального процессора и шины ввода/вывода. В целях разгрузки центрального процессора решение отдельных задач построения изображения было возложено на специализированный набор микросхем (Chipset) видеоадаптера, называемый графическим ускорителем, или акселератором. Акселератор аппаратным путем выполняет ряд действий, направленных на построение изображения.
^ 2. Основные типы видеоадаптеров.
С момента появления и до наших дней сменилось несколько типов видеосистем. К базовым классам видеосистем можно отнести следующие.
2.1. Адаптер MDA.
Первые модели IBM PC были оснащены монохромным дисплеем с люминофором зеленого свечения. Для связи этого дисплея с компьютером использовался видеоадаптер типа MDA (Monochrome Display Adapter — Адаптер монохромного дисплея). Он работал только в текстовом режиме 80x25 символов. Символьная матрица (знакоместо) была размером 9x14 пикселов, поэтому разрешение, поддерживаемое монитором MDA, составляло 720x350 пикселов, а размер самого символа -- 7x9 пикселов. Емкость видеопамяти видеоадаптера MDA была минимальной, достаточной для размещения только одной видеостраницы размером 4 Кбайт. Основу видеоадаптера MDA составляла микросхема МС6845 фирмы Motorola.
2.2. Адаптер CGA.
Видеосистема CGA включала в себя цветной TTL-монитор и видеоадаптер CGA (Color Graphics Adapter— Цветной графический адаптер). Главные отличия этой видеосистемы от MDA отражены в ее названии, т. е. она обеспечивала: цветное изображение (от 4 до 16 цветов); несколько графических режимов работы видеоадаптера.
Максимальное разрешение монитора CGA составляло 640x200. Такое разрешение использовалось либо в текстовом 80x25 (при размере знакоместа 8x8), либо в монохромном графическом режиме. В последнем случае для хранения цифрового образа экрана требовался кадровый буфер размером 640x480x1 = 128 000 бит = 15,625 Кбайт. Поэтому объем видеопамяти видеоадаптера CGA составлял 16 Кбайт. При работе в графическом режиме с более низким разрешением (например 320x200) для кодирования цвета каждого пиксела использовалось 2 бита, благодаря чему обеспечивалось одновременное отображение 4-х цветов, а при разрешении 200x160 — 16-и цветов. В текстовом режиме были доступны все 16 цветов. Видеоадаптер CGA также выполнен на основе микросхемы МС6845.
Меньшая детальность прорисовки символа и малое межсимвольное расстояние, использованные в CGA, настолько ухудшили различимость текста по сравнению с MDA, что длительная работа в текстовом режиме стала крайне утомительна для глаз. Для совмещения главных достоинств CGA (графического режима и цветного изображения) с возможностью продуктивно работать в текстовых режимах, в PC могли быть установлены обе видеосистемы одновременно. Чтобы исключить конфликты, были разнесены адреса видеопамяти и управляющих регистров на видеоадаптерах CGA и MDA.
Интересная особенность видеоадаптера CGA — он может использовать обычный телевизор в качестве устройства отображения. Для этого видеоадаптер CGA был оснащен специальным кодирующим устройством, которое из четырех двоичных сигналов I, R, G, В и сигналов синхронизации формирует композитный (совмещенный) полный цветной телевизионный сигнал (ПЦТС).
2.3. Адаптер HGC.
Стандарт HGC (Hercules Graphics Card), разработанный фирмой Hercules в 1982 г., явился логичным решением, позволившим объединить в одном изделии возможности MDA, обеспечивающие высококачественное отображение текста, с поддержкой графического режима CGA. Часто видеоадаптеры этого стандарта называют картами Hercules). Поскольку в качестве устройства отображения для данного видеоадаптера использовался стандартный монохромный монитор видеосистемы MDA, видеоадаптеры HGC быстро завоевали популярность и де-факто стали единственным стандартом в, области видеосистем для PC, разработанных за пределами фирмы IBM.
По своему разрешению (720x348) видеоадаптер HGC подобен карте MDA. Соответственно, одинаковы у них и размеры символьной матрицы для текстового режима — 9x14 пикселов. В качестве видеоконтроллера в HGC используется уже известная микросхема МС6845.
Длина первых карт Hercules равнялась примерно 30 см; на их платах размещалось около 100 отдельных корпусов микросхем. Карты, производимые позднее, объединяли все элементы в одном чипе, таком как, например, микросхема контроллера TD3088. Обычно на такой карте находится еще и параллельный порт для подключения принтера.
Однако, несмотря на все перечисленные выше достоинства, видеоадаптеры данного типа имели существенный недостаток — монохромность изображения. По этой причине их широкое использование практически прекратилось с появлением новых видеоадаптеров фирмы IBM — EGA и VGA.
2.4. Адаптер EGA.
Новый видеоадаптер EGA (Enhanced Graphics Adapter — Улучшенный графический адаптер) обеспечивал более высокое разрешение по вертикали, большее количество отображаемых цветов и обладал более высоким быстродействием. Максимальное разрешение, обеспечиваемое видеосистемой EGA, составило 640x350, что позволило значительно повысить качество изображения в текстовом и графическом режимах работы по сравнению с CGA. Благодаря увеличению размера знакоместа до 8x14 (размер символа составил 7x9) значительно повысилась четкость отображения текста.
По сравнению с CGA в видеоадаптере EGA была усовершенствована схема кодирования цвета пиксела: вместо четырех двоичных сигналов использовалось шесть, что увеличило размер палитры до 64 оттенков. Однако количество одновременно отображаемых цветов по-прежнему было ограничено шестнадцатью.
Применение 16-цветной палитры при разрешении 640x350 потребовало резко увеличить объем видеопамяти: в первых моделях видеоадаптера EGA было установлено 64 Кбайт видеопамяти, в дальнейшем размер видеопамяти был увеличен до 128 Кбайт.
