Γραφικά Υπολογιστών: Συσκευές

1 ΤΕΙ Θεσσαλονίκης Τμήμα Πληροφορικής Γραφικά Υπολογιστών: Συσκευές Πασχάλης Ράπτης http://aetos.it.teithe.gr/~praptis praptis@it.teithe.gr

2 Περιγραφή Συσκευές εισόδου - Παροχή δεδομένων και σημάτων ελέγχου Εμφάνιση σε συσκευές εξόδου - Που εμφανίζονται οι εικόνες Σύστημα γραφικών εμφάνισης - Πως είναι οργανωμένο το σύστημα γραφικών Χρώματα - Περιγραφή και παρουσίαση χρωμάτων. Εμφάνιση στοιχειωδών σχημάτων - Περιγραφή σχημάτων με στοιχειώδη σχήματα

3 Συσκευές Εισόδου - Πληκτρολόγιο - Ποντίκι - Μικρόφωνο - Joystick - Ψηφιακή κάμερα WebCam (φωτογραφίες video) - 3D Σαρωτής

4 Συσκευές Εξόδου Συσκευές εμφάνισης: - Οθόνη καθοδικών ακτίνων (CRT) - Οθόνες πλάσματος (PDP). Ηλεκτρική φόρτιση ιονισμένων αερίων. Μεγάλες οθόνες (30-70 inches) - Οθόνη υγρών κρυστάλλων (LCD). Ιδιότητες διαμόρφωσης φωτός των υγρών κρυστάλλων (LC). - Thin-Film Transistor (TFT) - Δίοδοι εκπομπής φωτός (LED). Μικρές οθόνες ή μέρος σε μεγάλες οθόνες - Laser οθόνες TV

5 Συσκευές Εξόδου (2) Συσκευές εκτύπωσης - Ink-jet εκτυπωτής - Laser εκτυπωτής - 3D εκτυπωτές - Εγγραφή ταινιών (φιλμς) - Ηλεκτροστατικός εκτυπωτής - Pen-plotter - Γυαλιά 3 διαστάσεων (3D viewers) - Ακουστικά/γυαλιά εικονική / ενισχυμένη πραγματικότητα (VR/AR)

6 Συσκευές Εξόδου - 3D εκτυπωτές (3) 3D Color Printer prints a wrench 3D Metal Printing

7 Raster Ο όρος raster αναφερεται σε περιοχές οθόνης καθοδικών ακτίνων (CRT) ή οθόνης υγρών κρυστάλλων (LCD) όπου είναι δυνατή η απόδοση (rendering) εικόνων.

8 Raster Γραφικά Raster γραφικά ή bitmap γραφικά, είναι τα γραφικά σημείων (dots) που αναπαριστώνται σε ένα ορθογώνιο πλέγμα από pixels ή χρωματοσημεία και είναι ορατά σε μια οθόνη, σε χαρτί, ή σε άλλο μέσο προβολής. Τα raster/bitmap γραφικά εξαρτώνται από την ανάλυση της οθόνης, δηλ. δεν μπορούν να μεγεθυνθούν χωρίς να χάσουν λεπτομέρειες. Κατάλληλα για φωτογραφίες και φωτορεαλιστικές εικόνες.

9 Διανυσματικά Γραφικά (Vector graphics) Τα διανυσματικά γραφικά είναι τα γραφικά που κάνουν χρήση των βασικών γεωμετρικών σχημάτων, όπως σημεία, γραμμές, καμπύλες, πολύγωνα που βασίζονται σε μαθηματικές εκφράσεις, για την αναπαράσταση εικόνων. Μπορούν να μεγεθυνθούν χωρίς απώλεια ποιότητας. Κατάλληλα για στοιχειοθεσία (Adobe Reader) και για γραφιστική Ακατάλληλα για απόδοση σκίασης

10 Οθόνη Χαρακτήρων Κείμενο και πρωτόγονα γραφικά με συνδυασμό χαρακτήρων (text-based) Αποθήκευση σε μορφή κειμένου (.txt)

11 Raster Οθόνες (displays) Σύγχρονοι Η/Υ χρησιμοποιούν συσκευές εμφάνισης (οθόνες) που είναι raster-based. Η οθόνη φωτίζει σε ένα σύνολο από διακριτές θέσεις: raster grid Κάθε θέση-spot στην οθόνη είναι ένα pixel. Οθόνη Θέσεις του 2D raster grid

12 Raster οθόνες (displays) (2) Η δέσμη εκπομπής είναι ανοιχτή (On) για τις γραμμές σάρωσης (scan line) από αριστερά προς δεξιά. Αργή σάρωση Στην επιστροφή από δεξιά στα αριστερά η δέσμη εκπομπής κλείνει (Off) Τέλος Αρχή Γρήγορη σάρωση

