Тема 6 - Архитектура и программное обеспечение современных графических станций

Вычислительные системы, взаимодействующие с пользователем путем ввода, обработки и вывода графической информации в ходе решения графических задач, называются интерактивными графическими системами.

К таким вычислительным системам относят графические станции и персональные компьютеры.

Графические станции оснащены разнообразным специализированным графическим оборудованием и программным обеспечением, ориентированным на решение графических задач с наибольшей эффективностью.

Графические станции создаются на базе мощных процессоров, они имеют большие объемы оперативной и внешней памяти, их архитектура ориентирована на получение максимальной скорости обработки, визуализации и записи графической информации на различных носителях (бумага, пленка и т.п.).

Графические станции работают автономно и могут быть подключены к местным и глобальным компьютерным сетям.

К графическим станциям можно отнести мощные персональные компьютеры, к которым подключено специальное графическое оборудование, например, графические экраны, видео стереосистемы, графопостроители, сканеры больших форматов, фото и видео камеры, и установлены пакеты графических приложений.

К интерактивным графическим системам можно отнести и персональные компьютеры мультимедиа, которые оснащены специальным графическим оборудованием, например, стерео очками, шлемами виртуальной реальности и т.п., и обычные персональные компьютеры, на которых установлены графические приложения.

Программное обеспечение интерактивных графических систем (операционные системы, графические приложения) должно быть ориентировано на обработку графической информации в реальном времени.

Для работы вычислительной системы, решающей графические задачи, необходимы три основных компонента:

1. аппаратные устройства, соединенные друг с другом шинами передачи данных и согласующими устройствами (интерфейсы, контролеры);

2. операционные системы (аппаратные или программные средства для управления работой вычислительной системы);

3. прикладные программы (графические приложения).

Аппаратное обеспечение

Вычислительные системы по архитектуре можно разделить на три вида: с жесткой структурой, с агрегированной структурой и гибридной структурой.

На первом этапе развития вычислительных машин появилась жесткая структура.

В жесткой структуре любые элементы системы не могут быть оперативно заменены другим элементом с другими подобными характеристиками. В жесткой структуре все соединения элементов делают максимально короткими, неразъемными, что позволяет снизить вес системы, повысить быстродействие и надежность в эксплуатации. Вычислительные системы с жесткой структурой выполняют узкий круг задач или одну задачу с максимальной эффективностью. Как правило, программное обеспечение в таких системах выполнено аппаратно. Примером таких вычислительных систем является авиационное и космическое бортовое оборудование. Целесообразно использование вычислительных систем с жесткой структурой не в интерактивных многозадачных, а в автоматических однозадачных системах.

Затем, с целью возможности подключения к компьютеру различных дополнительных устройств и взаимозаменяемости любых агрегатов компьютера, появилась агрегированная структура. Однако полностью агрегированная структура (замена всех элементов системы) оказалась нецелесообразной, и практически в настоящее время интерактивные графические системы являются гибридными с различными долями жесткой и агрегированной структур.

Так как к графическим станциям предъявляются повышенные требования к быстродействию системы, к обработке больших объемов графической информации, то базовое ядро графической станции, которое может содержать много процессоров (включая графические и геометрические процессоры параллельной обработки данных), дополнительные шины передачи графических данных, подключение устройств, на которые направляются большие потоки данных (например, накопители), строится по жесткой структуре. Остальная часть аппаратуры по вводу и выводу данных, где скорости обмена данными ниже или есть необходимость замены аппаратуры, выполняется по агрегированной структуре, которая имеет общую шину с разъемами для подключения различных внешних устройств.

На рис. 3.1 показана упрощенная схема архитектуры графической станции. Системный блок построен по жесткой структуре и содержит: тактовый генератор (синхронизирует работу станции), центральный процессор (выполняет арифметические, логические операции и команды управления), геометрический процессор 3D (масштабирование, перемещение, поворот, изменение формы, визуализация 3D объектов, выполняет операции с векторами, решает уравнения геометрических линий и поверхностей), графический процессор (обрабатывает 2D изображения), системная память (хранить оперативные данные операционной системы, процессоров, решаемых задач), видеоадаптер (формирует страницы для вывода на монитор по заданному разрешению и цветовой палитре).