Видеоадаптер EGA имел еще одну важную особенность, существенную для неанглоязычных пользователей PC: наряду с аппаратным знакогенератором он позволял использовать и программный, т. е. загружаемые шрифты. Это значительно облегчило поддержку национальных языков. Для видеоадаптера EGA характерно наличие DIP-переключателей на задней панели блока, при помощи которых производится настройка видеоадаптера на конкретный режим работы: выбор цветного или монохромного режима, количества текстовых столбцов (40 или 80), выбор разрешения по вертикали, а также ряд других настроек. Необходимость такой настройки диктовалась возможностью использования различных мониторов совместно с видеоадаптером EGA. Поскольку выходной 9-штырьковый разъем видеоадаптера EGA по конструкции и назначению контактов аналогичен разъемам CGA и MDA, вместе с EGA могли использоваться три типа мониторов: монохромный монитор MDA; цветной монитор CGA; Цветной монитор EGA — (Enhanced Color Display, ECU)
При подключении к видеоадаптеру EGA улучшенного цветного дисплея использовались более высокие частоты строчной и кадровой развертки, снижающие мерцание экрана монитора.
Многие модели видеоадаптеров EGA унаследовали от CGA возможность вывода композитного видеосигнала на обычный телевизор или композитный монитор. Такие модели имеют на задней панели разъем типа RCA. Хотя видеосистема EGA была намного лучше, чем CGA, качество формируемого ею изображения по-прежнему нельзя было считать удовлетворительным по причине ограниченного количества одновременно отображавших цветов (16). Поэтому судьба видеосистемы EGA была предрешена. Ее не спасло даже появление расширения стандарта EGA — видеосистемы EGA-плюс, которая обеспечивала более высокое разрешение 800x600 и отображение 16-и цветов. Эта новинка просто не успела получить широкого распространения, т. к. вскоре появилась принципиально новая видеосистема VGA, позволившая радикально улучшить качество изображения на экране монитора PC.
2.5. Адаптеры VGA.
Размер цветовой палитры в видеосистемах CGA и EGA ограничивался не столько видеоадаптером (объемом видеопамяти), сколько цифровыми мониторами, не позволявшими использовать более шести двоичных сигналов для кодирования цвета. Понимая это, специалисты фирмы IBM приняли гениальное и простое решение — вернуться к аналоговому видеосигналу, используемому в обычном телевизоре. В итоге вместо многоразрядного цифрового сигнала видеоадаптер стал формировать трехкомпонентный аналоговый RGB-сигнал, который после усиления подавался на модуляторы электронных пушек ЭЛТ. Так появилась видеосистема VGA, включающая новый аналоговый цветной монитор и встроенный в материнскую плату видеоадаптер VGA. Впервые она была использована в компьютере IBM PS/2 (Personal System). В дальнейшем видеоадаптеры VGA стали выпускать в виде отдельных плат, устанавливаемых в 16-разрядный слот шины ISA.
Существует несколько вариантов расшифровки аббревиатуры VGA. Первоначально она обозначала название сверхбольшой интегральной схемы (СБИС), в которой были реализованы основные узлы видеоадаптера (Video Gate Array — Вентильная матрица для формирования видеосигнала). Однако потом нюансы внутреннего устройства таких адаптеров отошли на второй план, а расшифровка этих аббревиатур стала отражать их функциональные особенности. Была также учтена созвучность данных аббревиатур с названиями предыдущих видеоадаптеров (CGA, EGA), в которых сочетание GA (Graphics Adapter) означало графический адаптер. В итоге, VGA стали расшифровывать как Video Graphics Adapter — графический адаптер, формирующий видеосигнал (т. е. аналоговый сигнал).
Основным конструктивным отличием видеоадаптера VGA от своего предшественника (EGA) стало наличие специальной микросхемы — RAMDAC (RandomAccess Memory Digital-to-Analog Converter — Цифро-аналоговый преобразователь данных, хранимых в ОЗУ). RAMDAC представлял собой быстродействующий трехканальный ЦАП, оснащенный 256-ю регистрами цвета, образующими его собственное маленькое ОЗУ — RAM (этим и объясняется название данного элемента — RAMDAC, а не просто DAC). RAMDAC предназначен для преобразования двоичных чисел, содержащихся в ячейках видеопамяти, в три непрерывных RGB-сигнала, уровень которых пропорционален яркости каждого из трех основных цветов.
Видеоадаптер VGA имел 256 Кбайт видеопамяти. Это обеспечило поддержку графических режимов 640x480 при 16-и цветах (640x480/16) и 320x200/256. В последнем случае используется 8-битная кодировка цвета пиксела, благодаря чему размер текущей палитры равен 256 цветовым оттенкам (именно столько регистров цвета имеет RAMDAC). Благодаря использованию видеорежима 320x200/256 впервые стало возможно получить изображение, хоть и немного размытое, но весьма реалистичное по цветовой гамме.
В соответствии с традициями IBM видеоадаптер VGA обеспечивал совместимость со всеми видеорежимами предыдущих видеоадаптеров. Дополнительно он поддерживал три новых видеорежима:
оценка расстояния до предмета путем анализа информации о его размерах (чем меньше объект — тем он дальше);
оценка последовательности наложения предметов один на другой (кто выше — тот ближе);
определение глубины пространства за счет использования эффекта перспективы, т. е. визуального сближения параллельных линий, уходящих вдаль;
анализ световых эффектов на предмете (теней, бликов и т. п.).
Построение геометрической модели поверхности объекта путем задания трехмерных координат его опорных точек и уравнений соеди няющих их линий. Полученная геометрическая модель представляет собой так называемую каркасную модель объекта (Wireframe).
^ Разбиение поверхности полученного объекта на элементарные плоские элементы (прямоугольники или треугольники) — тесселяция (Tessela-tiori), или триангуляция. Это приводит к тому, что поверхность объекта представляет собой совокупность плоских граней — многоугольников, в частности треугольников, как показано на рис. 4.17. Поверхность объекта воспроизводится точнее при увеличении числа и уменьшении размеров многоугольников (ср. рис. 4.17, а, б).