13 Raster οθόνες (displays) (3) Χαρακτηριστικά Ανάλυση (resolution) είναι ο αριθμός των individual θέσεων (pixels) στο πλέγμα (grid). (width x height 2560x1440, imac) Αριθμός γραμμών Κάθετο grid spacing Aspect ratio οριζόντιο μέγεθος : κάθετο μέγεθος (16:9) DPI (dots per inch) ορίζεται από το grid spacing (π.χ. 0.22 mm) Τέλος Οριζόντιο grid spacing Αριθμός στηλών

14 Οθόνη Καθοδικών Ακτίνων (CRT) Το σύστημα γραφικών ελέγχει την τάση στην κάθοδο. -- Δέσμη ηλεκτρονίων παράγεται από το electron gun -- Η δέσμη ελέγχεται (με τάση) από οριζόντια / κάθετα πηνία -- Η δέσμη ηλεκτρονίων προσπίπτει στην επιφάνεια που είναι επικαλυπτόμενη με φώσφορο. -- Ποσότητα ενέργειας εκπέμπεται από το φώσφορο ως φως. -- Εικόνες παράγονται φωτίζοντας περιοχές της οθόνης ελέγχοντας τις εντάσεις

15 Οθόνη Καθοδικών Ακτίνων (CRT) (2) Σχεδίαση μιας-μιας γραμμής.

16 Έγχρωμη Οθόνη CRT Μία πηγή ηλεκτρονίων για κάθε ένα χρώμα κόκκινο, πράσινο και μπλέ Επικάλυψη οθόνης με τριάδα (triad) φωσφόρου: - είναι μικρότερη απ ότι το μάτι μπορεί να αναλύσει - πρόσληψη ως ένα σημείο με ένα χρώμα

17 Οθόνες πλάσματος (Plasma Display Panel) Eίναι ένας τύπος επίπεδης οθόνης συνήθως για μεγάλες τηλεοράσεις 30 ιντσών (76 cm) ή και μεγαλύτερες. Ονομάζονται οθόνες "πλάσμα" επειδή η τεχνολογία χρησιμοποιεί μικρά κελιά που περιέχουν ηλεκτρικά φορτισμένα ιονισμένα αέρια. Οι οθόνες πλάσματος είναι φωτεινές (1.000 lux ή υψηλότερη), έχουν ευρεία γκάμα χρωμάτων, και μπορεί να παραχθεί σε αρκετά μεγάλα μεγέθη, μέχρι 3,8 μέτρα (150 ) διαγώνια.

18 Οθόνες πλάσματος (2) (Plasma Display Panel) Προτερήματα: -- Παράγουν βαθύτερο μαύρο που επιτρέπει ανώτερη αναλογία αντίθεσης (contrast ratio) -- Έχουν ευρύτερη γωνία θέασης από εκείνες των οθονών LCD. -- Μικρότερη επίδραση στην θαμπάδα των κινήσεων (motion blur) απ ότι στις οθόνες LCD, εξ αιτίας της μεγάλης συχνότητας ανανέωσης (refresh rates) και της ταχύτερης χρόνο-απόκρισης (response time)

Οθόνες πλάσματος (3) (Plasma Display Panel) Μειονεκτήματα: -- Είναι επιρρεπείς στο κάψιμο της οθόνης (screen burn-in) δηλ. οι εικόνες μένουν στην οθόνη -- Χρησιμοποιούν περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια, κατά μέσον όρο, από τις οθόνες LCD. -- Λόγω των ισχυρών εκπομπών υπέρυθρων ακτίνων (infrared - IR) (που συνδέεται με την τεχνολογία), συστήματα με πρότυπα αναμετάδοσης υπερύθρων (IR) δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην αίθουσα προβολής.

20 Οθόνες πλάσματος (Plasma-Panel) Εφαρμόζοντας τάση στα ηλεκτρόδια αναγκάζει το αέριο (μίγμα που περιέχει και νέον) να μετατραπεί σε λαμπερό πλάσμα από ηλεκτρόνια και ιόντα Διηλεκτρική επίστρωση Ηλεκτρόδιο οθόνης Επικάλυψη οξειδίου μαγνησίου Γυαλί πίσω επιφάνειας Διηλεκτρική επίστρωση Ηλεκτρόδιο διεύθυνσης Pixel Γυαλί μπροστινής επιφάνειας Επικάλυψη φωσφόρου στα κελιά του πλάσματος

21 Οθόνες πλάσματος (Plasma-Panel) Εφαρμόζοντας τάση στους αγωγούς αναγκάζει το αέριο (μίγμα που περιέχει και νέον) να μετατραπεί σε λαμπερό πλάσμα από ηλεκτρόνια και ιόντα

