Теоретический материал по теме

Физически свет состоит из фотонов – микроскопических световых частиц, каждая из которых движется по собственному маршруту и вибрирует со своей частотой (или длиной волны, или энергией – каждая из трех характеристик, частота, длина волны или энергия, однозначно определяет две другие).

Фотон полностью характеризуется своим положением, направлением и частотой/длиной волны/энергией. Фотоны с длиной волны приблизительно от 390 нанометров (nm) (фиолетовый) до 720 nm (красный) покрывают все цвета видимого спектра (рис. 3.1), формируя цвета радуги (фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный). Однако наши глаза воспринимают множество цветов, которых нет в радуге – например, белый, черный, коричневый, розовый и так далее. Каким образом это происходит?

 

Рис. 3.1 Цветовой спектр, определяемой длиной волны фотонов

 

В действительности наш глаз видит смесь фотонов с различными частотами. Реальные источники света характеризуются распределением частот излучаемых ими фотонов. Идеально белый свет состоит из равного количества света всех частот. Лазерный луч обычно очень плотный, и все его фотоны практически идентичны по частоте (а также по направлению и фазе). В обычной лампочке больше света на желтой частоте. Свет от большинства звезд во Вселенной имеет распределение, сильно зависящее от их температуры. Частота распределения света от большинства обыденных источников более сложна.

Человеческий глаз воспринимает цвет, когда несколько ячеек в сетчатке (называемых колбочками) возбуждаются вследствие того, что по ним бьют фотоны (рис. 3.2). Три различных типа колбочек лучше реагируют на три различных длины световой волны: первый тип лучше реагирует на красный свет, второй – на зеленый, и третий – на синий. Когда смесь фотонов попадает в глаз, колбочки сетчатки регистрируют различные уровни возмущения в соответствии со своим типом. Если после этого в глаз попадает иная смесь фотонов, возмущающая его с уровнем, идентичным первой смеси, то цвет этих двух смесей неразличим.

Рис. 3.2 Трансформация человеческим глазом потока фотонов в воспринимаемые цвета

 

Поскольку каждый цвет фиксируется глазом в виде уровней возмущения колбочек входящими фотонами, глаз может воспринимать цвета, не являющиеся частью спектра, создаваемого призмой или радугой. Например, если направить смесь красных и синих фотонов на сетчатку так, чтобы возмущение было зафиксировано красными и синими колбочками, ваш глаз определит это как лиловый цвет, которого нет в спектре. Другие комбинации могут дать коричневый цвет, цвет морской волны и другие, отсутствующие в спектре (рис. 3.3).

 

Рис. 3.3 Комбинации формирования цвета

Для воспроизведения изображения в компьютерной технике используются принципы WYSIWYG и WYSIYM.

WYSIWYG (от англ. What You See Is What You Get) - свойство прикладных программ, в которых содержание отображается в процессе редактирования и выглядит макcимально близко похожим на конечную продукцию, которая может быть печатным документом, веб-страницей или презентацией.

    WYSIWYM – (от англ. What You See Is What You Mean) - парадигма редактирования документов, возникшая как альтернатива более распространённой парадигме WYSIWYG.

В WYSIWYM редакторе пользователь задаёт только логическую структуру документа и собственно контент. Оформление документа, его итоговый внешний вид возложено на отдельное ПО, либо, во всяком случае, вынесено в отдельный блок. Таким образом, достигается полная независимость содержания документа от его формы.

Человеческий глаз наиболее чувствителен к оттенкам зеленого цвета и наименее – к оттенкам синего.

        Графический монитор эмулирует видимые цвета, подсвечивая пиксели на экране комбинацией красного, зеленого и синего света в пропорциях, возбуждающих колбочки чувствительные к красному, зеленому и синему свету таким образом, чтобы уровень их возмущения совпадал с уровнем, создаваемым естественной смесью фотонов.