Моделирование движения объекта: его перемещение, вращение и изменение размеров (формы) — трансформация (transformation) — сводится к стандартному преобразованию координат вершин отдельных граней в виде многоугольников и реализуется путем выполнения множества различных алгебраических опера ций с использованием тригонометрических функций. На рис. 4.18 показана трансформация формы объекта путем изгиба и скручивания.
^ Расчет освещенности (Lighting) и затенения (Shading) объекта производится в два этапа. Сначала выполняется расчет освещенности каждого элементарного многоугольника с учетом его удаленности от источника света и угла падения светового луча. Чтобы поверхность объекта не выглядела состоящей из множества отдельных плоских граней, как это показано на рис. 4.19, а, применяют методы затенения, т.е. дополнительно производят интерполяцию значений освещенности, позволяющую плавно изменять освещенность каждой грани и скрыть резкие переходы между ними (рис. 4.19, б).
Проецирование синтезированного трехмерного объекта на плоскостьэкрана, т.е. первое, предварительное преобразование трехмерного объекта в совокупность двухмерных.
^ Обработка данных о вершинах элементарных многоугольников, полученных на предыдущих этапах (Triangle Setup), заключающаяся в преобразовании формы представления координат вершин: из чисел с плавающей точкой (вещественных чисел) в целые числа, а также в сортировке вершин и других действиях.
^ Удаление скрытых поверхностей — HSR (Hidden Surface Removal), т. е. исключение из проецирования тех элементов поверхности объекта, которые оказываются невидимыми с точки наблюдения.
^ Закраска элементарных треугольников, или текстурирование, выполняется наложением текстур (Texture Mapping). Текстура (Texture) — это элемент обшивки объекта, т.е. изображение участка его поверхности, которое хранится в виде квадратной растровой картинки, состоящей из текселов (Texel — Texture Element —элемент текстуры). После наложения текстуры (рис. 4.20, а) каркасная модель как бы покрывается своеобразным покрытием —текстурой и становится похожей на реальный объект (рис. 4.20, б). В процессе текстурирования каждый многоугольник, составлявший каркасную модель, заменяется на элемент текстуры, а значение каждого пиксела двухмерного изображения вычисляется по значению соответствующего тексела текстуры.
Интерполяция недостающих цветов — (Dithering) используется в том случае, когда в текущем видеорежиме 3D-акселератора для кодирования цвета пиксела используется менее 24 бит (например, в режиме High Color при 16-бит ном цвете).
^ Окончательное формирование кадрового буфера (Frame Buffer) — области памяти 3D -акселератора, в которую помешается спроецированное двухмерное изображение. Кадровый буфер используется для формирования выходного, аналогового видеосигнала 3D -ускорителя.
Каковы назначение и принцип действия видеоадаптера.
Какие существуют режимы работы видеоадаптера. Их особенности.
Охарактеризовать основные типы видеоадаптеров.
Каково назначение 2D и 3D акселераторов?
Каковы основные принципы синтеза трехмерного изображения?
Привести основные характеристики видеоадаптера.
2.6. Адаптер Super VGA.
Первоначально совершенствование видеоадаптера VGA шло в основном за счет увеличения объема его видеопамяти: сначала до 512 Кбайт, а затем и до 1 Мбайт. Появились видеоадаптеры, поддерживающие режимы 800x600, 1024x768 при одновременном отображении 256-и оттенков цветов. Для работы с такими видеоадаптерами использовались модернизированные мониторы, имеющие уменьшенное зерно люминофора экрана, повышенные частоты синхронизации и более широкую полосу пропускания видеотракта. Возникло понятие видеосистемы Super VGA, под которым поначалу понималось любое расширение возможностей стандарта VGA. Первой фирмой, изготовившей видеоадаптер, поддерживающий режим 800x600/256, была фирма NEC, а пионером среди видеоадаптеров, поддерживающих разрешение 1024x768, стал видеоадаптер 8514/А фирмы IBM.
Появление многочисленных моделей видеоадаптеров SVGA, изготовленных разными фирмами, породило проблему их совместимости с программным обеспечением. Причина ее возникновения заключалась в том, что расширенные режимы работы видеоадаптера не поддерживали стандартные способы инициализации: каждая из фирм-производителей использовала свои номера видеорежимов, расширенных относительно VGA, и свои команды инициализации. Например, режим 800x600/256 у видеоадаптеров фирмы Trident Microsystems имеет номер 5Eh, у видеоадаптеров фирмы Realtek -27h, а у видеоадаптеров фирмы Tseng Labs — 30h. Следовательно, для установки режима 800x600/256 центральный процессор должен послать каждому из этих видеоадаптеров различные команды, что затрудняет создание универсальной программы.
Долгое время нельзя было говорить о Super VGA как о стандарте еще и потому, что не был четко определен смысл самого термина SVGA. Часто обычный видеоадаптер VGA преподносился продавцами как SVGA только на том основании, что поддерживал видеорежим 800x600/16. Однако для реализации такого режима необходимо менее 256 Кбайт видеопамяти, поэтому практически любой видеоадаптер VGA, имеющий стандартный объем памяти (256 Кбайт), может поддерживать данный режим.
Стремясь исправить это ненормальное положение, Ассоциация стандартов по видеоэлектронике (Video Electronics Standard Association, VESA) предложила свой стандарт на нумерацию и способ инициализации видеорежимов, расширенных относительно VGA. Было предложено считать SVGA-режимами только такие, которые требуют для своей реализации не менее 512 Кбайт видеопамяти. Это позволило создавать универсальные программы, предназначенные для работы в режимах с повышенным разрешением, а также решать вопрос принадлежности видеоадаптера к семейству SVGA. He случайно в течение длительного времени объем видеопамяти был главным критерием качества видеоадаптера SVGA.
Стандарт VESA имел несколько версий, появление которых отражало эволюцию возможностей видеосистемы. Кроме того, в адаптерах SVGA начали использоваться 24-разрядные RAMDAC и прямая кодировка цвета пиксела, благодаря чему появились такие режимы, как High Color (16 бит на пиксел, или 65 536 цветов) и True Color (24 бит на пиксел, или 16 777 216 цветов).
