Технічні засоби підтримки комп'ютерної графіки

Розвиток комп'ютерної графіки багато в чому обумовлено розвитком технічних засобів її підтримки. Насамперед це пристрою виводу, якимись є дисплеї. У цей час існує кілька типів дисплеїв, що використовують електронно-променеву трубку, а також дисплеї на рідкокристалічні індикаторах і інші їхні види. Нас цікавлять головним чином функціональні можливості дисплеїв, тому ми не будемо стосуватися їхнього внутрішнього пристрою й електронних схем.

Виникнення комп'ютерної графіки, як уже говорилося раніше, можна віднести до 50-х років. Дисплейна графіка на першому етапі свого розвитку використовувала електронно-променеві трубки (ЕЛТ) з довільним скануванням лучачи для виводу у вигляді зображення інформації з ЕОМ. З експерименту в Масачусетському технологічному інституті почався етап розвитку векторних дисплеїв (дисплеїв з довільним скануванням лучачи).

Найпростішим із пристроїв на ЕЛТ є дисплей на запам'ятовувальній трубці із прямим копіюванням зображення. Запам'ятовувальна трубка має властивість тривалого часу післясвітіння: зображення залишається видимим протягом тривалого часу (до однієї години). При виводі зображення інтенсивність електронного променя збільшують до рівня, при якому відбувається запам'ятовування сліду лучачи на люмінофорі. Складність зображення практично не обмежена. Стирання відбувається шляхом подачі на всю трубку спеціальної напруги, при якому світіння зникає, і ця процедура займає приблизно 0,5 с. Тому зображення, отримані на екрані, не можна стерти частково, а стало бути, динамічні зображення або анімація на такому дисплеї неможливі. Дисплей на запам'ятовувальній трубці є векторним, або дисплеєм з довільним скануванням, тобто він дозволяє провести відрізок з однієї адресуемої крапки в будь-яку іншу. Його досить легко програмувати, але рівень інтерактивності в нього нижче, ніж у ряду дисплеїв інших типів через низьку швидкість і погані характеристики стирання.

Наступний тип - це векторні дисплеї з регенерацією зображення. При переміщенні лучачи по екрані в крапці, на якій потрапив промінь, збуджується світіння люмінофора екрана. Це світіння досить швидко припиняється при переміщенні лучачи в іншу позицію (звичайний час післясвітіння - менш 0,1 с). Тому, для того щоб зображення було постійно видимим, доводиться його "перемальовувати" (регенерувати зображення) 50 або 25 разів у секунду. Необхідність регенерації зображення вимагає збереження його опису в спеціально виділеній пам'яті, називаною пам'яттю регенерації. Сам опис зображення називається дисплейним файлом. Зрозуміло, що такий дисплей вимагає досить швидкого процесора для обробки дисплейного файлу й керування переміщенням лучачи по екрані.

Звичайно серійні векторні дисплеї встигали 50 разів у секунду будувати тільки близько 3000-4000 відрізків. При більшому числі відрізків зображення починає мерехтіти, тому що відрізки, побудовані на початку чергового циклу, повністю гаснуть до того моменту, коли будуть будуватися останні.

Іншим недоліком векторних дисплеїв є мале число градацій по яскравості (звичайно від двох до чотирьох). Були розроблені, але не знайшли широкого застосування двох- і триколірні ЕЛТ, що також забезпечували кілька градацій яскравості.

У векторних дисплеях легко стерти будь-який елемент зображення - досить при черговому циклі побудови видалити стирається элемент, що, з дисплейного файлу.

Текстовий діалог підтримується за допомогою алфавітно-цифрової клавіатури. Непрямий графічний діалог, як і у всіх інших дисплеях, здійснюється переміщенням перехрестя (курсору) по екрані за допомогою тих або інших засобів керування перехрестям - координатних коліс, що управляє важеля (джойстика), трекбола (кульової рукоятки), планшета й т.д. Відмітною рисою векторних дисплеїв є можливість безпосереднього графічного діалогу, що полягає в простій вказівці за допомогою світлового пера об'єктів на екрані (ліній, символів і т.д.).

Векторні дисплеї звичайно підключаються до ЕОМ високошвидкісними каналами зв'язку. Перші серійні векторні дисплеї за рубежем з'явилися наприкінці 1960-х років.