Для отображения конкретного цвета монитор посылает точное количество красного, зеленого и синего света (red, green, blue – RGB), должным образом стимулирующее различные типы колбочек в глазу. Цветной монитор может посылать свет с разными пропорциями красного, зеленого и синего в каждую точку экрана, и глаз видит миллионы световых точек, каждая из которых имеет свой собственный цвет.

 

В памяти компьютера или на жестком диске цвет точки хранится в виде чисел. Одним байтом можно закодировать 256 различных цветов. В принципе этого достаточно для рисованных изображений типа тех, что мы видим в мультфильмах, но для полноцветных изображений живой природы – недостаточно.

А что, если на кодирование цвета одной точки отдать не один байт, а два, то есть не 8 битов, а 16. Добавление каждого бита увеличивает в два раза количество кодируемых значений. Добавление восьми битов восемь раз удвоит это количество, то есть увеличит его в 256 раз (2*2*2*2*2*2*2*2 = 256). Двумя байтами можно закодировать 256 * 256 = 65536 различных цветов. Это уже лучше и похоже на то, что мы видим на фотографиях и на картинках в журналах, но все равно хуже, чем в живой природе.

Если для кодирования цвета одной точки использовать 3 байта (24 бита), то количество возможных цветов увеличивается еще в 256 раз и достигнет 16,5 миллионов. Этот режим позволяет хранить, обрабатывать и передавать изображения, не уступающие по качеству наблюдаемым в живой природе. При таком кодировании 1 байт отведем на красный цвет, 1 – на зеленый и 1 – на синий. Чем больше значение байта цветовой составляющей, тем ярче этот цвет, как это можно увидеть на рисунке 3.4.

 

 

Рис. 3.4 Цветовой куб RGB

 

Итак, мы уже умеем с помощью чисел кодировать цвет одной точки. На это необходимы один, два или три байта, в зависимости от того, сколько цветов мы хотим передать. А как закодировать целый рисунок?

Решение приходит само собой – надо рисунок разбить на точки. Чем больше будет точек, и чем мельче они будут, тем точнее будет передача рисунка. А когда рисунок разбит на точки, то можно начать с его левого верхнего угла и, двигаясь по строкам слева направо, кодировать цвет каждой точки.

Если раскодировать байты по одному слева направо, то никогда не узнаешь, где кончается одна строка и начинается другая. Это говорит о том, что нам чего-то не хватает. Значит, мы что-то важное упустили из виду. Если бы перед группой байтов приписать еще небольшой заголовок, из которого было бы ясно, как эти байты раскодировать, то все стало бы на свои места. Этот заголовок может быть, например, таким: {8 * 8}. По нему можно догадаться, что рисунок должен состоять из восьми строк по восемь точек в каждой строке.

Заголовок можно сделать еще подробнее, например, так: {8 * 8 * 3} – тогда можно догадаться, что этот рисунок цветной, и в нем на кодирование цвета каждой точки использовано три байта.

 Описанная схема кодирования применяется во многих форматах графических файлов (BMP, GIF, JPEG и так далее).

     Первым появился растровый формат хранения изображений (BitMap – битовая карта), этот же формат используется при выводе изображения на экран.

Растровое изображение — изображение, представляющее собой сетку пикселей или цветных точек (обычно прямоугольную) на компьютерном мониторе, бумаге и других отображающих устройствах и материалах (растр).

Растровую графику редактируют с помощью растровых графических редакторов. Создается растровая графика фотоаппаратами, сканерами, непосредственно в растровом редакторе, также путем экспорта из векторного редактора или в виде скриншотов (сохраненных «снимков» изображения на мониторе).

Достоинства:

· Растровая графика позволяет создать (воспроизвести) практически любой рисунок, вне зависимости от сложности, в отличие, например, от векторной, где невозможно точно передать эффект перехода от одного цвета к другому без потерь в размере файла.

· Распространённость — растровая графика используется сейчас практически везде: от маленьких значков до плакатов.