Программы, дополняющие Video BIOS видеоадаптера SVGA для обеспечения поддержки спецификации VESA, получили название VВЕ (VESA BIOSExtension). Первоначально они использовались в виде драйверов и резидентных программ, загружаемых в память по мере необходимости. В настоящее время все современные видеоадаптеры содержат VBE в ROM Video BIOS, благодаря чему совместимость со спецификацией VESA обеспечивается автоматически.
С переходом к более высокому разрешению и большей глубине цвета резко увеличилась загрузка центрального процессора PC и шины ввода/вывода. Чтобы разгрузить центральный процессор, решение ряда задач построения изображения (заполнения кадрового буфера) решили возложить на специализированный набор микросхем (Chipset) видеоадаптера, получивший название графического ускорителя (акселератора).
Другим способом повышения производительности видеосистемы и PC в целом стало применение видеоадаптеров с более быстрым интерфейсом, чем ISA. Первоначально для нужд видеосистемы использовалась 32-разрядная локальная шина VLB (VESA Local Bus), которая в дальнейшем была вытеснена более быстрой и совершенной шиной PCI (Peripheral Component Interconnect — Соединение периферийных устройств). В настоящее время большинство видеоадаптеров, оснащенных функциями ускорения 2D- и 3D-гpaфики, имеют интерфейс AGP. Последним достижением стал новый графический интерфейс PCI Express.
^ 3. 2D- и 3D-акселераторы
2D-акселератор — графический ускоритель для обработки двухмерных графических данных (2D), реализует аппаратное ускорение таких функций, как прорисовка графических примитивов, перенос блоков изображения, масштабирование, работа с окнами, мышью, преобразование цветового пространства. Первоначально видеоадаптеры с аппаратным ускорением графических функций делились на две группы: видеоадаптеры с графическим ускорителем (акселератором) и видеоадаптеры с графическим сопроцессором.
^ Графический акселератор — устройство, выполняющее заданные логические или арифметические операции по жесткому алгоритму, который не может быть изменен.
^ Графический сопроцессор — более универсальное устройство и работает параллельно с центральным процессором. Основное отличие графического сопроцессора от графического акселератора в том, что сопроцессор можно запрограммировать на выполнение различных задач, поскольку он является активным устройством: имеет возможность, как и центральный процессор, обращаться к системной оперативной памяти и управлять шиной ввода/вывода.
В современных видеоадаптерах объем и сложность графических функций, выполняемых графическим сопроцессором, стали соизмеримы с объемом задач, решаемых центральным процессором ПК. В связи с этим Chipset, составляющий основу современного видеоадаптера с аппаратной поддержкой графических функций, называют графическим процессором.
3D-акселераторы предназначены для обеспечения возможности видеть на экране проекцию виртуального (не существующего реально) динамического трехмерного объекта, например, в компьютерных играх. Такой объект необходимо сконструировать, смоделировать его объемное изображение, т.е. задать математическую модель объекта (каждую точку его поверхности) в трехмерной системе координат, аналитически рассчитать всевозможные зрительные эффекты (угол падения света, тени и т.п.), а затем спроецировать трехмерный объект на плоский экран. 3D-акселератор необходим только в том случае, когда объемное изображение синтезируется компьютером, т.е. создается программно.
Совокупность приложений и задач, в рамках которых реализуется эта схема построения трехмерного изображения на экране монитора PC, называется трехмерной графикой, или 3D (3-Dimentional — трехмерный).
^ 4. Синтез трехмерного изображения. 3D-конвейер.
Синтез 3D-изображения выполняется путем аналитического расчета различных параметров изображения для создания визуальных эффектов, обеспечивающих ощущение его объемности и реальности. В частности, в процессе синтеза 3D-изображения выполняются:
Для получения этих эффектов процесс синтеза трехмерного изображения объекта в виде его двухмерной проекции на экране монитора строится по модели, называемой 3D-конвейером. Выделяют следующие основные этапы 3D-конвейера.
Рис. 4.17. Тесселяция объекта с помощью различного числа треугольников: а — 420 треугольников; б — 2668 треугольников
Рис. 4.18. Трансформация формы объекта путем изгиба и скручивания
Рис. 4.19. Изображение объекта, рассчитанное: а — без использования механизма интерполяции; б — с использованием метода затенения
При этом в Z-буфере сохраняется совокупность данных о расстоянии каждой из вершин элементарного многоугольника, образующего грани, до плоскости проецирования. Это позволяет в дальнейшем определить, какие части объекта окажутся видимыми, а какие — нет. Наличие Z-буфера — важнейшее отличие работы с трехмерной графикой от работы с двухмерной.
При текстурировании производится обработка растровой графики, что приводит к необходимости применять различные приемы коррекции изображения, например применение текстур с различным разрешением — м и п м э п п и н г.
Рис. 4.20. Текстурирование объекта: а — текстура; б — каркасная модель после наложения текстуры
MIP-текстурирование, или мипмэппинг (MIP— Multum In Parvo — много в одном), применяется для устранения пикселизации при приближении к SD-объекту. MIP-текстурирование заключается в том, что в памяти акселератора хранятся несколько копий одной и той же текстуры, но с различным разрешением LOD (Level Of Detalization — уровень детализации). Каждая последующая копия текстуры содержит в четыре раза больше пикселов, чем предыдущая. Совокупность всех копий одной и той же текстуры называют MIP-каскадом, пример которого дан на рис. 4.19.
Рис. 4.21. Пример МIР-каскада
В процессе «прорисовки» ближних к наблюдателю поверхностей используются более крупные текстуры, а при прорисовке дальних — более мелкие. Применение мипмэппинга требует значительных объемов памяти акселератора. Для хранения текстуры не в локальной памяти 3D-акселератора, а в RAM PC и при необходимости быстро их подгружать используется локальная шина AGP с высокой пропускной способностью.
9. ^ Моделирование эффектов прозрачности и полупрозрачности заключается в том, что на основе информации о взаимной прозрачности объектов и среды выполняется коррекция цвета пикселов — так называемое альфа-смешение (Alpha-blending) и затуманивание (Fogging).
