Видеосистемы

     Видеоадаптер VGA, в отличие от предыдущих видеоадаптеров IBM (MDA, CGA, EGA), использует аналоговый сигнал для передачи цветовой информации. Переход на аналоговый сигнал был обусловлен необходимостью сокращения числа проводов в кабеле. Также аналоговый сигнал давал возможность использовать VGA-мониторы с последующими видеоадаптерами, которые могут выводить большее количество цветов^[2].

     Официальным последователем VGA стал стандарт IBM XGA, фактически же он был замещен различными расширениями к VGA, известными как SVGA.

     Термин  VGA также часто используется для обозначения разрешения 640×480 независимо от аппаратного обеспечения для вывода изображения, хотя это не совсем верно (так, режим 640х480 с 16-, 24- и 32-битной глубиной цвета не поддерживаются адаптерами VGA, но могут быть сформированы на мониторе, предназначенном для работы с адаптером VGA, при помощи SVGA-адаптеров). Также этот термин используется для обозначения 15-контактного D-subminiature разъёма VGA для передачи аналоговых видеосигналов при различных разрешениях.

     VGA состоит из следующих основных  подсистем:

• Графический контроллер (Graphics Controller), посредством которого происходит обмен данными между центральным процессором и видеопамятью. Имеет возможность выполнять битовые операции над передаваемыми данными.
• Видеопамять (Display Memory), в которой размещаются данные, отображаемые на экране монитора. 256 кБ DRAM разделены на четыре цветовых слоя по 64 кБ.
• Последовательный преобразователь (Serializer или Sequencer) — преобразует данные из видеопамяти в поток битов, передаваемый контроллеру атрибутов^[3].
• Контроллер атрибутов (Attribute Controller) — с помощью палитры преобразует входные данные в цветовые значения.
• Синхронизатор (Sequencer) — управляет временны́ми параметрами видеоадаптера и переключением цветовых слоёв.
• Контроллер ЭЛТ (CRT Controller) — генерирует сигналы синхронизации для ЭЛТ.

2. Видеоадаптеры SVGA

 

     SuperVGA (англ. Super Video Graphics Array) — стандарт и реализующий его графический видеоадаптер. Обеспечивает более высокое разрешение, чем стандарт VGA. Поддерживает режимы работы с разрешением 800×600, 1024×768, 1280×1024 точек (и более) с одновременным выводом на экран 2 в 4, 8, 16, 24 степени количеством цветов.

     Сразу после появления видеоадаптера VGA многие фирмы начали выпуск новых  моделей видеоадаптеров, обеспечивающих отображение большего количества цветов и большую разрешающую способность. Такие видеоадаптеры получили общее название Super VGA или SVGA.

     Подавляющее большинство видеоадаптеров SVGA обеспечивают полную совместимость с VGA на уровне регистров. Поэтому все программное  обеспечение, разработанное для  видеоадаптера VGA, работает с видеоадаптерами SVGA без дополнительных изменений.

     

     Рисунок 3 – Видеокарта SVGA 

     Естественно, чтобы расширить возможности  видеоадаптера VGA, пришлось дополнить  его новыми регистрами. Видеоадаптеры SVGA имеют значительно больше регистров, чем простые видеоадаптеры VGA. Чтобы  видеоадаптер SVGA смог проявить все  свои возможности, необходимо, чтобы  программное обеспечение правильно  использовало все регистры видеоадаптера.

     К сожалению, SVGA не является стандартом, наподобие EGA или VGA. Различные модели видеоадаптера SVGA обладают различным  набором регистров, расположенных  по разным адресам и выполняющих  различные функции. Это значительно  затрудняет создание программ, использующих все возможности SVGA, так как такая  программа должна правильно определить тип вашего видеоадаптера и работать с ним соответствующим образом.