· Высокая скорость обработки сложных изображений, если не нужно масштабирование.

· Растровое представление изображения естественно для большинства устройств ввода-вывода графической информации, таких как мониторы (за исключением векторных), матричные и струйные принтеры, цифровые фотоаппараты, сканеры.

Недостатки:

· Большой размер файлов с простыми изображениями.

· Невозможность идеального масштабирования.

· Невозможность вывода на печать на плоттер.

Растровые изображения обычно хранятся в сжатом виде. В зависимости от типа сжатия может быть возможно или невозможно восстановить изображение в точности таким, каким оно было до сжатия (сжатие без потерь или сжатие с потерями соответственно). Так же в графическом файле может храниться дополнительная информация: об авторе файла, фотокамере и её настройках, количестве точек на дюйм при печати и др.

Сжатие без потерь использует алгоритмы сжатия, основанные на уменьшении избыточности информации. Основные форматы:

· BMP или Windows Bitmap — обычно используется без сжатия, хотя возможно использование алгоритма RLE.

· GIF (Graphics Interchange Format) — устаревающий формат, поддерживающий не более 256 цветов одновременно. Всё ещё популярен из-за поддержки анимации, которая отсутствует в чистом PNG, хотя ПО начинает поддерживать APNG.

· PNG (Portable Network Graphics)

Сжатие с потерями основано на отбрасывании части информации (как правило наименее воспринимаемой глазом). Основные форматы:

· JPEG очень широко используемый формат изображений. Сжатие основано на усреднении цвета соседних пикселей (информация о яркости при этом не усредняется) и отбрасывании высокочастотных составляющих в пространственном спектре фрагмента изображения. При детальном рассмотрении сильно сжатого изображения заметно размытие резких границ и характерный муар вблизи них.

· TIFF поддерживает большой диапазон изменения глубины цвета, разные цветовые пространства, разные настройки сжатия (как с потерями, так и без) и др.

        Неотъемлемой частью обработки или генерации изображений является собственно их отображение, то есть вывод на экран дисплея (монитора).

        Дисплей – устройство визуализации (отображения) текстовой и графической информации без ее долговременной фиксации. Отсутствие долговременной фиксации информации означает ее исчезновение при выключении питания или при выводе новой информации.

Дисплей служит как для отображения информации, вводимой посредством клавиатуры или других устройств ввода, так и для выдачи пользователю сообщений, а также для вывода полученных в ходе выполнения программ результатов. Независимо от физических принципов формирования изображения дисплей состоит из двух основных частей – экрана и электронного блока, размещенных в одном корпусе. Подключается дисплей к компьютеру через видеоконтроллер.

По количеству воспроизводимых цветов различают монохромные (одноцветные) и цветные дисплеи. Монохромные устройства способны воспроизводить информацию только в каком-либо одном цвете, возможно, с различными градациями яркости. Цветные дисплеи обеспечивают выдачу на экран информации одновременно в нескольких цветах.

        Монитор может работать в текстовом либо графическом режиме. В текстовом режиме на экран выводятся только символы, хотя многие из этих символов можно использовать для построения простых линейных конструкций. Графический режим используется главным образом для представления сложных изображений (схем, графиков, диаграмм, рисунков и т.п.), хотя и допускает возможность представления символов различного размера и формы (формата).

Графические режимы характеризуются, прежде всего, «разрешением» изображения выдаваемого видеоадаптером на экран, то есть количеством точек (или пикселей) по горизонтали и вертикали, из которых это изображение состоит. Записывается разрешение как «AxB», где A – это количество точек по горизонтали, а B – по вертикали. Чем больше разрешение, тем лучше. Например, если фотография, которую вы хотите просмотреть на мониторе, имеет размер 1280 на 960 пикселей, то при разрешении 640x480 пикселей она не может войти на экран полностью без изменения масштаба или усечения.