10. Коррекция дефектов изображения путем сглаживания — антиалиасинг (Anti-aliasing). Антиалиасинг применяется для устранения дефектов изображения типа «лестничного» эффекта на наклонных линиях, муара. Различают краевой (Edge Anti-aliasing) иполный (Full-screen Anti-aliasing — FSAA) антиалиасинг. В первых моделях игровых ускорителей использовался только краевой антиалиасинг, для современных 3D -акселераторов обязательным является полный антиалиасинг.
Краевой антиалиасинг заключается в усреднении цвета пикселов на краях (ребрах) грани на основе взвешенного суммирования цветов прилегающих граней. Техника взвешенного суммирования заключается в определении весовых коэффициентов, с которыми суммируются цвета при определении цвета краевого пиксела. При этом полагают, что каждая точка (линия) на краю грани имеет фиксированную, ненулевую площадь, а значения весовых коэффициентов зависят от того, какую часть этой площади перекрывают прилегающие грани.
Полный антиалиасинг, или субпикселный антиалиасинг, используется для полного устранения всех дефектов. Суть данного метода в том, что коррекция дефектов выполняется с так называемым виртуальным разрешением, которое выше исходного. При этом каждый пиксел представляется состоящим из нескольких виртуальных субпикселов, над которыми производится антиалиасинг, как показано на рис. 4.22. После коррекции, когда цвета всех субпикселов определены, исходное разрешение восстанавливается.
Рис. 4.22. «Виртуальное разрешение» при выполнении полного антиалиасинга
Для ускорения процесса создания изображения используется механизм двойной буферизации, при котором выделяется память одновременно для двух смежных кадров: построение следующего кадра начинается еще до того, как закончится отображение предыдущего. В результате обеспечивается более плавная смена кадров.
13. Постобработка (Post-processing) применяется в том случае, когда требуется реализовать какие-либо двухмерные эффекты над подготовленным кадром как единым целым.
Этапы 1 — 6 3D -конвейера образуют его геометрическую стадию, на которой выполняются интенсивные тригонометрические вычисления с помощью CPU. Однако существует тенденция обеспечения современных игровых 3D -акселераторов специальным процессором, обеспечивающим аппаратное ускорение выполнения геометрической стадии 3D -конвейера.
Этапы 7—13 3D -конвейера образуют стадию прорисовки объекта, или стадию рендеринга {Rendering — изображение, рисование, визуализация). На этой стадии все действия выполняются уже с растровыми объектами, состоящими из отдельных, дискретных элементов — пикселов и текселов. Выполняемые на стадии рендеринга операции не характерны для центрального процессора (как на геометрической стадии), поэтому именно на этом этапе конвейера необходимо аппаратное ускорение. Большинство современных 3D -ускорителей предназначено для рендеринга на аппаратном уровне и различается лишь числом реализуемых функций.
Программным интерфейсом для 3D -акселераторов служит так называемый интерфейс прикладного программирования (Appli-cation Program Interface — API). API занимает промежуточное положение между высокоуровневыми прикладными программами и низкоуровневыми командами различных 3D-акселераторов и обеспечивает эффективное преобразование запросов прикладной программы в оптимизированную последовательность низкоуровневых команд. Благодаря API, разработчики прикладных программ избавлены от необходимости работать с низкоуровневыми командами акселератора.
В настоящее время существуют несколько платформ API, отличающихся областями применения.
DirectX разработана фирмой Microsoft, используется в игровых приложениях, работающих под управлением операционной системы Windows 95/98, и включает в себя несколько узконаправленных API:
DirectDraw обеспечивает использование аппаратных средств ускорения обычной, двухмерной графики;
Direct3D отвечает за работу графической системы в режиме создания трехмерных изображений;
DirectInput обеспечивает аппаратно независимый ввод информации в ПК через клавиатуру, мышь и джойстик;
DirectPlay используется при совместной игре на нескольких компьютерах, объединенных в сеть или соединенных непосредственно, через параллельный или последовательный порты;
DirectSound управляет использованием ресурсов звуковой системы ПК.
В архитектуре Direct3D заложен принцип проверки функциональных возможностей установленного аппаратного обеспечения. В соответствии с этим принципом прикладная программа сначала запрашивает Direct3D-coвместимый драйвер об аппаратно поддерживаемых данным акселератором 3D-функциях, а затем в зависимости от ответа активизирует поддерживаемые функции. Это избавляет от необходимости производить ручную настройку.
DirectX является жестко регламентированным, закрытым стандартом, который не допускает изменений до выхода в свет своей новой версии.
Open GL используется в основном в профессиональных приложениях (CAD, системы трехмерного моделирования, симуляторы и т.п.), работающих под управлением операционной системы Windows NT. Вместе с тем существуют и игры, ориентированные на OpenGL, например Quake.
API OpenGL построен на основе концепции открытого стандарта, имеющего небольшой базовый набор функций и множество расширений, реализующих более сложные функции. Производитель Chipset карты 3D -акселератора обязан создать BIOS и драйверы, выполняющие базовые функции OpenGL, но не обязан обеспечивать поддержку всех расширений. В результате возникают проблемы, связанные с написанием производителями драйверов для своих изделий, которые поставляются как в полном, так и в усеченном виде.
К числу OpenGL-совместимых драйверов относятся следующие:
ICD (Installable Client Driver — драйвер приложения-клиента) обеспечивает максимальное быстродействие, поскольку содержит низкоуровневые коды, обеспечивающие поддержку не только базового набора функций, но и его расширений.
MCD (Mini Client Driver) содержит оптимизированный код лишь для некоторых этапов 3D -конвейера, поэтому акселератор под его управлением работает медленнее.
Мини-порт — группа специализированных OpenGL-совместимых драйверов, каждый из которых специально разработан для работы с какой-либо одной программой или игрой. Такой мини-порт применяется, когда, например, возникает необходимость поиграть в QuakeGL или Quake II на ПК с Windows 95 и 3D-акселератором, не рассчитанным на использование OpenGL.