 

 

 

Рис. 3.1

К системному блоку через контролер подключена шина ввода-вывода. На рис. 3.1 контролер показан в виде фигурной стрелки, двухстороннее направление означает передачу и преобразование данных в обоих направлениях. Контролер согласует работу различных устройств на физическом уровне (различные напряжения и формы сигналов) и на логическом уровне (разрядность и структура кодов). На шину ввода-вывода через контролеры подключаются различные устройства: BIOS (обеспечивает проверку работоспособности элементов станции при включении станции и во время ее работы, ввод и вывод данных внешних устройств), клавиатура (символьный ввод информации и управление с помощью функциональных клавиш), дисковые накопители для долговременного хранения информации (HDD, FDD, CD-ROM, для ускорения обмена данными между системной памятью и жестким диском HDD, иногда устанавливается дополнительная прямая шина), мышь (указатель на экране монитора), модем (для передачи и приема информации по сетям связи), принтер (для печати малых форматов), плоттер (для вычерчивания чертежей больших форматов), сканер (для ввода изображений, размещенных на бумаге, фотографиях, пленках и т.п. с цифровой записью изображений в растровом виде), планшет (для рисования чертежей большого формата), проекционный экран (отображение на большом экране информации монитора), стереоэкран (для вывода объемных изображений), фотокамера (для ввода цифровых фотографий в реальном времени), видеокамера (для ввода цифровых фильмов в реальном времени) и другое специальное графическое оборудование (стерео очки, виртуальные шлема и т.п.).

Рассмотрим назначение и принципы действия некоторых специальных графических устройств графической станции.

Графический монитор -это устройство вывода на экран графической информации для пользователя. Экран монитора, как правило, располагается на расстоянии 0,7 – 1 м от пользователя. Это связано с остротой зрения человека и углом рассматривания экрана. Так как необходимо наилучшее рассматривание деталей изображения экрана, то экран должен иметь размер по диагонали не менее 15². Для выбора наилучшего восприятия изображения необходимо подобрать три параметра, которые связаны между собой: расстояние от экрана до пользователя, размер экрана монитора и разрешение (число пикселов на экране по горизонтали и вертикали).

Цветное изображение на экране достигается путем вывода на небольшую по размером площадку (пиксел) рядом друг с другом трех цветных лучей (красный, зеленый и синий) с определенными интенсивностями свечения (наиболее распространено от 0 до 255 значений яркости). Человек воспринимает эти три луча как точку определенного цвета. Число выводимых на экран цветов обеспечивает видеоадаптер, который формирует для одного пиксела цвет, состоящий из комбинации яркостей трех лучей. При уровнях яркостей от 0 до 255 каждого луча получается более 16 миллионов цветов, что вполне достаточно для человека, который воспринимает около 240 тысяч цветовых оттенков.

Наибольшее распространение получили мониторы на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ) (рис.3.2). Основным преимуществом таких мониторов является большое быстродействие. Есть мониторы, которые обеспечивают вывод 120 кадров изображения в секунду. К недостаткам мониторов на ЭЛТ можно отнести: нелинейность изображения, значительное удорожание мониторов при увеличении размеров экрана, относительно большой вес, большое потребление электроэнергии, наличие тепловыделения и вредных излучений. Практически черно-белыми мониторами в настоящее время никто не пользуется, а создание цветных мониторов с большим экраном (21²) и высоким разрешением (1600х1200 пикселов) обходится очень дорого. В персональных компьютерах мониторы на ЭЛТ – самая крупная и тяжелая аппаратура.

Развитие высоких технологий позволило в последнее время создать плоскопанельные мониторы. К ним относятся мониторы на жидких кристалах (ЖК-мониторы), плазменные дисплеи, электролюминисцентные мониторы, мониторы электростатической эмиссии, органические светодиодные мониторы и др. Наиболее широкое распространение получили ЖК-мониторы (рис.3.3).

 

 

Рис.3.2 Рис.3.3

Основным преимуществом плоскопанельных мониторов является плоский экран с небольшой толщиной, малый вес, незначительное потребление электроэнергии, отсутствие вредного излучения. К недостаткам можно отнести инерциальность свечения, а следовательно, меньшая скорость вывода кадров изображений на экран, изменение яркости изображения при изменениях угла рассматривания изображения, больший физический размер пиксела, а значит меньшее качество изображения, большая стоимость по сравнению с мониторами на ЭЛТ. Тем не менее, за счет совершенствования технологии создания плоскопанельных мониторов, последние постепенно вытесняют мониторы на ЭЛТ.