22 Οθόνες υγρών κρυστάλλων (Liquid Crystal Displays - LCD) Χρησιμοποιούν τις ιδιότητες διαμόρφωσης του φωτός των υγρών κρυστάλλων (LC). Οι υγροί κρύσταλλοι δεν εκπέμπουν φως άμεσα. Για αυτό υπάρχει και φως στο πίσω (back-light) μέρος της οθόνης. Δυο κύριες μέθοδοι υλοποίησης του back-light -- Cold-Cathode Fluorescent Lamp (CCFL) -- LED (light-emitting diode) Χρησιμοποιούνται στις τηλεοράσεις, υπολογιστές, κινητά τηλέφωνα, παιχνίδια χειρός. Οι υγροί κρύσταλλοι στο εσωτερικό της οθόνης είναι δηλητηριώδες και δεν πρέπει να έρθουν σε επαφή με το δέρμα.

23 Οθόνες υγρών κρυστάλλων (2) Το φως που περνά από το κάθετο polarizer. Tο υγρό (nematic) κρύσταλλο στρέφει το φως ανάλογα με την τάση που εφαρμόζεται (μεγαλύτερη τάση, λιγότερο στρίψιμο) Το φως περνά μέσα από τον οριζόντιο πολωτή. H μεγάλη τάση στους δικτυωτούς διασταυρωμένους -crisscrossing αγωγούς σταματά το στρίψιμο και σβήσουν τα εικονοσημεία (pixels)

Οθόνες TFT LCD (1) 24 (Thin Film Transistor LCD) Είναι μια παραλλαγή της οθόνων υγρών κρυστάλλων (LCD), που χρησιμοποιεί λεπτή-επίστρωση-τρανζίστορ (TFT) τεχνολογία. Καλύτερη ποιότητα εικόνας ως προς τις απλές LCD -- με μεγαλύτερη αντίθεση (contrast) -- με την χρήση της matrix-διευθυνσιοδότησης Όπως και τις LCD δυο κύριες μέθοδοι υλοποίησης του back-light -- Cold-Cathode Fluorescent Lamp (CCFL) -- LED (light-emitting diode) Η μέθοδος LED έχει μικρότερη κατανάλωση ενέργειας

25 Οθόνες TFT LCD (2) (Thin Film Transistor LCD) TFT (λεπτή-επίστρωση-τρανζίστορ) Διευθυνσιοδότηση: σε κάθε pixel αντιστοιχεί και ένα τρανσίστορ.

26 OLED Οθόνες (Organic Light Emitting Diode) OLED είναι μια νέα τεχνολογία στις τηλεοράσεις και οθόνες υπολογιστών και σαφώς διαφορετική από την LCD ή TFT. -- Είναι οικονομικές, καθώς η τεχνολογία φωτισμού LED καταναλώνει έως και 40% λιγότερο ηλεκτρικό ρεύμα σε σύγκριση με την τεχνολογία LCD. -- LED χρησιμοποιεί υλικά που βασίζονται σε οργανικά πλαστικά ενώ ή LCD στο πυρίτιο. -- LED έχει μεγαλύτερη αντίθεση από τις LCD -- Πιο λεπτή σχεδίαση.

27 3D Οθόνες Οι 3D οθόνες χρησιμοποιούνται ήδη για προβολή ταινιών και έρχονται σύντομα στις τηλεοράσεις. Η αντίληψη μας για τις 3D εικόνες προέρχεται από την στέρεο όραση: το κάθε μάτι βλέπει μια διαφορετική όψη του κόσμου. Για να έχουμε την ψευδαίσθηση τριδιάστατης εικόνας, δημιουργούμε δύο εικόνες, μια εικόνα για κάθε μάτι, θεωρώντας (το κάθε μάτι) ως σημείο θέας (eye s point view) (Demo)

28 4D 4D ταινίες είναι ένας όρος του μάρκετινγκ που περιγράφει ένα σύστημα παρουσίασης ψυχαγωγίας που συνδυάζει μια 3D ταινία με φυσικά εφέ (effects) στο θέατρο που συμβαίνουν σε συγχρονισμό με την ταινία (Οι 4D ταινίες δεν είναι στην πραγματικότητα (γεωμετρικά) 4-διαστάσεων). Φυσικά εφέ: βροχή, άνεμος, κίνηση. Demo

29 Είναι η ακτινοβολία (εκπομπή) σε μια ειδική (particular) περιοχή μήκους-κύματος (wavelengths) Το φως με ένα μήκος κύματος ονομάζεται μονοχρωματικό. Φως

