Γραφικό Σύστημα Επεξεργασίας & Εξόδου

Transcript

1 Γραφικό Σύστημα Επεξεργασίας & Εξόδου

2 Γραφικό σύστημα επεξεργασίας

3 Συσκευές εξόδου γραφικών Οθόνες Βασίζονται στην παραδοσιακή τεχνολογία της κατευθυνόμενης δέσμης ηλεκτρονίων που ερχόμενη σε επαφή με τη φωσφορούχα επικάλυψη της οθόνης παράγει φως για ένα χρονικό διάστημα Δύο είδη Διανυσματική οθόνη Η δέσμη ηλεκτρονίων μπορεί να κινηθεί ελεύθερα στην οθόνη Πλεγματική οθόνη Αποτελείται από ένα 2Δ πλέγμα διακριτών pixels τα οποία μπορούν ανεξάρτητα να πάρουν κάποιο χρώμα Εκτυπωτές Χρήση αφαιρετικού χρωματικού μοντέλου (π.χ. CMY). Δύο είδη Διανυσματικοί εκτυπωτές Η γραφίδα μπορεί να κινηθεί ελεύθερα πάνω στο χαρτί διαγράφοντας οποιαδήποτε καμπύλη (π.χ. σχεδιογράφος τυμπάνου, επιτραπέζιος σχεδιογράφος). Πλεγματικοί εκτυπωτές Χωρίζουν την επιφάνεια εκτύπωσης σε ένα 2Δ πλέγμα διακριτών σημείων εκτύπωσης που σαρώνονται με προκαθορισμένη σειρά (dot-matrix, laser, ink-jet εκτυπωτές).

4 Συσκευές Εξόδου Χωρίζονται σε οθόνες και εκτυπωτές. Κλασική τεχνολογία οθόνης: Ανάγκη φρεσκαρίσματος Hz (από απαίτηση 30 καρέ / sec για animation). Εγχρωμες οθόνες: 3 δέσμες (RGB) Προσθετική διαδικασία πάνω στη μαύρη οθόνη.

5

6 Τεχνολογίες Απεικονίσεις Σωλήνας καθοδικών Ακτίνων (Cathode Ray Tubes (CRTs) Κοινή συσκευή απεικόνισης Σωλήνας κενού Υψηλή τάση (Extremely high voltage)

7 CRT Στοιχείο θέρμανσης (Heating element filament) Ηλεκτρόνια εκπέμπονται προς Κάθετα και οριζόντια πεδία απόκλισης Ακτίνα χτυπάει σε μια οθόνη επικαλυμμένη με φώσφορο

8 Υλικό για γραφικά Φώσφορος που φωτοβολεί 19/3/2016

9 Υλικό για γραφικά Ο λόγος που εκφράζει την αναλογία των διαστάσεων της οθόνης. 19/3/2016

10 Πλεγματική ή διανυσματική απεικόνιση

11 Διανυσματική Οθόνη Σχεδιασμός (γραμμικών) αντικειμένων με κατάλληλη μετακίνηση δέσμης ηλεκτρονίων. Εντολές της μορφής: point(x,y), line(x1,y1,x2,y2) στο display-file. Ανάγκη φρεσκαρίσματος περιορίζει μέγιστο αριθμό εντολών του display-file: Αδυναμία παράστασης επιφανειών, αλλά οχι ταύτιση (aliasing).

12 Γραφικά Σύστημα διανυσματικής σάρωσης (vector or random scan)

13 Πλεγματική οθόνη Σάρωση της οθόνης ανά γραμμή και σε συγκεκριμένο χρονικό ρυθμό Γραμμή σάρωσης Διακεκκομένη γραμμή: δέσμη απενεργοποιημένη Αποθήκευση της εικόνας στη μνήμη ως πίνακα τριών διαστάσεων: (πλάτος x ύψος x χρώμα) Χρήση παλέτας για μείωση απαιτήσεων χρώματος. Κεντρικός επεξεργαστής Μνήμη οθόνης (frame buffer) Τιμή pixel Παλέτα χρωμάτων RGB τιμή Επεξεργαστής οθόνης Οθόνη