Раппер (Wrapper — устройство для оборачивания, завертывания, окутывания) — мини-порт, который может работать как ICD за счет перевода инструкций OpenGL в инструкции Direct3D, обеспечивая при этом самую низкую скорость работы по сравнению с драйверами других типов.
Game Engine — «игровой движок» — драйвер, разработанный для конкретной 3D-платы и обеспечивающий максимальную производительность за счет непосредственного использования низкоуровневых команд акселератора, без использования API.
Принципиальным отличием API OpenGL от DirectX является то, что OpenGL ориентирован на корректность создаваемых изображений, тогда как для DirectX важны скорость прорисовки и естественность изображения.
Кроме того, существуют Native API, создаваемые производителями 3D -акселераторов исключительно для своих Chipset с целью наиболее эффективного использования их возможностей.
Для настройки видеосистемы с целью обеспечения максимальной производительности при работе с трехмерной графикой пользователь ПК должен:
при выборе 3D -платы четко представить область ее будущего применения: игры или решение профессиональных задач;
установить в систему требуемый API;
проконтролировать настройку параметров драйвера и/или прикладной программы, задействовав необходимые функции 3D-aкселерации;
используя тесты и оценивая качество изображения визуально, подобрать набор функций, обеспечивающих наилучшее качество изображения.
При работе с программами, ориентированными на DirectX, пользователь не выполняет перечисленные выше настройки, поскольку они производятся автоматически.
^ 5. Устройство и характеристики видеоадаптера
Первые 3D -акселераторы выполнялись в виде самостоятельного устройства только для работы с трехмерной графикой, устанавливаемого в слот шины ввода/вывода и соединяемого с видеоадаптером специальным кабелем.
Современные видеоадаптеры содержат один мощный графический процессор, в состав которого входит 3D-акселератор. В связи с этим понятие «3D -акселератор» означает не специализированную плату, а универсальный видеоадаптер, в состав которого входит ускоритель трехмерной графики.
Современный видеоадаптер (видеокарта) включает следующие основные элементы:
графический процессор;
модули оперативной памяти;
RAMDAC — цифроаналоговый преобразователь, выполняющий преобразование цифровых сигналов ПК в сигналы, формирующие изображение на мониторе.
^ Интегральным показателем качества видеоадаптеров, сфера применения которых — в основном трехмерные игры, является частота смены кадров (frameper second — fps). В каждой трехмерной игре этот показатель будет различным.
Качество современного видеоадаптера можно считать удовлетворительным, если в игре Quake при разрешении 1600x1200 он обеспечивает 60 — 70 fps.
Другим показателем качества видеоадаптера является максимальное число обрабатываемых элементарных простых объектов (многоугольников, треугольников) в секунду. Эти значения для отдельных видеоадаптеров составляют 800— 1200 млн/с.
^ Объем оперативной памяти видеоадаптеров достигает 128 Мбайт. Типы памяти, используемой в видеоадаптерах, аналогичны модификациям обычной оперативной памяти. В недорогих моделях используется память SDRAM или ее более быстрая графическая модификация SGRAM со временем доступа 7 — 8 нс. Более совершенные модели оснащены памятью DDR SDRAM со временем доступа 5 — 6 нс.
^ Частота работы графического чипа и памяти видеоадаптера может быть одинаковой или разной. Например, базовая частота чипа самых популярных видеокарт 2000 г. составляла 166 — 250 МГц, а частота памяти — 140— 180 МГц.
Частота RAMDAC определяет качество видеоадаптера. Большинство современных видеокарт имеют частоту RAMDAC в диапазоне 250 — 400 МГц.
^ Тип интерфейса с шиной ввода/вывода оказывает существенное влияние на быстродействие всей видеосистемы. Для эффективной работы с трехмерной графикой современные видеоадаптеры комплектуются интерфейсом AGP. AGP4x — суперскоростной режим, обеспечивающий скорость обмена 1,06 Гбайт/с.
На компьютерном рынке наиболее популярны видеокарты на чипсете собственной оригинальной разработки, предлагаемые фирмами ATI, Matrox и 3dfx, в то время как чипсеты фирмы Nvidia используются в составе видеокарт других производителей. Видеокарты ATI предпочтительнее в мультимедийных комплексах, производства 3dfx — в игровых приложениях, а фирма Matrox специализируется на двухмерной графике.
Для поддержки спецэффектов в игровых приложениях (анти-алиасинга, имитации тумана, пламени, ряби на водной глади) в процессор видеоадаптера все чаще встраивают специальный блок «трансформации и освещения» (Т&Т), который позволяет получить высокое качество игрового изображения.
Для приема телевизионных сигналов и вывод их на монитор в плату видеоадаптера встраивают TV-тюнер. Встроенные TV-тюнеры не отличаются высоким качеством изображения, которое может воспроизводиться в небольшом окне Windows. TV-тюнеры, устанавливаемые в отдельный слот компьютера, обеспечивают полноэкранный режим и высокое качество изображения, обеспечивая при этом выполнение дополнительных сервисных функций: телефонные переговоры через Internet, прослушивание радио, прием спутникового телевидения при наличии спутниковой антенны.
Внешние TV-тюнеры, подключаемые через порт USB, обеспечивают воспроизведение телепередач в «оконном» режиме на экране монитора.
Контрольные вопросы
Проекционный аппарат (проектор) (от латинского projicio — бросаю вперед) — оптико-механический прибор для проецирования на экран увеличенных изображений различных объектов.
Принцип действия проекционных аппаратов заключается в проецировании с помощью оптической системы на экран изображения объекта, нанесенного на тонкой полупрозрачной пленке, при освещении его мощной проекционной лампой. В результате изображение может быть показано большой аудитории.
Первый проектор изобрел немецкий физик и математик Афанасий Кирхер в 1640 г., назвав свой аппарат «волшебный фонарь». Аппарат, в котором источником света служила свеча, позволял создавать на экране теневые проекции изображения людей, животных или предметов, вырезанных из картона.