Проекционный экран – это устройство вывода изображений на большие по размеру экраны с помощью оптической проекционной системы (рис.3.4). Они используются для демонстрации изображений на конференциях, совещаниях, при проектировании схем и изделий с большим количеством элементов. Принцип работы системы, подключаемой к компьютеру, такой же как и у обычного диапроектора, но только изображение формируется в проекторе на ЖК-экране, который выполняет роль слайда в обычном проекторе, и затем проецируется на большой экран с помощью оптической системы

Графопостроитель (плоттер) – это цифровое устройство рисования изображений на больших форматах бумаги, пленки и т.п. носителей информации с помощью пишущих инструментов (различные виды перьев) (рис.3.5).

 

Рис.3.4 Рис.3.5

Применяются графопостроители для построения чертежей больших форматов с высокой точностью. Бывает два типа графопостроителей: планшетные и рулонные. Планшетные графопостроители имеют вид обычного стола с мощным основанием. Над поверхностью стола с высокой точностью перемещается каретка с перьями, которые опускаются на бумагу, когда необходимо чертить и поднимаются, когда надо переместиться к другому фрагменту вычерчивания. Бумага, чтобы не перемещалась при вычерчивании, крепится к столу пневматическим или электростатическим способом. Можно вычерчивать чертежи формата А0. Толщина линии и точность вычерчивания достигает 0,125 мм. Рулонные графопостроители представляют собой стойку с вращающимся барабаном в верхней части. Над барабаном сверху перемещается каретка с перьями. Барабан, вращаясь, перемещает бумагу вперед-назад, перья, опускаясь в нужный момент, вычерчивают изображение. Достоинством рулонного графопостроителя перед планшетным является меньший вес и габаритные размеры, можно вычерчивать длинные чертежи, пока есть бумага в рулоне. Однако точность планшетных графопостроителей выше.

Сканер – устройство считывания графической информации путем последовательного просмотра предмета оптическим лучом и записи интенсивности и цвета каждой точки отраженного луча в электронной памяти.

Сканеры бывают двухмерными (считывание и запись пикселов с плоских предметов, например, бумага, пленка и т.п.) и трехмерными (считывание и запись вокселов с объемных предметов). Сканеры – высокоточные оптико-механические устройства.

Наиболее широкое распространение получили двухмерные сканеры (рис. 3.6) Сканирование осуществляется шаговым (дискретным) методом путем последовательно-параллельного движения оптической каретки. Чем меньше шаг считывания, тем больше точек изображения фиксируется на определенном отрезке считывания. Сканеры характеризуются двумя основными параметрами: максимальным размером считываемого изображения (например, форматы А4, А3) и минимальным шагом считывания (разрешением – число точек на дюйм).

Сканеры используют для записи в компьютер точечных изображений текстов, чертежей, рисунков, фотографий и т.д. Для обработки точечных изображений разработаны специальные графические приложения для распознавания текстов, линий, образов.

Фотокамера – устройство (рис.3.7) для получения отдельных кадров цифровых изображений. Фотокамера имеет монитор для просматривания снятых фотографий.

Фотокамера формирует оптическое изображение на цифровой матрице. Число пикселов цифровой матрицы определяет разрешение изображения и его качество. Наивысшее качество изображения для камеры получается при записи одной точки изображения на один пиксел. Объем записи одного кадра в этом случае наибольший. Фотокамера имеет встроенную цифровую память, которая ограничивает число запоминаемых фотографий.

При выполнении съемок можно увеличить число снимаемых фотографий на ту же память путем снижения разрешения изображения. Качество изображения при этом понизится.

Для передачи и записи изображений в компьютер имеются согласующие устройства. Используя графические приложения на компьютере можно изменять размеры и цвет фотографии, вырезать части изображения, дополнять в кадр графические изображения и текст. Фотографии можно рассматривать на экране монитора и печатать на принтере.

Видеокамера - устройство (рис.3.8) для получения цифровых видео фильмов. Требует больших объемов памяти и имеет меньшее разрешение изображений, чем фотокамера.

Рис.3.6 Рис.3.7 Рис.3.8

 

Стерео очки – это очки, с помощью которых, рассматривают стерео (два) изображения на плоскости (экран компьютера, кинотеатра, на листе бумаги).

В природе каждый глаз человека видит только свое изображение. Изображения отличаются друг от друга, потому что каждый глаз рассматривает предмет под своим углом зрения. Угол зрения рассматривания предмета зависит от расстояния между глазами и расстояния до рассматриваемого предмета. Чем больше угол зрения, тем выше стереоэффект (ощущение глубины пространства).