14 Τεχνολογίες Απεικόνισης : CRTs Διανυσματικές οθόνες Αρχικές οθόνες Έλεγχος X,Y με κάθετε / οριζόντιες πλάκες απόκλισης Για την ένταση χρησιμοποιείται το Z (κοντύτερα αντικείμενα φαίνονται φωτεινότερα) Προβλήματα Πολύπλοκες σκηνές προκαλούν οπτική σύγχυση

15 Τεχνολογίες Απεικόνισης : CRTs Πλεγματικές οθόνες (Raster Displays) Πλέγμα : Τετράγωνος πίνακας με σημεία Pixel: ένα σημείο ή στοιχείο εικόνας του πλέγματος Scan line: Μια γραμμή από pixels

16 Πλεγματική Οθόνη Μνήμη οθόνης πολύ μεγάλη (π.χ. 1024x1024x24=3Mb). Μείωση μεγέθους με παλέτα χρωμάτων (lookup-table). Δημιουργία σχημάτων με αλγορίθμους επιλογής pixels, πρόβλημα ταύτισης: Νέες τεχνολογίες επίπεδων (LCD, plasma) ή μικροσκοπικών πλεγματικών οθονών (V. Reality).

17

18

19 Γραφικά Έγχρωμη πλεγματική οθόνη

20 Τεχνολογίες Απεικόνισης : έγχρωμη CRTs Έγχρωμη CRTs είναι πολύ πολύπλοκη Απαιτεί γεωμετρία μεγάλης ακρίβιεας Χρησιμοποιεί pattern από έγχρωμο φώσφορο στην οθόνη : Delta electron gun arrangement In-line electron gun arrangement Γιατί κόκκινος, πράσινος και μπλέ φώσφορος?

21 Τεχνολογίες Απεικόνισης : έγχρωμη CRTs Έγχρωμη CRTs Τρία πυροβόλα ηλεκτρονίων Μεταλλική μάσκα σκίασης να διαφοροποιεί τις ακτίνες

22 Υλικό για γραφικά Σύστημα ανανέωσης και ελέγχου της οθόνης

23 Γραφικά Μνήμη ανανέωσης (Video Ram) Video RAM Video Controller Οθόνη

24 Τεχνολογίες Απεικόνισης : LCDs Οθόνες υγρών κρυστάλλων (LCDs) LCDs: οργανικά μόρια, σε κρυσταλλική μορφή, τα οποία υγροποιούνται από θέρμανση ή με ηλεκτρομαγντητικό πεδίο Οι κρύσταλλοι πολώνουν το φως στους 90º.

25 Τεχνολογίες Απεικόνισης : LCDs Οθόνες υγρών κρυστάλλων (LCDs) LCDs: οργανικά μόρια, σε κρυσταλλική μορφή, τα οποία υγροποιούνται από θέρμανση ή με ηλεκτρομαγντητικό πεδίο Οι κρύσταλλοι πολώνουν το φως στους 90º.

26 Τεχνολογίες Απεικόνισης : LCDs Μεταβίβαση & αντανάκλαση LCDs: LCDs λειτουργούν ως βαλβίδες φωτός και όχι ως εκπομποί φωτός και επομένως στηρίζονται σε εξωτερική πηγή φωτός. Οθόνη Laptop backlit Μεταβιβάσιμη οθόνη Palm Pilot/Game Boy Αντανακλαστική οθόνη

27 Τεχνολογίες Απεικόνισης : πλάσμα Παρόμοια αρχή με φθορισμού λαμπτήρες Μικρές κάψουλες με αέριο ενεργοποιούνται από ηλεκτρικό πεδίο που εκπέμπει UV φως UV ενεργοποιεί φώσφορο