Прогрес у технології мікроелектроніки привів до того, що із середини 1970-х років переважне поширення одержали дисплеї з растровим скануванням лучачи. Растровий пристрій можна розглядати як матрицю дискретних крапок (пікселів), кожна з яких може бути підсвічена. Таким чином, воно є точечно- пристроєм, що малює. Тому будь-який зображуваний на екрані дисплея відрізок будується за допомогою послідовності крапок, що апроксимують ідеальну траєкторію відрізка, подібно тому, як можна будувати зображення по клітках на картатому листку паперу. При цьому відрізок виходить прямим тільки у випадках, коли він горизонтальний, вертикальний або спрямований під кутом 45° до горизонталі. Всі інші відрізки виглядають як послідовність "сходів" (східчастий ефект).

При побудові зображення в растрових графічних пристроях використовується буфер кадру, що представляє собою велика безперервна ділянка пам'яті комп'ютера. Для кожної крапки в растрі приділяється як мінімум один біт пам'яті. Буфер кадру сам по собі не є пристроєм виводу, він лише використовується для зберігання малюнка. Найбільше часто як пристрій виводу, використовуваного з буфером кадру, виступає відеомонітор.

Щоб зрозуміти принципи роботи растрових дисплеїв, ми розглянемо загалом пристрій кольорової растрової електронно-променевої трубки. Зображення на екрані виходить за допомогою сфальцьованого електронного променя, що, потрапляючи на екран, покритий люмінофором, дає яскрава колірна пляма. Промінь у растровому дисплеї може відхилятися тільки в строго певні позиції на екрані, що утворять своєрідну мозаїку. Люмінофорне покриття теж не безупинно, а являє собою безліч близько розташованих дрібних крапок, куди може позиціонуватися промінь. Дисплей, що формує чорно-білі зображення, має одну електронну гармату, і її промінь висвітлює однотонні колірні плями. У кольоровий ЕЛТ перебувають три електронних гармати, по однієї на кожний основний колір: червоний, зелений і синій. Електронні пушки часто об'єднані в трикутний блок, що відповідає трикутним блокам червоного, зеленого й синього люмінофорів на екрані. Електронні промені від кожної з гармат, проходячи через спеціальну тіньову маску, попадають точно на пляму свого люмінофора. Зміна інтенсивності кожного із трьох променів дозволяє одержати не тільки три основних кольори, але й кольору, одержувані при їхньому змішанні в різних пропорціях, що дає дуже велику кількість квітів для кожного пікселя екрана.

Дисплеї на рідкокристалічних індикаторах працюють аналогічно індикаторам в електронних годинниках, але, звичайно, зображення складається не з декількох великих сегментів, а з великого числа окремо керованих крапок. Ці дисплеї мають найменші габарити й енергоспоживання, тому широко використовуються в портативних комп'ютерах. Вони мають як переваги, так і недоліки в порівнянні з дисплеями на ЕЛТ. Хоча історично такий спосіб виводу зображення з'явився раніше, ніж растровий дисплей з ЕЛТ, але швидко розвиватися він почав значно пізніше. Ці дисплеї також є растровими пристроями (їх теж можна представити як матрицю елементів - рідких кристалів).

Існують і інші види дисплеїв, наприклад плазменна панель, але ми не будемо їх стосуватися, оскільки вони також є растровими, а технічна реалізація не є предметом нашого курсу. Важливо те, що розглянуті нами алгоритми розроблені для растрових графічних дисплеїв, а загальні принципи роботи цих пристроїв нам зрозумілі.

Крім дисплеїв, як пристрої виводу зображень використовуються плотери (графобудівники), призначені для виводу графічної інформації на папір. Ранні графічні пакети були орієнтовані саме на модель пір'яного плотера, що формує зображення за допомогою пера. Перо може переміщатися уздовж двох напрямних, відповідним двом координатним осям, причому воно може перебувати у двох станах - піднятому й опущеному. У піднятому стані воно просто переміщається над поверхнею паперу, а в опущеному залишає на папері лінії, що формують зображення. Таким чином, плотер коштує ближче до векторних дисплеїв, але відрізняється від них тим, що стирати виведені зображення неможливо. Тому для них зображення спочатку повністю формується в пам'яті комп'ютера, а потім виводиться.

Крім того, варто згадати принтери, що виводять зображення на папір або плівку. Зображення, одержуване за допомогою сучасних принтерів, також формується як крапкове (растрове), але, як правило, із кращим дозволом, чим екранне. Як і у випадку із графобудівником, стерти зображення або його частина неможливо.

Тепер зробимо невеликий огляд пристроїв уведення інформації, що дозволяють вирішувати різні завдання комп'ютерної графіки, не вдаючись у деталі фізичних принципів їхньої роботи. Ці пристрої дозволяють організувати діалог " людин-комп'ютер", а особливості конструкції кожного пристрою дозволяють йому спеціалізуватися на виконанні певного кола завдань. Нас вони цікавлять саме як логічні пристрої, тобто з погляду виконуваних ними функцій.