        Наиболее используемые в настоящее время разрешения монитора представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Наиболее используемые разрешения монитора

Компьютерный стандарт	Разрешение	Соотношение сторон экрана	Пиксели, суммарно
XGA	1024×768	4:3	786 432
WXGA(HD Ready)	1280×720	16:9	921 600
WSXGA+	1680×1050	16:10	1 764 000
Full HD (1080p)	1920×1080	16:9	2 073 600

 

        Основные параметры мониторов:

· соотношение сторон экрана — стандартный (4:3), широкоформатный (16:9, 16:10) или другое соотношение (например, 5:4)

· размер экрана - определяется длиной диагонали, чаще всего в дюймах

· разрешение - число пикселей по вертикали и горизонтали

· глубина цвета - количество бит на кодирование одного пикселя (от монохромного до 32-битного)

· размер зерна или пикселя

· частота обновления экрана (Гц)

· время отклика пикселей (не для всех типов мониторов)

     По физическим принципам формирования изображения существуют:

· дисплеи на базе электронно-лучевой трубки;

· жидкокристаллические дисплеи;

· плазменные (газоразрядные) дисплеи;

· электролюминесцентные дисплеи.

        Дисплеи на базе электронно-лучевой трубки традиционны, а принцип их работы аналогичен бытовому телевизору. В электронно-лучевой трубке формируется луч (или три луча для цветных трубок), управляя перемещением и интенсивностью которого можно получить изображение на экране.

        Для дисплеев данного типа графические изображения могут формироваться двумя способами. В векторном дисплее электронный луч непрерывно «вырисовывает» контур изображения. Само изображение формируется из отдельных элементарных отрезков (векторов). В растровых же дисплеях изображение получается с помощью матрицы точек, которые могут «светиться», а могут быть невидимыми: электронный луч пробегает по строкам экрана, подсвечивая требуемые точки экрана.

        Цветные экраны имеют зерна трех цветов: красного, зеленого и желтого, собранные в триады. Каждый из трех электронных лучей отвечает за свой цвет, подсвечивая при необходимости «свои» зерна. Манипулируя яркостью зерен, можно сформировать точку любого цвета. Дисплеи на базе электронно-лучевой трубки громоздки, потребляют много энергии, но имеют хорошие технические характеристики.

        Для «прорисовки» изображения может использоваться прогрессивная и чересстрочная развертка.

        Чересстрочная развёртка - метод отображения, передачи или хранения изображений (как правило, движущихся), при котором каждый кадр разбивается на два полукадра (или поля), составленные из строк, выбранных через одну.

        Чересстрочная развёртка применяется в тех или иных случаях для ускорения вывода изображений при ограниченной полосе пропускания (в аналоговой) или ширине канала (в цифровой технике). В видеосигнале, при сохранении количества строк изображения, применение чересстрочной развёртки в 2 раза повышает кадровую частоту по сравнению с прогрессивной (рис. 3.5).

 

Рис. 3.5 Ход луча ЭЛТ в чересстрочной развёртке

 

        Прогресси́вная (постро́чная) развёртка - метод отображения, передачи или хранения движущихся изображений, в котором все строки каждого кадра отображаются последовательно.

        В персональных компьютерах в настоящее время широкое распространение получили жидкокристаллические дисплеи с обратной (задней) подсветкой. Их конструктивная особенность заключается в том, что за экраном размещается источник света, а сам экран состоит из жидкокристаллических ячеек, которые в нормальном состоянии являются непрозрачными. При приложении к такой ячейке напряжения она начинает пропускать свет, что и приводит к получению изображения на экране. Такой принцип формирования изображения облегчает создание цветных дисплеев. Действительно, достаточно на экране иметь тройки жидкокристаллических ячеек, обеспечивающие на просвет воспроизведение основных цветов (красного, зеленого и синего).