28 Τεχνολογίες Απεικόνισης : Οθόνες Πλάσματος (ΥΠΕΡ) Κατά Μεγάλη γωνία θέασης Καλή για οθόνες μεγάλης διάστασης Σχετική φωτεινότητα Ακριβή Μεγάλα pixels (~1 mm versus ~0.2 mm) Ο φώσφορος σταδιακά φθίνει Λιγότερο φωτεινή από CRTs, χρησιμοποιώντας περισσότερη ενέργεια

29 Εκτυπωτές Διαχωρισμός σε διανυσματικούς & πλεγματικούς. Εγχρωμοι με χρήση αφαιρετικού χρωματικού μοντέλου (π.χ. CMY): Π.χ. θαλασσί μπογιά αφαιρεί κόκκινη συνιστώσα προσπίπτοντος λευκού φωτός. Αποτέλεσμα: (R+G+B) - R = G+B = θαλασσί Συχνά CMY+B για οικονομία μελανιού και καλύτερα αποτελέσματα.

30 Διανυσματικοί Εκτυπωτές Σχεδιογράφος τυμπάνου: Επιτραπέζιος σχεδιογράφος: Πολλαπλές γραφίδες για πάχη γραμμών / χρώμα.

31 Πλεγματικοί Εκτυπωτές Dot-Matrix: κεφαλή με ακίδες σε 1 ή περισσότερες στήλες: Πεταγόμενη ακίδα σχηματίζει κουκίδα (παρεμβάλλεται μελανοταινία). Κεφαλή σαρώνει κατά Χ, χαρτί κατά Υ. Αύξηση ανάλυσης με πολλαπλές σαρώσεις (αργή) ή πολλαπλές στήλες ακίδων, μετατοπισμένες κατά Υ. Χρώμα με έγχρωμες μελανοταινίες.

32 Πλεγματικοί Εκτυπωτές Laser: τύμπανο επιστρωμένο με σελένιο: Ξεκινά κάθε στροφή με +ve ηλεκτρικό φορτίο. Οριζόντια σάρωση με laser, ανάβει όπου δεν θέλουμε εκτύπωση. Πέρασμα από μελάνι -ve φόρτισης. Επαφή με χαρτί. X 3 για έγχρωμη εκτύπωση:

33 Πλεγματικοί Εκτυπωτές Ink-Jet: εκτοξεύει CMY μελάνι από 3 jets ταυτόχρονα κατά τη σάρωση Συσκευές εκτύπωσης σε φίλμ (animation κλπ).

34 Συσκευές Εισόδου Ποντίκι: επικρατέστερη δεικτική συσκευή Σχετική κίνηση. Κουμπιά για ορισμό ενεργειών. Μπίλια (trackball): ανάποδο ποντίκι (φορητοί Η/Υ). Πληκτρολόγιο: εισαγωγή αλφαβητικών δεδομένων Ταμπλέτα: επιστρέφει απόλυτες (Χ,Υ) συντεταγμένες γραφίδας Χρήσιμη για απλή 2Δ ψηφιοποίηση ή για απλές/σταθερές επιλογές (π.χ. menu-driven προγράμματα).

35 Συσκευές Εισόδου Μεμβράνη αφής: τοποθέτηση στην οθόνη Επιστρέφει 2Δ συντεταγμένες δάκτυλου. Εύχρηστη αλλά χαμηλής ανάλυσης. Joystick: επιστρέφει κατεύθυνση (Ε,Π,Α,Δ) + ποσό μετακίνησης Ψηφιοποιητής εικόνας (image scanner): εισαγωγή 2Δ ασπρόμαυρων ή έγχρωμων εικόνων. 3Δ ψηφιοποιητής: αρκετές τεχνολογίες, χειροκίνητος ή αυτόματος.

