Видеосистема компьютера

Для визуального отображения информации используется видеосистема компьютера, включающая монитор (дисплей), видеоадаптер и программное обеспечение (драйверы видеосистемы).

Монитор (дисплей) – это устройство визуального отображения текстовой и графической информации на экране кинескопа (электронно-лучевой трубке – ЭЛТ) или жидкокристаллическом экране (ЖК-экране).

Мониторы бывают алфавитно-цифровые и графические, монохромные и цветного изображения, оснащаются средствами регулировки и цветокорректировки. Мониторы могут поддерживать разные типы разрешения (количество точек в выводимом изображении по горизонтали и вертикали).

Большая часть современных настольных компьютеров используют мониторы на ЭЛТ с традиционным выгнутым или более современным плоским экраном. Принцип действия таких мониторов аналогичен принципу работы бытового телевизора. Однако в последнее время все более широкое применение находят жидкокристаллические дисплеи (LCD). Существует ряд других современных технологий производства мониторов, среди которых можно выделить следующие:

· FED (Field Emission Display) — экраны на основе автоэлектронной эмиссии;

· POD (Polyplanar Optics Display) — полипланарные оптические дисплеи;

· EL (Electro Luminescent) — электролюминесцентные мониторы;

· LED (Light Emitting Diode) — устройства на светодиодах;

· LEP (Light Emitting Polymer) — мониторы на светоизлучающих полимерах.

Большинство современных мониторов сконструированы на базе ЭЛТ, поэтому рассмотрим кратко принцип их работы (рис. 3).

В состав монитора входят: панель ЭЛТ, блок разверток, видеоусилитель, блок питания и др. В зависимости от вида управляющего лучом сигнала мониторы бывают аналоговые и цифровые.

Формируемый электронной пушкой пучок электронов, попадая на экран, покрытый люминофором, вызывает его свечение. На пути пучка электронов находятся дополнительные электроды: отклоняющая система, позволяющая изменять направление пучка, и модулятор, регулирующий яркость получаемого изображения.

Любое текстовое или графическое изображение на экране монитора компьютера состоит из множества дискретных точек люминофора, называемых пикселями, или элементами изображения (pixel — picture element), поэтому такие дисплеи называют еще растровыми.

Для формирования растра в мониторе используются специальные управляющие сигналы. В цикле сканирования луч движется по зигзагообразной траектории от левого верхнего угла экрана к нижнему правому. Прямой ход луча по горизонтали осуществляется сигналом строчной (горизонтальной), а по вертикали — кадровой (вертикальной) развертки. Перевод луча из крайней правой точки строки в крайнюю левую точку следующей строки (обратный горизонтальный ход луча) и из крайней правой позиции последней строки экрана в крайнюю левую позицию первой строки (вертикальный обратный ход луча) осуществляется специальными сигналами обратного хода с выключенной яркостью.

В цветных мониторах имеются три электронные пушки с отдельными схемами управления, а на поверхность экрана нанесен люминофор трех основных цветов: красный (Red, R), зеленый (Green, G), синий (Blue, B). В цветном кинескопе имеется либо теневая маска (Shadow Mask), либо апертурная решетка (технология Trinitron). Они служат для того, чтобы лучи электронных пушек попадали только в точки люминофора соответствующего цвета. Если теневая маска содержит систему отверстий, то апертурная решетка образует систему вертикальных щелей, выполняющих ту же функцию.

К основным параметрам мониторов относятся:

1) кадровая частота монитора (Гц) – во многом определяет устойчивость изображения (чем выше частота кадров, тем устойчивее изображение). В современных качественных мониторах поддерживается частота смены кадров на уровне не ниже 85 Гц;

2) частота строк (кГц) – определяется произведением частоты вертикальной развертки на количество выводимых строк в одном кадре (разрешающая способность по вертикали); обычно она достигает 40-50 кГц. Практически все современные мониторы мультичастотные, т.е. обладают способностью настраиваться на произвольные значения частот синхросигналов из некоторого заданного диапазона, например 30-84 кГц для строчной и 50-120 Гц для кадровой развертки;

