Видеосистема персонального
компьютераПерсональный компьютер смог стать привлекательным
вычислительным средством благодаря интерактивности взаимодействия с
пользователем. Основной поток выходной информации PC я визуальный,
причем информация представляется как в текстовом, так и в графическом
виде. В первые годы существования PC его видеосистемой называли
средства вывода текстовой или графической информации на какой-либо
экран. В качестве оконечного устройства чаще всего использовали (и
продолжают использовать) мониторы с электронно-лучевыми трубками.
Адаптеры, позволяющие подключать монитор к шине компьютера, называли
видеоадаптерами, и подразделяли на алфавитно-цифровые и графические.
Последние, естественно, кроме графической, позволяли выводить и
текстовую информацию. Вся выводимая информация формировалась в
результате действия и под управлением системных и прикладных программ.
По мере "взросления", на PC стали взваливать и казавшуюся ранее
неподъемной ношу воспроизведения и обработки движущихся телевизионных
изображений я так называемого "живого видео". Так назрела необходимость
корректировки терминологии. Видеосистема современного компьютера состоит
из обязательной графической подсистемы (формирующей изображение
программно) и дополнительной подсистемы обработки видеоизображений. Обе
эти составляющие части обычно используют общий монитор, а
соответствующие аппаратные средства системного блока могут располагаться
на раздельных картах различного функционального назначения или
объединяться на одном комбинированном адаптере, который уместно назвать
адаптером дисплея (Display Adapter).
Принципы вывода
изображенийВидеосистема PC ориентирована на растровый метод
вывода изображения. Растровый метод подразумевает, что некий рисующий
инструмент, способный оставлять видимый след, сканирует всю поверхность,
на которую выводится изображение. Траектория движения инструмента
постоянна и не зависит от выводимого изображения, но инструмент может
рисовать, а может и не рисовать отдельные точки траектории. Видимым
изображением являются оставленные им точки. В случае видеомонитора
инструментом является модулированный луч (или три луча базисных цветов),
построчно сканирующий экран и вызывающий свечение люминофора,
нанесенного на внутреннюю поверхность экрана. Каждая строка растра
разбивается на некоторое количество точек я пикселов (Pixel я сокращение
от Picture Element я элемент изображения), засветкой каждой из которых
по отдельности может управлять устройство, формирующее изображение
(например, графическая карта). Видеомонитор является растровым
устройством вывода динамически изменяемых изображений. Его луч сканирует
экран с частотой, которая не должна позволять глазу видеть мерцание
изображения. Матричные дисплеи, применяемые в блокнотных ПК, также
относятся к растровым устройствам. Растровыми устройствами вывода
статических изображений являются принтеры. Альтернатива растровым
устройствам я векторные устройства вывода изображений. В этих
устройствах инструмент прорисовывает только изображаемые фигуры, и его
траектория движения определяется выводимым изображением. Изображение
состоит из графических примитивов, которыми могут быть отрезки прямых я
векторы (откуда и название метода вывода), дуги, окружности. К векторным
устройствам вывода статических изображений относятся перьевые плоттеры.
Существовали (а может где-то используются и сейчас) и векторные
мониторы, однако ввиду сложности построения системы управления лучем,
обеспечивающей быстрое и точное движение луча по сложной траектории, эта
линия угасла. Рассмотрим растровую систему вывода изображений,
подразумевая в качестве оконечного устройства монитор с
электронно-лучевой трубкой я CRT (Catode Ray Terminal, дословно я
монитор на катодно-лучевой трубке). Сканирование экрана модулированным
лучем обеспечивается генераторами горизонтальной и вертикальной
разверток монитора. Луч может оставлять след только во время прямого
хода по строке (слева направо). Строка разбивается на некоторое
количество точек разложения, каждая из которых может иметь состояние
(яркость и цвет), не зависимое от других. На обратном ходе по строке луч
принудительно гасится. Следующая строка прорисовывается параллельно
предыдущей, но с некоторым вертикальным смещением (вниз), и так
происходит сканирование до окончания кадра я достижения правого нижнего
угла экрана. Во время обратного хода луча по вертикали, за время
которого генератор горизонтальной развертки успеет сделать несколько
строчных циклов, луч опять-таки принудительно гасится. В следующем кадре
сканирование может производиться по-разному. В системах с прогрессивной
(Progressive), или нечередующейся (NI яNon-Interlaced) разверткой луч
идет по тем же самым строкам (рис. 1, а). В системах с чересстрочной
разверткой (IL я Interlaced) луч пойдет по строкам, смещенным по
вертикали на половину шага строки (рис.1, б). Таким образом, всю
поверхность экрана луч проходит за два цикла кадровой развертки,
называемых полукадрами. Чересстрочная развертка позволяет почти вдвое
снизить частоту горизонтальной (строчной) развертки, а, следовательно, и
темп вывода точек изображения. Выгода от этого снижения будет понятна
позже, а пока поясним, как определяются частоты развертки.
Рис.1. Сканирование экрана (а я построчная развертка, б я
чересстрочная)
Для того, чтобы глаз не замечал мельканий при сканировании экрана,
частота кадровойразвертки должна быть не ниже 50яГц. Теперь посмотрим,
что из этого следует. Вполне очевидно, что для качественного изображения
экран должен иметь как можно больше точек матрицы разложения я то есть
строк в кадре и точек на строке. Возьмем популярный режим 800x600 (600
строк по 800 точек). За один период прогрессивной кадровой развертки луч
должен успеть прочертить 600 видимых строк, да еще некоторое количество
невидимых строк (примерно 50) он прочертит на обратном ходе по кадру.