     Ассоциация VESA разработала стандарт на функции BIOS, позволяющие управлять видеоадаптерами SVGA. Текущая версия стандарта VESA не позволяет реализовать все возможности  современных видеоадаптеров, например, отображать геометрические фигуры с  использованием аппаратных возможностей акселераторов. Мы опишем стандарт VESA и приведем несколько примеров программирования видеоадаптеров SVGA при помощи функций BIOS.

     Самые широкие возможности для использования  видеоадаптеров SVGA предоставляет операционная система Windows. В ней используются специальные драйверы, выполняющие  всю работу по программированию видеоадаптеров на аппаратном уровне. Обычно драйверы разрабатываются самой фирмой создавшей  видеоадаптер. Поэтому кропотливая  работа с регистрами адаптера скрыта от программистов, разрабатывающих  программы Windows. Они имеют дело с  хорошо документированными высокоуровневыми функциями графического интерфейса. 

 

     

3. Мониторы

 

     Видеоадаптер посылает в монитор сигналы управления яркостью лучей и синхросигналы строчной и кадровой развёрток. Монитор преобразует эти сигналы в зрительные образы. А программные средства обрабатывают видеоизображения — выполняют кодирование и декодирование сигналов, координатные преобразования, сжатие изображений и др.з

     Монитор — устройство визуального отображения информации (в виде текста, таблиц, рисунков, чертежей и др.).

     Подавляющее большинство мониторов сконструированы  на базе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), и принцип их работы аналогичен принципу работы телевизора. Мониторы бывают алфавитно-цифровые и графические, монохромные и цветного изображения. Современные компьютеры комплектуются, как правило, цветными графическими мониторами.

1. Монитор на базе электронно-лучевой  трубки

 

     Основной  элемент дисплея — электронно-лучевая трубка. Её передняя, обращенная к зрителю часть с внутренней стороны покрыта люминофором — специальным веществом, способным излучать свет при попадании на него быстрых электронов.  

     

     Рисунок 4 – Схема строения электронно-лучевой трубки 

     Люминофор наносится в виде наборов точек  трёх основных цветов — красного, зелёного и синего. Эти цвета называют основными, потому что их сочетаниями (в различных пропорциях) можно представить любой цвет спектра. Наборы точек люминофора располагаются по треугольным триадам. Триада образует пиксель — точку, из которых формируется изображение (англ. pixel — picture element, элемент картинки).

     Расстояние между центрами пикселей называется точечным шагом монитора. Это расстояние существенно влияет на чёткость изображения. Чем меньше шаг, тем выше чёткость. Обычно в цветных мониторах шаг составляет 0,24 мм. При таком шаге глаз человека воспринимает точки триады как одну точку "сложного" цвета.

     На  противоположной стороне трубки расположены три (по количеству основных цветов) электронные пушки. Все три пушки "нацелены" на один и тот же пиксель, но каждая из них излучает поток электронов в сторону "своей" точки люминофора. Чтобы электроны беспрепятственно достигали экрана, из трубки откачивается воздух, а между пушками и экраном создаётся высокое электрическое напряжение, ускоряющее электроны. Перед экраном на пути электронов ставится маска — тонкая металлическая пластина с большим количеством отверстий, расположенных напротив точек люминофора. Маска обеспечивает попадание электронных лучей только в точки люминофора соответствующего цвета.  

     

     Рисунок 5 – Монитор на базе электронно-лучевой трубки 

     Величиной электронного тока пушек и, следовательно, яркостью свечения пикселей, управляет сигнал, поступающий с видеоадаптера.

     На  ту часть колбы, где расположены  электронные пушки, надевается отклоняющая система монитора, которая заставляет электронный пучок пробегать поочерёдно все пиксели строчку за строчкой от верхней до нижней, затем возвращаться в начало верхней строки и т.д.

     Количество  отображённых строк в секунду  называется строчной частотой развертки. А частота, с которой меняются кадры изображения, называется кадровой частотой развёртки. Последняя не должна быть ниже 85 Гц, иначе изображение будет мерцать.