Першу групу пристроїв, за допомогою яких користувач може вказати позицію на екрані, назвемо пристроями вказівки (pointing device): миша, трекбол (trackball), світлове перо (lightpen), джойстик (joystick), спейсбол (spaceball). Практично всі пристрої цієї групи оснащені парою або декількома кнопками, які дозволяють сформувати й передати в комп'ютер які-небудь сигнали або переривання.

Рис. 1.1. Миша

Рис. 1.2. Трекбол

Миша (мал. 1.1) і трекбол (мал. 1.2) схожі не тільки по призначенню, але часто й по конструкції. У механічній миші й трекболі обертання кульки перетвориться за допомогою пари перетворювачів у сигнали, передані в комп'ютер. Перетворювачі вимірюють обертання щодо двох взаємно перпендикулярних осей. Існує дуже багато модифікацій пристроїв цих груп. В оптичній миші використовуються не механічні, а оптичні чутливі елементи для виміру переміщення: виміряється відстань шляхом підрахунку штрихів на спеціальній підложці. Маленькі трекболи широко застосовуються в портативних комп'ютерах, де їх вбудовують прямо в клавіатуру.

У деякі клавіатури вбудовуються прилади, чутливі до тиску, які виконують ті ж функції, що й миша або трекбол, але при цьому в них відсутні рухливі елементи. Перетворювачі в таких пристроях вимірюють величину тиску на невеликий опуклий набалдашник, розміщений між двома кнопками в середній частині клавіатури. Вони, як і трекбол, використовуються переважно в портативних комп'ютерах.

Вихідні сигнали миші або трекбола можна розглядати як дві незалежні величини й перетворювати їх у координати положення на двовимірній площині екрана або в якій-небудь іншій системі координат. Лічені із пристрою значення можна відразу ж використовувати для керування спеціальною оцінкою (курсором) на екрані.

Рис. 1.3. Світлове перо

Ветераном серед пристроїв уведення в комп'ютерній графіці є пристрій, назване при його створенні світловим пером. Уперше воно з'явилося у вже згаданому проекті А.Сазерленда Sketchpad. Світлове перо містить фоточутливий елемент (мал. 1.3), що при наближенні до екрана сприймає випромінювання, породжуване при зіткненні електронів з люмінофорним покриттям екрана. Якщо потужність світлового імпульсу перевищує певний поріг, фоточутливий елемент формує імпульс, що передається в комп'ютер. Аналізуючи зсув за часом цього імпульсу відносно початку циклу регенерації, комп'ютер може точно визначити координати тої крапки екрана, порушення якої "висвітило" фотоелемент. Таким чином, у розпорядженні користувача виявляється пристрій безпосередньої вказівки, що працює прямо із зображенням на екрані. У цей час цей пристрій уже практично вийшло із уживання: воно витиснуто більше простою й надійним - мишею.

Ще один пристрій, що досить активно використовується в мультимедійних додатках, а також у різного роду комп'ютерних тренажерах - джойстик (мал. 1.4). Переміщення джойстика у двох взаємно перпендикулярних напрямках сприймається перетворювачами, інтерпретується як вектор швидкості, а отримані значення використовуються для керування положенням маркера на екрані. Обробка сигналу виконується таким чином, що нерухливий джойстик у якому- або проміжному положенні не змінює положення маркера, а чим далі джойстик відхилений від початкового положення, тим швидше маркер переміщається по екрані. Таким чином, джойстик відіграє роль пристрою уведення зі змінною чутливістю. Інше достоїнство джойстика - наявність силового зворотного зв'язка, забезпеченої наявністю різного роду пружин. При цьому користувач почуває, що чим далі відхилено джойстик, тим більше зусилля потрібно для його подальшого руху. Це саме ті властивості, які потрібні при роботі з різного роду симуляторами, а також у комп'ютерних іграх.

Рис. 1.4. Джойстик

Рис. 1.5. Спейсбол

Спейсбол - це "тривимірне" пристрій уведення. Хоча й існують різні конструкції таких пристроїв, вони усе ще не одержали широкого поширення, оскільки програють популярним двовимірним пристроям як за вартістю, так і по технічних характеристиках. Спейсбол схожий на джойстик, але відрізняється від нього тим, що він має вигляд закріпленого на рукоятці кулі, причому рукоятка в цій конструкції нерухлива (мал. 1.5). Куля має датчики тиску, які вимірюють зусилля, що прикладається користувачем. Куля може вимірювати не тільки складові зусилля в трьох основних напрямках (зверху долілиць, від себе або на себе, уліво-вправо), але й обертання щодо трьох осей. Таким чином, цей пристрій здатний передавати в комп'ютер шість незалежних параметрів (тобто має шість ступенів волі), що характеризують як поступальний рух, так і обертання.