36 Γραφική Σωλήνωση Εξόδου Θέσεις αντικειμένων και φωτεινών πηγών Θέση παρατηρητή 3Δ Μαθηματικά Μοντέλα 3Δ Μετασχ/σμοί Μοντέλου 3Δ Μετασχ/σμός Παρατήρησης Απομάκρυνση Πίσω Επιφανειών 3Δ Αποκοπή Είσοδοι (για κάθε καρέ) Παράσταση Στην Οθόνη: Σάρωση Αντιταύτιση Φωτισμός Υφή Απόκρυψη Γραμμών/ Επιφανειών 1 2 D ΣΣΟ 2 (SCS) Προβολή

37 Ερωτήσεις 1. Ποια η αρχιτεκτονική που επικρατεί στα γραφικά στους σύγχρονους υπολογιστές; Στους σύγχρονους υπολογιστές, ο κεντρικός επεξεργαστής διαβάζει το μοντέλο από μία βάση (π.χ. βάση πολυγώνων) και δέχεται εισόδους από τον χρήστη μέσω του ποντικιού και του πληκτρολογίου. Σαν συσκευή εξόδου έχει επικρατήσει να χρησιμοποιείται η πλεγματική οθόνη που περιλαμβάνει μια μνήμη για την απεξάρτηση της διαδικασίας δημιουργίας εικόνων από τη διαδικασία ανανέωσης (refresh) της οθόνης. 2. Ποιο το μειονέκτημα αυτής της αρχιτεκτονικής; Πως θα μπορούσε να βελτιωθεί μελλοντικά; Η παραπάνω αρχιτεκτονική χαρακτηρίζεται από την ύπαρξη καναλιού εξόδου (οθόνη) προς το χρήστη πολύ μεγάλης χωρητικότητας αλλά και καναλιού εισόδου (ποντίκι, πληκτρολόγιο) πολύ μικρής χωρητικότητας. Μελλοντικά, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν μέθοδοι τεχνητής όρασης και αναγνώρισης ομιλίας σε συνδυασμό με συσκευές εισόδου που πρωτοεμφανίζονται στην εικονική πραγματικότητα, όπως για παράδειγμα το γάντι εισόδου δεδομένων (data glove), για να μεταβάλλουν τη διαδικασία εισόδου ώστε να μοιάζει με τη μετάδοση δεδομένων από άνθρωπο σε άνθρωπο, αυξάνοντας έτσι τη χωρητικότητα του καναλιού εισόδου.

38 Ερωτήσεις 3. Ποιες οι διαφορές διανυσματικής και πλεγματικής οθόνης; Η διανυσματική οθόνη ήταν το πρώτο είδος οθόνης που χρησιμοποιήθηκε στα γραφικά, και χαρακτηρίζεται από το ότι η δέσμη ηλεκτρονίων μπορεί να κινηθεί ελεύθερα στην οθόνη. Όταν πρόκειται να σχεδιαστούν σημεία η ευθύγραμμα τμήματα πάνω στην οθόνη, τότε η δέσμη κατευθύνεται στο συγκεκριμένο σημείο και μετά ενεργοποιείται ή αντίστοιχα μετακινείται σε ενεργοποιημένη κατάσταση από το αρχικό στο τελικό σημείο του ευθύγραμμου τμήματος. Σε αντίθεση, η επιφάνεια της πλεγματικής οθόνης αποτελείται από ένα 2Δ πλέγμα διακριτών pixels τα οποία μπορούν να πάρουν ανεξάρτητα κάποιο χρώμα. Το φρεσκάρισμα γίνεται ανά γραμμές σάρωσης από πάνω προς τα κάτω. 3. Περιγράψτε τα βασικά τμήματα μιας πλεγματικής οθόνης. Τα βασικά τμήματα μιας πλεγματικής οθόνης είναι i. Πομπός ηλεκτρονίων ii. Δύο ζεύγη εκτροπέων (Χ και Υ) που καθορίζουν το σημείο της οθόνης που θα καταλήξει η δέσμη. Καθώς ο φώσφορος διατηρεί τη λάμψη του για περιορισμένο χρονικό διάστημα, η οθόνη θα πρέπει να φρεσκάρεται (refresh), δηλαδή να εμφανίζεται πάνω της η εικόνα, ανά τακτά χρονικά διαστήματα ακόμα και αν αυτή δεν αλλάζει.