2. Жидкокристаллические  мониторы

 

     Все шире используются наряду с традиционными  ЭЛТ-мониторами. Жидкие кристаллы — это особое состояние некоторых органических веществ, в котором они обладают текучестью и свойством образовывать пространственные структуры, подобные кристаллическим. Жидкие кристаллы могут изменять свою структуру и светооптические свойства под действием электрического напряжения. Меняя с помощью электрического поля ориентацию групп кристаллов и используя введённые в жидкокристаллический раствор вещества, способные излучать свет под воздействием электрического поля, можно создать высококачественные изображения, передающие более 15 миллионов цветовых оттенков.  

     Большинство ЖК-мониторов (Рисунок 6) использует тонкую плёнку из жидких кристаллов, помещённую между двумя стеклянными пластинами. Заряды передаются через так называемую пассивную матрицу — сетку невидимых нитей, горизонтальных и вертикальных, создавая в месте пересечения нитей точку изображения (несколько размытого из-за того, что заряды проникают в соседние области жидкости).  

     

     Рисунок 6 – Жидкокристаллический монитор 

     Активные  матрицы вместо нитей используют прозрачный экран из транзисторов и обеспечивают яркое, практически не имеющее искажений изображение. Экран при этом разделен на независимые ячейки, каждая из которых состоит из четырех частей (для трёх основных цветов и одна резервная). Количество таких ячеек по широте и высоте экрана называют разрешением экрана.

     Современные ЖК-мониторы имеют разрешение 642х480, 1280х1024 или 1024х768. Таким образом, экран  имеет от 1 до 5 млн точек, каждая из которых управляется собственным  транзистором. По компактности такие  мониторы не знают себе равных. Они  занимают в 2 — 3 раза меньше места, чем мониторы с ЭЛТ и во столько же раз легче; потребляют гораздо меньше электроэнергии и не излучают электромагнитных волн, воздействующих на здоровье людей.

3. Газоразрядный экран

 

     Газоразрядный экран (также широко применяется  английская калька «плазменная панель») (Рисунок 7) — устройство отображения информации, монитор, использующее в своей работе явления электрического разряда в газе и возбуждаемого им свечения люминофора.  

     

 

     Рисунок 7 – Газоразрядный монитор

     Плазменная  панель представляет собой матрицу  газонаполненных ячеек, заключенных  между двумя параллельными стеклянными  поверхностями. В качестве газовой  среды обычно используется неон или  ксенон. Разряд в газе протекает  между прозрачным электродом на лицевой  стороне экрана и адресными электродами, проходящими по его задней стороне. Газовый разряд вызывает ультрафиолетовое излучение, которое, в свою очередь, инициирует видимое свечение люминофора. В цветных плазменных панелях  каждый пиксель экрана состоит из трёх идентичных микроскопических полостей, содержащих инертный газ (ксенон) и  имеющих два электрода, спереди  и сзади. После того, как к электродам будет приложено высокочастотное  напряжение, появится емкостной высокочастотный  разряд. В межэлектродном пространстве образуется плазма. При этом она  излучает ультрафиолетовый свет, который  попадает на люминофоры в нижней части  каждой полости. Люминофоры излучают один из основных цветов: красный, зелёный  или синий. Затем цветной свет проходит через стекло и попадает в глаз зрителя. Таким образом, в  плазменной технологии пиксели работают подобно люминесцентным трубкам, но создание панелей из них довольно проблематично. Первая трудность — размер пикселя. Суб-пиксель плазменной панели имеет объём 200 мкм x 200 мкм x 100 мкм, а на панели нужно уложить несколько миллионов пикселей, один к одному. Во-вторых, передний электрод должен быть максимально прозрачным. Для этой цели используется оксид индия и олова, поскольку он проводит ток и прозрачен. К сожалению, плазменные панели могут быть такими большими, а слой оксида настолько тонким, что при протекании больших токов на сопротивлении проводников будет падение напряжения, которое сильно уменьшит и исказит сигналы. Поэтому приходится добавлять промежуточные соединительные проводники из хрома — он проводит ток намного лучше, но, к сожалению, непрозрачен.