        Экран плазменного дисплея представляет собой матрицу газоразрядных элементов. При приложении к электродам газоразрядного элемента напряжения возникает электрический разряд красного или оранжевого свечения в газе, которым этот элемент заполнен. По сравнению с жидкокристаллическими плазменные индикаторы имеют более высокую контрастность, однако обладают и повышенным энергопотреблением.

        Экран люминесцентного дисплея состоит из матрицы активных индикаторов, дающих яркие изображения с высокой разрешающей способностью. Они имеют высокую механическую прочность и надежность, однако отличаются большим энергопотреблением и высокой стоимостью.

        Для преобразования графического изображения в сигнал, воспроизводимый монитором необходим видео адаптер (видеокарта).

Режимы работы видеоадаптера делятся на текстовые и графические. В текстовом режиме видеоадаптер может отображать только символы (алфавитные, цифровые, специальные, псевдографические и так далее). Текстовый режим характеризуется количеством столбцов и строк символов, которые можно выдать на монитор одновременно, а также размером (в точках) одного символа по вертикали и горизонтали. После появления операционных систем с графическим интерфейсом пользователя текстовые режимы практически не применяются.

Графические режимы характеризуются, прежде всего, «разрешением» изображения выдаваемого видеоадаптером на экран, то есть количеством точек (или пикселей) по горизонтали и вертикали, из которых это изображение состоит.

Записывается разрешение как «AxB», где A – это количество точек по горизонтали, а B – по вертикали. Чем больше разрешение, тем лучше. Например, если фотография, имеет размер 1280 на 960 пикселей, то при разрешении монитора 640x480 пикселей она не может войти на экран полностью без изменения масштаба или усечения.

Второй характеристикой графического режима видеоадаптера является «цветовой режим», то есть количество разных цветов, которое может быть отображено на экране одновременно. Цветовые режимы делятся на палитровые и непалитровые.

В палитровом режиме цвет каждой точки на экране задается в виде индекса в цветовой таблице – палитре. В ячейке палитры, соответствующей этому индексу, хранится реальная величина цвета, которым должна быть нарисована точка (рис. 3.6). Таким образом, палитровый режим характеризуется размером палитры, то есть число ячеек в ней как раз и определяет число цветов, которые можно отобразить на экране одновременно.

 

 

 

Рис. 3.6 Палитровый режим

 

В непалитровом режиме точка на экране задается непосредственно своим цветом (рис. 3.7). Большинство непалитровых режимов богаче палитровых в смысле количества одновременно отображаемых цветов, но требуют больше памяти для своей работы.

 

 

Рис. 3.7 Непалитровый режим

Предположим, что нам нужно сравнить объем видеопамяти, необходимый для реализации двух режимов палитрового и непалитрового с 256 возможными цветами и разрешением 640х480 пикселей.

 Поскольку в палитровом режиме используется реальная величина цвета, которым должна быть нарисована точка, то для кодирования 256 вариантов цвета одной точки потребуется один байт. С учетом разрешения 640х480 получаем: 640 умножить на 480 умножить на 1 байт равно 307200 байт.

В непалитровом режиме цвет точки задается сочетанием (смешиванием) трех цветов – красного, зеленого и синего, заданных с различной интенсивностью в соответствии с цветовой моделью RGB. Поэтому для кодирования тех же 256 цветов потребуется не один байт как в палитровом режиме, а три – по одному для каждого из базовых цветов. С учетом разрешения 640х480 получаем: 640 умножить на 480 умножить на 3 байта равно 921600 байт.

С объемом памяти видеоадаптера тесно связано понятие «видеостраниц». Если на экране отображается анимация, то для более привлекательного ее вида каждый кадр не должен появляться перед зрителем, пока не будет полностью нарисован. Это известный принцип мультипликации (рис. 3.8) – кадры быстро показываются друг за другом, создавая иллюзию движения, но в случае мультипликации на экране кинотеатра все кадры уже готовы и записаны на пленку. В компьютере же подобной готовой пленки нет, поэтому каждый кадр должен быть предварительно сформирован.