Современные проекционные аппараты служат для демонстрации прозрачных объектов: диапозитивов (кодопроекторы), диафильмов (диапроекторы), непрозрачных (эпипроекторы), а также тех и других (эпидиапроекторы). Проекционные аппараты применяются для презентаций, в качестве технических средств обучения. Поскольку в настоящее время весомая часть информации находится в электронном виде, возникла необходимость проецирования на экран изображения с экрана монитора.
Современные проекционные аппараты, подключаемые к ПК, позволяют проецировать на большой экран изображение с экрана монитора. В компьютерных проекторах в качестве источника проецируемого изображения используется специальный электронно-управляемый модулятор, на который подается сигнал от видеоадаптера PC. Такой модулятор выполняет функцию диапозитивной пленки или слайда в обычном проекторе и используется в качестве управляемого светофильтра, модулирующего световой поток от проекционной лампы.
Конструкции и принципы действия модуляторов отличаются большим разнообразием, хотя в основном они построены на базе ЖК-панелей. Все компьютерные проекторы можно разбить на две группы:
• универсальные проекторы (оверхед-проекторы) общего назначения; в качестве источника изображения в них используется специальный внешний модулятор — ЖК-панель;
• мультимедийные проекторы со встроенным модулятором.
На компьютерный проектор подается RGB-сигнал, снимаемый с выхода видеоадаптера ПК, а также обычный видеосигнал, источником которого может быть бытовая или полупрофессиональная видеоаппаратура. Проекторы, в которых в качестве входного используется только видеосигнал, называются видеопроекторами.
^ 1. Оверхед-проекторы и ЖК-панели
Оверхед-проектор (Over Head Projector — проектор, расположенный над головой) — проекционный аппарат, в котором изображение от источника проецируется на экран при помощи наклонного проекционного зеркала. Конструктивно в зависимости от места размещения проекционной лампы оверхед-проекторы разделяются на отражательные и просветные.
^ Отражательные проекторы представляют собой малогабаритные устройства, предназначенные для проецирования изображений, нанесенных на специальную прозрачную пленку. Отражательные проекторы не могут использоваться совместно с ЖК-панелями, поскольку мощность проекционной лампы у них невелика.
Просветные проекторы (рис. 4.8) отличаются тем, что у них проекционная лампа размещается под рабочей поверхностью устройства внутри его основания, мощность лампы увеличена в десятки раз и имеется ее принудительное охлаждение с помощью вентилятора, как показано на оптической схеме рис. 4.8, а. Это позволяет использовать в качестве источника изображения не только прозрачные пленки, но и менее прозрачные ЖК-панели.
ЖК-панель, подключенную к видеоадаптеру ПК, устанавливают на прозрачную рабочую поверхность проектора как прозрачную пленку. Световой поток от проекционной лампы через специальную фокусирующую линзу освещает ЖК-панель и, проходя через нее и рассеивающую линзу, поступает на проекционное зеркало.
По конструкции и габаритам ЖК-панель напоминает дисплей ПК типа Notebook, причем на ее корпусе расположены органы управления параметрами изображения.
Рис. 4.8. Просветный оверхед-проектор: а — оптическая схема; б — общий вид
Общий вид проектора дан на рис. 4.8, б.
Качество изображения, формируемого оверхед-проектором, подключаемым к компьютеру, определяется характеристиками ЖК-панели, которые аналогичны характеристикам плоскопанельных ЖК-мониторов: размер, максимальное разрешение, количество воспроизводимых оттенков цветов, яркость. В зависимости от разрешения экрана различают ЖК-панели следующих типов с соответствующим максимальным разрешением экрана: VGA-панели (640x480); SVGA-панели (800 х 600); XGA-панели (1024x768); SXGA-панели (1280 х 1024).
В VGA-панелях, рассчитанных на небольшую аудиторию, в качестве экрана используется пассивная ЖК-матрица, основанная на применении технологии DSTN; в более качественных панелях используется активный TFT-экран.
Помимо основной задачи — преобразования электрического сигнала от видеоадаптера в изображение на экране с целью его последующего проецирования на большой внешний экран, отдельные модели ЖК-панелей обладают рядом дополнительных возможностей, полезных, например, в учебном процессе, при проведении презентаций: дистанционное управление (ДУ); возможность увеличения изображения в целом или его фрагмента. При реализации функции «Указка» ЖК-панель на своем экране формирует маркер, напоминающий указатель мыши, положением которого можно управлять с помощью пульта ДУ. Функция «Замораживание» предусматривает запоминание и фиксацию на экране текущего изображения на время подготовки компьютера или презентационной программы к показу следующего сюжета.
Для управления работой ЖК-панели может использоваться дистанционная мышь, соединенная с адаптером, подключенным к последовательному порту компьютера при помощи кабеля или по радиоканалу.
^ 2. Мультимедийные проекторы.
В мультимедийном проекторе проекционная лампа, ЖК-матрица и оптическая система конструктивно размещаются в одном корпусе, что делает их похожими на диапроекторы, предназначенные для просмотра слайдов или диафильмов. По принципу действия мультимедийный проектор не отличается от оверхед-проектора: изображение создается с помощью мощной проекционной лампы и встроенного в проектор электронно-оптического модулятора, управляемого сигналом видеоадаптера ПК, а затем посредством оптической системы проецируется на внешний экран. Основным отличием в мультимедийных проекторах является конструкция модулятора и способы построения и переноса изображения на экран. В зависимости от конструкции модулятора проекторы бывают следующих типов: TFT-проекторы; полисиликоновые проекторы и DMD/DLP-проекторы.
В зависимости от способа освещения модулятора мультимедийные проекторы подразделяют на проекторы просветного и отражательного типов.
2.1. ТFT-проекторы.
В TFT-проекторах, относящихся к проекторам просветного типа, в качестве модулятора используется малогабаритная цветная активная ЖК-матрица, выполненная по технологии TFT. Принцип действия мультимедийного TFT-проектора просветного типа иллюстрирует рис. 4.9.