Существует несколько способов получения стерео эффекта на экране компьютера.

Стерео тубус – труба с перегородкой, идущей от лица до экрана и отделяющей зоны рассматривания части экрана для каждого глаза.

Недостатком тубуса является необходимость постоянно смотреть в тубус. При этом теряется связь с окружающим миром, что ведет к утомлению пользователя.

Оптические клинья – очки со стеклами, меняющими направление рассматривания части экрана (или двух экранов) каждым глазом.

Недостаток оптических клиньев – необходимость фиксации положения головы и направления взгляда. Изменение положения головы и направления взгляда ведет к искажению изображения.

Цветовое разделение – вывод на экран двух разноцветных изображений (например, красного и синего) через строчку и рассматривание изображения через очки, где левое стекло красное, а правое синее. Через очки будет видно черно-белое изображение.

Недостаток цветовых очков – черно-белое изображение с проявлением цветов за счет несовпадения цветов экрана с цветами стекол. Разрешение изображения (из-за через строчного построения изображения) падает вдвое.

Оптические затворы – очки, в которых стекла попеременно закрывают и открывают видимость для каждого глаза. Практически в любой момент времени мы смотрим одним глазом и видим изображение на экране, которое предназначено именно для этого глаза. Так как частота переключений высока, то восприятие изображения получается целостным.

Рассматривание через оптические затворы не приводит к его искажению восприятия окружающего мира, то есть не теряется эффект обычного зрения.

Рассмотрим метод синхронного переключения оптических затворов для правого и левого глаза и рассматривания каждым глазом только своего изображения (рис.3.9). В компьютере формируются изображения, которые предназначены для каждого глаза в отдельности и поочередно выводятся на экран. Стерео очки синхронизированы с этим режимом вывода с помощью контролера и соединены с компьютером либо проводами, либо беспроводной радиосвязью.

Качество изображения формируется компьютером, но оно может быть снижено за счет очков по двум моментам: запаздыванием открытия или закрытия затвора на стеклах очков и, соответственно, подсматриванием глазом не своего изображения; и затемнением изображения (до 30%) за счет недостаточной прозрачности жидкокристалического затвора очков. Компьютерные 3D-очки также называют очками с активной поляризацией.

Также недостатком обычных стерео очков является то, что изменение положения головы не приводит к ощущению участия в компьютерном (виртуальном) мире, то есть изменение положения головы не меняет изображение на экране. Поэтому стерео очки используются для зрителя, наблюдающего объемный мир, но не участника в этом мире.

Виртуальный шлем – это устройство формирования двух экранного (для каждого глаза) стерео изображения, причем изображение проецируется непосредственно в глаз, отсекая периферийное зрение (рис.3.10).

 

Рис.3.9 Рис.3.10

В шлеме используются миниатюрные цветные ЖК-экраны. Шлем также снабжен стерефоническими головными телефонами, микрофоном и системой виртуальной ориентации, которая отслеживает движение головы и в соответствии с ним корректирует изображения на экранах. При повороте головы в одну сторону объемное изображение поворачивается в противоположную сторону, как это происходит в реальной жизни. Виртуальный шлем используется совместно с устройствами ввода информации об окружающем мире и управления объектами трехмерной сцены, например, трехмерная мышь, специальные перчатки и т.п.

Назначение шлема ввести пользователя в виртуальный мир, создать ему иллюзию участника этого мира. Виртуальный шлем находит применение в различных компьютерных тренажерах, играх, путеводителях по музеям, городам и странам. Он может быть использован при проведении моделирования, проектирования, испытания изделий в условиях опасных для жизни человека, но с полным ощущением участника этих испытаний. Виртуальный шлем весьма дорогое удовольствие и его применение должно быть экономически целесообразным.

Программное обеспечение

Для работы аппаратного комплекса необходима управляющая система. Такой управляющей системой является операционная система.

История развития операционных систем такова. Вначале операционная система создавалась под жесткую структуру, и вычислительная система могла решать только одну ту задачу, которая целиком помещалась в оперативную память. Операционная система строилась на аппаратном уровне и содержала небольшую программную часть, размещаемую в оперативной памяти.

По мере роста объема решаемой задачи (например, графическая), которая не помещалась в оперативную память, возникла необходимость быстрого обмена данными между оперативной памятью и внешними накопителями (магнитными лентами, дисками). Так появилась дисковая операционная система DOS. У операционной системы появились новые функции, которые усложнили операционную систему. Однако принцип решения задач остался прежний. Можно было решать только одну задачу. Решаемая задача вызывала операционной систему, получая из нее функции управления, необходимые для решения задачи. Операционная система не имела права прервать ход решения задачи, кроме аварийного случая.