Існують і інші тривимірні системи виміру й уведення, що використовують найсучасніші технології, наприклад лазерні. У системах віртуальної реальності використовуються більше складні пристрої, що дозволяють динамічно відслідковувати положення й орієнтацію користувача. Для додатків, пов'язаних із сучасною робототехнікою й моделюванням віртуальної реальності, іноді потрібні пристрої, що володіють ще більшим числом ступенів волі, чим спейсбол. Останнім часом з'явилися нові розробки в цьому напрямку, зокрема - рукавички із системою датчиків, які здатні вловлювати руху окремих частин руки людини (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Рукавичка для уведення даних

Рис. 1.7. Планшет

При використанні миші або трекбола аналізується відносне положення пристрою. Якщо перемістити покажчик на екрані яким-небудь способом в інше місце, не обертаючи при цьому кулька миші або трекбола, то подальші сигнали будуть зміщати покажчик щодо нової позиції. Можна також акуратно перемістити миша без обертання кульки й це не приведе до переміщення курсору на екрані. Абсолютні координати пристрою не зчитуються обробною програмою. Але при уведенні в комп'ютер графіків прикладній програмі найчастіше потрібні абсолютні координати пристрою уведення. Таку можливість забезпечують різного роду планшети (мал. 1.7). У планшеті застосовується, як правило, ортогональна сітка проводів, розташована під його поверхнею. Положення пера визначається через електромагнітну взаємодію сигналів, що проходять від проводів до щупа. Іноді як планшет використовуються чутливі до дотику прозорі екрани, які наносяться на поверхню ЕЛТ. Невеликі екрани такого типу розміщаються іноді на клавіатурі портативних комп'ютерів. Чутливі панелі можна використовувати в режимах як абсолютних, так і відносних координат.

Для растрового уведення зображень використовуються сканери, що дозволяють не тільки ввести образ у комп'ютер, але й зробити їхню обробку й документування. Одна з важливих областей застосування сканерів - введення текстів. При цьому обробка уведеного зображення виконується програмним забезпеченням розпізнавання текстів, що у цей час стало вже досить розвиненим. У САПР сканери використовуються для автоматизації уведення раніше підготовленої конструкторської документації. У цьому випадку проблема полягає в тім, що дані від сканера представлені в растровій, а не векторній формі, і потрібне виконання зворотного перетворення " растр-вектор". Це завдання дуже складне: необхідно розпізнавати різні зображення й тексти, у тому числі рукописні, ураховувати, що лінія може при скануванні не тільки одержати різну ширину на різних ділянках, але й виявитися розірваної й т.д. Для рішення цього завдання засобів однієї лише комп'ютерної графіки недостатньо: необхідний залучення й інші дисципліни.

Всі перераховані вище пристрої уведення з погляду передачі інформації прикладним програмам варто розглядати як логічні. Функціонування систем уведення характеризується тим, яку інформацію пристрій передає в програму, коли і як воно передає цю інформацію. Ці питання стають особливо істотними при розробці користувальницького інтерфейсу.

Питання й вправи

1. Назвіть чотири основні області застосування комп'ютерної графіки.

2. Які основні напрямки розвитку комп'ютерної графіки? Які завдання вони вирішують?

3. Де й коли вперше був використаний дисплей як пристрій виводу ЕОМ?

4. Ким і коли була розроблена перша інтерактивна програма для малювання?

5. Назвіть основних розроблювачів методів зафарбовування гладких поверхонь.

6. Хто є автором ряду алгоритмів побудови растрових образів різних геометричних об'єктів?

7. Назвіть авторів алгоритмів видалення невидимих ліній.

8. У чому складається основне розходження між дисплеями з довільним скануванням і растровим скануванням?

9. Чим відрізняється дисплей на запам'ятовувальній трубці від векторного дисплея з регенерацією зображення?

10. Які основні принципи роботи кольорової растрової електронно-променевої трубки?

11. Як працює пір'яний плотер?

12. Назвіть основні пристрої уведення, що використовуються в комп'ютерній графіці.

13. Які із пристроїв уведення дають можливість працювати в абсолютних координатах?

14. Перелічите області застосування сканерів.