Рис. 4.9. Принцип действия мультимедийного TFT-проектора просветного типа
Основным элементом установки является миниатюрная ЖК-матрица, выполненная по технологии TFT, как и ЖК-экран плоскопанельного цветного монитора. Равномерное освещение поверхности ЖК-матрицы достигается за счет применения системы линз, называемой конденсором.
2.2. Полисиликоновые мультимедийные проекторы
также относятся к проекторам просветного типа и применяются в том случае, когда необходимо получить более яркое изображение. В них используется не одна цветная TFT-матрица, а три монохромных миниатюрных ЖК-матрицы размером около 1,3". Каждая из матриц формирует монохромное изображение красного, зеленого или синего цвета. Оптическая система проектора, как показано на рис. 4.10, обеспечивает совмещение трех монохромных изображений, в результате чего формируется цветное изображение. Такая технология получила название полисиликоновой (p-Si). Каждый элемент полисиликоновой матрицы содержит только один тонкопленочный транзистор, поэтому его размер меньше, чем размер элемента TFT-матрицы, что позволяет повысить четкость изображения.
Рис. 4.10. Принцип действия полисиликонового мультимедийного проектора просветного типа
Цветоделительная система полисиликонового проектора, состоящая из двух дихроичных (Du D2) и одного обычного (jV,) зеркал, используется для разложения белого света проекционной лампы на три составляющие основных цветов (красный, зеленый, синий). Цветоделение необходимо выполнить для того, чтобы подать на каждую из трех монохромных матриц световой поток соответствующего цвета. Дихроичное (цветоделительное) зеркало пропускает свет только одной длины волны (один цвет) и представляет собой хорошо отполированную стеклянную подложку с нанесенной на него тонкой пленкой из диэлектрического материала.
^ Система цветосмешения полисиликонового проектора состоит из двух дихроичных (D3, Z)4) и одного отражающего (N2) зеркал и служит для получения цветного изображения путем наложения одного на другой трех монохромных изображений, создаваемых соответствующими ЖК-матрицами.
Полисиликоновые проекторы обеспечивают более высокое качество изображения, яркость и насыщенность цветов по сравнению с проекторами на основе TFT-матриц. Они более надежны в работе и долговечны, поскольку три ЖК-матрицы работают в менее напряженном тепловом режиме, чем одна. Благодаря этому полисиликоновые проекторы можно использовать при проецировании изображения на большой экран в таких помещениях, как конференц-залы, кинотеатры.
2.3. ЖК-проекторы отражательного типа.
Предназначены для работы в больших аудиториях и отличаются по принципу действия: модуляции подвергается не проходящий, а отраженный световой поток.
В дорогих профессиональных ЖК-проекторах, предназначенных для работы в больших аудиториях, используется другой принцип действия: модуляции подвергается не проходящий, а отраженный световой поток. В результате удается решить две главные задачи — снизить до минимума разогрев ЖК-матрицы и добиться исключительно мощного светового потока.
Принцип работы отражательных ЖК-проекторов заимствован у появившихся в 50-х годах мощных светоклапанных проекторах системы эйдофор (Eidophor). В качестве отражающей поверхности в этих проекторах использовался слой прозрачной вязкой жидкости (масла). Модуляция отраженного светового потока обеспечивалась за счет деформации этой поверхности при помощи падающего на нее электронного пучка. Нетрудно понять, что такое "жидкое" зеркало крайне неудобно в эксплуатации, поэтому разработчики стали искать другие способы модуляции отраженного света. В настоящее время наиболее освоенными являются технологии ILA и DMD/DLP.
Технология ILA (Image Light Amplifier — Усилитель света от изображения) была разработана совместно корпорациями Hughes Aircraft и JVC, хотя в настоящее время оборудование данного типа полностью контролируется японской компанией JVC. Проектор ILA, по аналогии с полисиликоновым, также имеет три модулятора для монохромных изображений основных цветов, которые затем совмещаются для получения цветного изображения. Схема светомодулирующего блока такого проектора представлена на рис. 4.11.
Рис. 4.11. Модулятор отражательного проектора типа ILA
Одним из главных компонентов модулятора является зеркало-поляризатор, одновременно выполняющее функции зеркала, поляризатора и анализатора. Световая волна, падающая на него под углом 45°, разделяется на две составляющие: одна с поляризацией, параллельной поверхности зеркала, и другая—с поперечной поляризацией, перпендикулярной к поверхности зеркала. Первая составляющая свободно проходит через зеркало, а вторая (полезная) — полностью отражается в направлении модулятора, выполненного на основе ЖК-панели особой конструкции.
Эта ЖК-панель лишена матричной структуры и является сплошной. В качестве элементов, управляющих поляризацией участков ЖК-панели, выступают не тонкопленочные транзисторы, как в TFT-матрице, а участки фоторезистивного слоя, на котором создается потенциальный рельеф, повторяющий спроецированное на него изображение. Между фоторезистивным слоем и ЖК-панелью размещается диэлектрическое зеркало, которое выполняет роль основной отражающей поверхности. Внесение в отраженный свет дополнительных поляризационных сдвигов, повторяющих потенциальный рельеф (спроецированное на фоторезистивный слой изображение), будет влиять на степень прохождения отраженного света через зеркало, т. е. эквивалентно модуляции отраженного потока.
Благодаря отсутствию зернистой структуры ЖК-панели можно получить исключительно четкое изображение, а низкие потери на разогрев и поглощение света обеспечивают фантастический для обычных ЖК-проекторов световой поток — примерно до 12 000 лм! Однако необходимость в наличии встроенной проекционной системы и очень сложная конструкция модулятора значительно влияют на габариты и массу (от 120 до 500 кг), а также на стоимость проектора (до 250 000$), что, естественно, ограничивает его применение. Более того, проекторы ILA предназначены для работы с аналоговым видеосигналом (обусловлено конструкцией встроенного проектора), поэтому относятся к классу видеопроекторов.
Развитием технологии ^ ILA применительно к мультимедийным проекторам стала технология D-ILA (Digital ILA), также разработанная специалистами фирмы JVC. Основу проекторов D-ILA составляет так называемая отражательная (Reflective) ЖК-, или
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
|
|