Далее, в связи с увеличением быстродействия и возможности записи и чтения больших объемов данных, развитие вычислительных систем пошло по пути разработки многозадачных и многопользовательских вычислительных систем. В таких системах можно было нескольким пользователям решать много задач, не мешая, друг другу. Решение этих проблем легло на операционную систему. Изменился и принцип решения задач. Теперь решением задачи управляет операционная система. Она может прервать решение задачи в любой момент, сохраняя все необходимые данные. Программная часть операционной системы значительно выросла. Так появилась операционная система Windows.

В настоящее время операционная система содержит и аппаратные (BIOS) и программные средства. Программные средства операционной системы представляет собой большую часть всей операционной системы. Это связано с необходимостью быстро менять компоненты операционной системы при замене аппаратных устройств. Работа аппаратных средств согласуется операционной системы с помощью программных средств (драйверов), которые включаются в состав операционной системы. Операционные системы содержат большое число служебных и сервисных программ, включая программы связи и программы работы с текстами, графикой и звуком.

Графические приложения

Однако, несмотря на богатый сервис операционных систем, основной функцией вычислительного комплекса остается решение прикладных программ.

Необходимо отметить, что прикладные программы обязательно должны быть согласованы с аппаратурой и операционными системами вычислительных комплексов. Попытки создания прикладных программ, работающих с разными типами устройств и видов операционных систем, имеют мало успехов, хотя и допускаются некоторые отклонения.

Прикладные программы можно разделить на два вида:

1. Одиночные задачи, которые создаются и решаются один раз и являются уникальными. Такие задачи часто возникают в научных исследованиях;

2. Приложения, которые могут решать множество задач в определенной области. Приложения часто используются в повседневной деятельности широкого круга пользователей.

К наиболее сложным приложениям с точки зрения набора функций и методики решения задач можно отнести графические приложения. Результатом работы графических приложений являются графические документы в моно и стерео изображении: чертежи, схемы, географические и другие карты, картины, фотографии, видеофильмы. Графические приложения ориентируются на определенные классы задач такие как:

1. автоматизированное проектирование изделий;

2. обработка фотографий, видеофильмов;

3. моделирование объемных динамических сцен (анимация).

Большинство приложений разрабатывается с трансляцией на различные языки. Корпоративные международные версии имеют основной язык английский и трансляции на различные языки мира. Международные графические приложения при использовании в России дополняются библиотеками государственных и отраслевых стандартов России.

Графические приложения, как и любой программный продукт, постоянно обновляются и имеют много версий.

Графическое приложение это объемный и дорогостоящий программный продукт, поэтому каждая фирма разрабатывает основное ядро графического приложения и расширяет его по модульному принципу для различных разделов области применения. Например, модуль проектирования механических деталей, модуль проектирования печатных плат, модуль проектирования базовых конструкций, модуль проектирования электрических кабельных соединений и т.д. Все эти и другие модули входят в систему проектирования электронных изделий. Естественно цена такой вычислительной системы растет по мере увеличения модулей в системе. Для большинства подобных систем стоимость программного обеспечения превосходит стоимость аппаратуры в десятки раз.

Наибольший интерес для проектирования изделий представляют графические приложения, ориентированные на сквозное проектирование, т.е. содержат модули проектирования чертежно-конструкторской документации, проектирование технологической документации и анализ инженерных расчетов. Преимущество таких систем - получение полного комплекта документации, необходимого для изготовления изделия.

Сравнить существующие в настоящее графические приложения по качественным показателям друг с другом весьма сложно, так как они ориентированы на определенную аппаратуру, операционные системы и различные классы задач.

При выборе и покупке графического приложения необходимо учесть множество показателей, где основные из них:

- стоимость;

- быстродействие;

- число и вид решаемых задач;

- возможность подключения дополнительных графических устройств;

- открытость системы (наращивание дополнительных аппаратных и программных модулей);

- простота освоения;

- удобство пользования;

- наличие сложных автоматических функций (библиотеки);

- быстрый ввод и вывод графической информации;

- совместимость с имеющейся вычислительной техникой;

- возможность работы в компьютерных сетях.

 

 

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по дисциплине «Компьютерная геометрия и графика»

Лекция 6