Получается, что частота строк должна составить 50Гц*(600+50)=32.5 кГц
(вроде и не так уж много). Этой частоте соответствует период около 30
мкс (1/32.5), из которого на прямой ход по строке остается 25 мкс. За
это время необходимо вывести 800 точек строки, так что на каждую точку
отводится 25/800=0.03мкс, что соответствует частоте вывода точек в 30
МГц, а это для электронных схем уже высокая частота. Поскольку соседние
точки выводимого изображения в принципе друг с другом не связаны, то
полоса частот сигнала (Bandwidth), модулирующего интенсивность луча,
должна быть выше частоты вывода точек (DotClock) примерно на 25%. Такую
широкую полосу пропускания должен обеспечвать весь видеотракт:
видеоусилители модуляторов лучей, сигнальные линии интерфейсного кабеля,
и, наконец (вернее, сначала) такой широкополосный сигнал должен
сформировать графический адаптер. На всех этих стадиях высокие частоты
порождают технические проблемы. Если реальная полоса пропускания в этом
тракте будет уже, четкого изображения получить не удастся я переходы
будут размыты. Если же частотная характеристика тракта в требуемом
диапазоне будет неравномерной, появятся специфические искажения цветов
или яркости около границ отображаемых объектов (справа от граничной
линии). Понятно, что с технической точки зрения есть стимулы снижать
требуемую верхнюю границу полосы частот видеотракта. При чересстрочной
развертке за каждый полукадр сканируется только половина строк
разложения (четные в одном полукадре и нечетные в другом),
следовательно, строчная частота уменьшается, а длительность прохода
видимой части строки увеличивается примерно вдвое. Таким образом, при
заданных условиях (разрешении экрана и ограничении минимальной кадровой
частоты) чересстрочная развертка позволяет снизить требуемую полосу
пропускания вдвое. Как видно из вышеприведенных выкладок, частотные
параметры видеосистемы определяются исходя из желаемой частоты кадров,
разрешения экрана и режима развертки. Заботясь о зрении пользователя,
частоту кадров стремятся повышать. При низкой частоте экран начинает
мерцать, что особо заметно на больших белых полях изображения (в полном
смысле слова яркий тому пример я белый фон в приложениях Windows).
Разрешение экрана стремятся увеличить я чем оно выше, тем больше
информации можно уместить на экране. Поскольку размер экрана постоянно
увеличивается я 17" монитор является уже нормой для многих видов
деятельности, потребность в разрешении, скажем, 1600x1200 вполне
реальна. Но по нашим выкладкам, при прогрессивной развертке для этого
уже требуется полоса 140 МГц! (а кадровая частота 50 Гц я это отнюдь не
идеал). Применение чересстрочной развертки годится лишь как вынужденная
мера, поскольку имеет свои специфические неприятные "видеоэфекты": если
выводится тонкая (в одну строку точек) горизонтальная линия, она будет
заметно мерцать. Это и понятно, ведь прорисовывается она только в одном
из полукадров, следовательно, с половинной кадровой частотой. Если
изображение потолще (один и тот же элемент имеет точки в соседних
строках), его мерцание будет почти незаметным. Итак, вожделенные цели
ясны: частота кадров я выше, разрешение (по вертикали и горизонтали) я
больше, развертка я не чересстрочная (Non Interlaced). Забегая немного
вперед, заметим, что чем выше частота развертки, тем ниже
производительность графической системы при построении изображений. С
точки зрения пользователя, привлекательность чересстрочного режима
развертки заключается в цене устройств я поскольку для прогрессивной
развертки требуется более высокое качество компонент всего видеотракта,
построчная развертка с высокой частотой кадров при режимах высокого
разрешения я дорогое удовольствие. Чересстрочная развертка широко
применяется в телевидении, где видеосигнал приходится "пропихивать"
через радиоканал, с шириной полосы которого всегда имеются проблемы.
Современные мониторы и графические адаптеры, применяемые в PC,
используют оба режима развертки с различными значениями частоты кадров.
Естественно, что работать они должны в согласованных режимах.
Рассмотрев работу оконечного устройства (монитора), обсудим способы
формирования изображения в графическом адаптере. Итак, у нас имеется
матрица точек экрана, образованная горизонтальными строками растра
(номер строки я вертикальная координата матрицы) и точками разложения
строки (номер точки в строке я горизонтальная координата матрицы). Эта
матрица сканируется построчным или чересстрочным образом, и во время
прямого хода луча по видимым строкам графический адаптер должен
формировать сигналы управления яркостью базисных цветов монитора. За это
время последовательно (и синхронно с ходом луча) должна выводиться
информация о яркости и цвете всех точек данной строки. Синхронизация
обеспечивается формированием гризонтальных и вертикальных
синхроимпульсов. Таким образом, графический адаптер является задающим
устройством, а монитор со своими генераторами разверток должен вписаться
в заданные параметры синхронизации. Продолжение следует.
Подробнее о видеосистеме и других подсистемах PC можно узнать в книге М.
Гука "Аппаратные
средства IBM PC. Энциклопедия".
Михаил Гук ( Mgook@stu.neva.ru)
Опубликовано в КомпьютерИНФО я33 за 1997 г. Публикация в
печатных изданиях только с разрешения автора, ссылка
обязательна.
Книги | Статьи | Начало | Продолжение
Copyright (c) М. Гук, 1999. Дизайн (с) О. Гук,
1999. |