Физические основы отображения данных

К основным техническим устройствам отображения данных относятся мониторы, принтеры и звуковоспроизводящие устройства. Основное назначение этих устройств заключается в преобразовании информации из электронной (числовой) формы к виду, удобному для восприятия человеком. Физические принципы различных видов устройств отображения данных принципиально различны. Для примера совсем коротко остановимся на характеристиках наиболее распространенных устройств.

Монитор (дисплей) – это техническое устройство, предназначенное для отображения текстовой или графической информации. По принципу формирования изображения мониторы делятся на символьные и растровые. В символьных мониторах, фактически ушедших в прошлое, минимальной единицей изображения выступали символы, из которых формировались строки, а из строк – страница экрана. Таким образом, в символьных мониторах экран можно представить себе как лист тетради в клетку, в каждой из клеток которого может отображаться один символ кодовой таблицы.

Современные мониторы используют другой, более совершенный подход к формированию изображения, который получил название растрового. В растровых мониторах изображение также строится из дискретных элементов, но минимальным элементом изображения уже является не символ, а точка определенного цвета и яркости, получившая название пиксель. Растровый принцип позволяет формировать на экране произвольные графические изображения, существенно увеличивая выразительные свойства представления информации.

Количество точек, которые монитор способен воспроизвести четко и раздельно по горизонтали и вертикали, называется разрешающей способностью монитора. Выражение "разрешающая способность 800*600" означает, что монитор может выводить 600 горизонтальных строк по 800 точек в каждой.

Растровые мониторы могут работать в двух режимах: текстовом и графическом. В текстовом режиме экран растрового монитора условно превращается в подобие символьного, состоящего из совокупности прямоугольных наборов пикселей – знаковых позиций или знакомест, предназначенных для отображения отдельных букв, цифр и знаков. В стандартном режиме эти элементы образуют 25 строк по 80 знакомест в каждой строке, на каждом из которых может быть отображен один из символов, определенных кодовой таблицей. Формирование изображения символов в текстовом режиме выполняет специальное устройство, называемое знакогенератором.

В графическом режиме изображение на экране монитора, включая и символьные элементы, формируется из множества отдельных точек – пикселей разного цвета и яркости, заполняющих весь экран.

Тестовый и графический режимы работы растровых мониторов требуют хранения в памяти информации о выводимом на экран изображении. Изображение экранной страницы формируется центральным процессором в цифровом виде в специальной памяти компьютера, называемой видеопамятью, или видеобуфером.

В тестовом режиме для каждой знаковой позиции экрана необходимо хранить двухбайтный цифровой код: код выводимого символа (один байт) и его характеристики, такие, как цвет, яркость, наличие подчеркивания и мерцания (еще один байт). Знакогенератор преобразует числовой код символа в соответствующий точечный набор в пределах знакоместа, и сформированное изображение символа отображается видеосистемой монитора в соответствующей области экрана с учетом значений цвета, яркости и т.д.

В графическом режиме изображение формируется в видеопамяти путем задания индивидуальных атрибутов каждого пикселя экрана, которые затем также отображаются видеосистемой.

Существуют два основных типа мониторов: электронно-лучевые и жидкокристаллические. Основу электронно-лучевых мониторов составляют электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) – стеклянные баллоны с откачанным до вакуума состоянием. Экран монитора представляет собой часть ЭЛТ, покрытой люминофором, который излучает свет при "бомбардировке" его сфокусированным в точку пучком электронов, испускаемых электронными пушками. Отклонение лучей по горизонтали и вертикали осуществляется специальной отклоняющей системой.

Действие жидкокристаллических дисплеев основывается на изменении свойств света, отраженного от поверхности или проходящего сквозь различные вещества. Физика этих процессов достаточно сложна и, с точки зрения целей данного пособия, несущественна.

Жидкокристаллические дисплеи имеют меньший вес и размеры. Однако они существенно дороже электронно-лучевых и используются, как правило, в портативных переносных компьютерах.

Принтеры предназначены для получения печатной символьной или графической копии отображаемых данных на бумаге, ткани или пленке. Существует большое число моделей принтеров, различающихся принципом действия, производительностью, функциональным назначением. Наиболее распространенные современные принтеры делятся по способу формирования изображения на матричные, струйные, лазерные, сублимационные, термопринтеры, графопостроители…

Принцип действия матричного принтера заключается в следующем: печатающая головка с вертикальным набором игл движется вдоль печатаемой строки листа, а иглы в нужный момент ударяют по бумаге через красящую ленту, оставляя на ней точки, формирующие изображение. Устройство протяжки перемещает лист точно так же, как и в привычных печатающих машинках, обеспечивая печать последовательности строк. Более дешевые модели принтеров имеют 9-иголь­чатые головки. Качество печати таких принтеров невысокое. Более качественная печать достигается в 24-игольчатых принтерах.

Матричные принтеры нетребовательны к качеству бумаги и отличаются низкой стоимостью расходных материалов.

Струйные принтеры формируют изображение с помощью специальных чернил, впрыскиваемых на бумагу через миниатюрные отверстия - сопла. Этот способ печати обеспечивает при невысокой стоимости более высокое качество получаемых оттисков. Легко реализуется цветная печать. Струйные принтеры практически бесшумны, более требовательны к качеству бумаги, отличаются более высокой стоимостью расходных материалов по сравнению с матричными принтерами.

Лазерные принтеры обеспечивают наилучшее соотношение "цена/качество" получаемых оттисков. Их принцип действия основывается на методе ксерографии. Не вдаваясь в детали, этот процесс упрощенно можно представить себе в следующем виде. В начале изображение с помощью лазера формируется на специальном фотопроводящем барабане в виде совокупностей электрических зарядов. К заряженной поверхности притягиваются частички красителя – тонера, рассеиваемого над поверхностью барабана, и изображение становится видимым. На прижатом к барабану листе бумаги тонер оставляет соответствующий оттиск. В заключение лист бумаги прогревается и частички краски "вплавляются" в бумагу. В результате достигается высокое типографское качество получаемых оттисков.

В современных информационных системах и технологиях широко используются средства отображения звуковой информации. Основу этих устройств составляют динамики, звуковые колонки, генерирующие звук путем создания колебаний воздуха. Современные системы воспроизведения звука способны это делать с требуемым уровнем громкости и высоким качеством.