 

Рис. 3.8 Принцип мультипликации

 

В этом случае поступают так: пока на мониторе нарисован предыдущий кадр, находящийся в памяти видеоадаптера, в другой области его памяти формируется следующий. Затем видеоадаптер переключает отображение с одной области памяти на другую, только что нарисованный кадр отображается на экране, а в памяти, где находился предыдущий кадр, происходит формирование следующего и так далее. Именно такие вот области памяти видеоадаптера равного размера и называются видеостраницами – в описанном примере их 2, но может быть и больше. Единственный минус в реализации возможности работы с видеостраницами заключается в том, что общий объем памяти видеоадаптера должен быть не меньше чем количество страниц, помноженное на размер одного хранимого изображения при текущем разрешении и цветовом режиме.

Третьей характеристикой режима видеоадаптера является частота – то есть количество сигналов, которое видеоадаптер посылает монитору за секунду времени. Чем выше частота, тем чаще могут меняться кадры на экране.

Следует отметить, что для правильной работы монитор должен поддерживать режим видеоадаптера (разрешение, цветовой режим и частоту), поскольку он должен «понимать» сигналы видеоадаптера.

В настоящее время в компьютерной технике применяются следующие основные интерфейсы видеоадаптеров: VGA, DVI, HDMI.

Интерфейс VGA (Video Graphics Adapter или Аггау) является логическим завершением развития серии аналоговых видеоинтерфейсов (MDA, CGA, EGA, PGA, MCGA). В настоящее время он представлен различными модификациями: EVGA, SVGA, FEVGA, но постепенно снимается с производства, т.к. не удовлетворяет требованиям производительности современных видеосистем. Допустимая длина кабеля зависит от особенностей изготовления, но в целом не превышает 10 метров.

Дело в том, что первые мониторы по принципу работы напоминали телевизоры на основе ЭЛТ, а некоторые компьютеры (например, игровые приставки) подключались непосредственно к телевизору, поэтому видеоинтефейс разрабатывался таким образом, чтобы обеспечить передачу сигнала «понятную» для телевизора, т.е. в аналоговой форме. Со временем именно это обстоятельство стало критичным ограничением повышения скорости передачи данных данного интерфейса.

Интерфейс DVI ( Digital Visual Interface) отличается от VGA тем, что видеокарта передает монитору не аналоговый, а цифровой сигнал, что значительно расширило полосу пропускания и скорость передачи данных, а также позволило реализовать такие сервисы как:

Интересной особенностью стандартного кабеля DVI является снижение качества передаваемой информации по мере увеличения длины кабеля (без использования усилителей). Максимально высокое качество достигается при длине кабеля до 4,5 метра.

Интерфейс HDMI (High-Definition Multimedia Interface) широко используется в современной видеотехнике и позволяет передавать не только видео, но и звук. Благодаря этому пользователи применяют компьютер в качестве элемента домашнего кинотеатра, передавая видеоизображение непосредственно на широкоформатный экран телевизора или проектор (длина стандартного кабеля HDMI может достигать 10 метров). В принципе, использование специального переходника также позволяет применять DVI для передачи одноканального цифрового звука, например, на тот же телевизор, но DVI в отличии от HDMI не поддерживает передачу многоканальных цифровых аудиосигналов.

В заключении рассмотрим следующее описание:

Видеокарта PCI-E 256 Мб, Geforce 7600 GS, Gigabyte (GV-NX76G256D-RH) DVI, TV-Out (oem) 

Спецификация:

1. тип разъема для установки: PCI-E;

2. объем видеопамяти: 256 Мб;

3. производитель: Gigabyte;

4. маркировка: GV-NX76G256D-RH;

5. чип (графический процессор): Geforce 7600 GS;

6. дополнительные разъемы: DVI, TV-Out (телевизионный выход);

7. вид исполнения: ОЕМ (для сборки специализированными компьютерными фирмами).