30 Χρώμα Το χρώμα είναι μια ιδιότητα των αντικειμένων που το μυαλό μας δημιουργεί. Εξήγηση του κόσμου που μας περιβάλει (δημιουργούμε συνέχεια VR?) Αντίληψη χρώματος - Φυσικοί παγκόσμιοι νόμοι. Α) Διάδραση ηλεκτρο-μαγνητικών κυμάτων με τα υλικά-αντικείμενα φτάνουν στα μάτια (οπτικό σύστημα). Β) κύματα μήκους γίνεται αντιληπτό από το οπτικό συστημα (ορατό φως) - Φυσιολογική μετάφραση των δεδομένων που εισέρχονται στο μάτι - Πρόσληψη και αισθητική στην επιλογή χρωμάτων. - Συστήματα χρωμάτων για την παροχή εύκολης και γρήγορης επιλογής.

31 Ανάκλαση-Εκπομπή Το φως χτυπά τα αντικείμενα-σώματα - Μερικές συχνότητες ανακλώνται άλλες απορροφόνται. - Μερικές συχνότητες περνούν, άλλες όχι.

32 Φωτορεαλισμός Πόσο κοντά στην πραγματικότητα είναι μια εικόνα που δημιουργείται-εμφανίζεται από τον Η/Υ. - Νon-photorealism (όχι λεπτομερή περιγραφή σκίτσο). - Photorealism. Πως βελτιώθηκε ο φωτορεαλισμός - Φυσική (λογισμικό υλικό) - Οπτική πρόσληψη-perception. Κατανόηση της όρασης και των κανόνων Χρειάζονται για την δημιουργία «πραγματικών» γραφικών σκηνών.

33 Φωτορεαλισμός (2) ssddd Δημιουργήθηκε από Η/Υ Πραγματική (real) φωτογραφία

34 Μίξη -Πρόσθεση- Χρωμάτων (color mixing) Όλα τα χρώματα στην οθόνη παράγονται από τον συνδυασμό του κόκκινου (Red), του πράσινου (Green) και του μπλέ (Blue).

35 Μίξη -Προσθεση- Χρωμάτων (color mixing) Η πρόσθεση χρωμάτων χρησιμοποιείται στις πλεγματικές οθόνες. (RGB μοντέλο)

36 Μίξη -Αφαίρεση- Χρωμάτων (color mixing) Όλα τα χρώματα στην οθόνη παράγονται από τον συνδυασμό του γαλάζιου (Cyan), του κίτρινου (Yellow) και του μωβ (Magenta).

37 Μίξη -Αφαίρεση- Χρωμάτων (color mixing) Η αφαίρεση χρωμάτων χρησιμοποιείται στους έγχρωμους εκτυπωπές. (CYM μοντέλο). CYMK (K=key) M magenta (0,1,0 blue (1,1,0) red (0,1,1) black cyan (1,0,0) C Y green (1,0,1)

38 RGB χρώματα μιας εικόνα

39 RGB χρώματα μιας εικόνα

40 Αρχιτεκτονική Συστήματος Γραφικών Display Processor Memory CPU Display Processor System Bus Frame Buffer System Memory Video Controller Monitor

41 Αρχιτεκτονική Συστήματος Γραφικών Διαδραστικό σύστημα γραφικών Display Processor Memory CPU Display Processor System Bus I/O Devices Frame Buffer System Memory Video Controller Monitor

42 Σύστημα γραφικών Αποτελείται: Από μια εφαρμογή που επικοινωνεί Με μια βιβλιοθήκη (πχ. OpenGL ή Direct3D) Η οποία επικοινωνεί με την κάρτα γραφικών Πληκτρολόγιο Ποντίκι Οθόνη

43 Σύστημα Γραφικών Είσοδος Μηχανή γραφικών Έξοδος Παρουσίαση Μοντέλο φωτισμού Γεωμετρικό μοντέλο Περιγραφή σκηνής Γεωμετρία & Αλγόριθμοι. Μοντελοποίηση. Μετασχηματισμοί. Rendering Εικόνες Συσκευές εμφάνισης

44 Εμφάνιση Γραφικών Πως αντικείμενα / σκηνές καταλήγουν στην οθόνη και άλλες συσκευές εξόδου;

45 Διαδραστικά Γραφικά Που οφείλεται η εξέλιξη των διαδραστικών γραφικών -- Καλύτερες συσκευές εισόδου -- Λογισμικό. Καλύτεροι αλγόριθμοι -- Υλικό. Δυνατοί επεξεργαστές (CPU). Δυνατοί GPU (Graphical Processing Unit). Εξυπνότερα γραφικά υποσυστήματα

46 Ερωτήσεις Ερωτήσεις;