3) полоса видеосигнала (МГц) – определяет самые высокие частоты в видеосигнале;

4) способ формирования изображения:

· построчный (non-interlaced) – все строки кадра выводятся в течение одного периода кадровой развертки;

· чересстрочный (interlaced) – за один период кадровой развертки выводятся четные строки изображения, а за следующий — нечетные;

5) размер зерна люминофора экрана монитора – определяет четкость изображения на экране. Чем меньше зерно, тем выше четкость и тем меньше устает глаз. Обычно говорят не о размерах самих точек, а о расстоянии между ними (dot pitch). Этот параметр для различных моделей мониторов может лежать в диапазоне от 0, 41 до 0, 22 мм. Нормальным уровнем считается 0, 26-0, 28 мм для ЭЛТ с теневой маской и 0, 25 мм для ЭЛТ с апертурной решеткой;

6) разрешающая способность монитора – определяется максимальным числом элементов изображения (пикселей), которые воспроизводятся по горизонтали и вертикали. Этот параметр также определяет четкость изображения. Она тем выше, чем меньше размеры точек люминофора на внутренней поверхности экрана. Зависит как от характеристик монитора, так и от характеристик видеоадаптера. Стандартные значения разрешающей способности современных мониторов; 640´ 480, 800´ 600, 1024´ 768, 1600´ 1200 и выше, но реально могут быть и иные значения;

7) типоразмер экрана монитора – размер экрана по диагонали (в дюймах). В подавляющем большинстве размеры экрана монитора составляют 9, 12, 14, 15, 16, 17, 19, 20 и 21 дюйм, при этом указывается не диагональ видимого изображения, а диагональ передней панели монитора. Область видимого изображения меньше: так для 17-дюймового монитора она может меняться от 15, 5 до 16, 2 дюймов у разных производителей.

Среди иных характеристик мониторов следует отметить следующие:

· наличие плоского или выпуклого экрана (первый вариант предпочтительнее: большая прямоугольность изображения, меньшие блики);

· уровень высокочастотного радиоизлучения (увеличивается с увеличением полосы частот видеосигнала, но значительно уменьшается при хорошем экранировании – мониторы с низким уровнем излучения типа LR (Low Radiation));

· наличие защиты экрана от электростатических полей – мониторы типа AS (Anti Static);

· наличие системы энергосбережения – мониторы типа G (Green) и др.

В табл. 2 приведены характеристики некоторых мониторов на базе ЭЛТ.

Таблица 2. Параметры мониторов для персональных компьютеров на базе ЭЛТ

В последние годы стационарные ПК стали оснащаться мониторами на жидкокристаллических кристаллах (такие экраны изначально используются в переносных ПК). Жидкий кристалл представляет собой некоторое состояние, в котором вещество обладает свойствами как жидкости (текучестью), так и твердых кристаллов (например, анизотропией). Для изготовления ЖК-экранов используют нематические кристаллы, молекулы которых имеют форму палочек или вытянутых пластинок. ЖК-элемент помимо кристаллов включает в себя прозрачные электроды и поляризаторы. В отсутствие электрического поля молекулы нематических кристаллов образуют скрученные спирали. При прохождении в этот момент луча света через ЖК-элемент плоскость поляризации его поворачивается на некоторый угол. Если на входе и выходе этого элемента поместить поляризаторы, смещенные друг относительно друга на такой же угол, то свет беспрепятственно сможет проходить через этот элемент. Если же к прозрачным электродам приложено напряжение, спираль молекул распрямляется и поворота плоскости поляризации уже не происходит. Как следствие, выходной поляризатор не пропускает свет. 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.

Экран ЖК-дисплея представляет собой матрицу ЖК-элементов. Существуют два основных метода адресации ЖК-элементов: прямой (пассивный) и косвенный (активный).

В пассивной матрице ЖК-элементов (рис. 4) выбранная точка изображения активируется подачей напряжения на соответствующие прозрачные адресные проводники – сетку невидимых нитей, горизонтальных и вертикальных, создавая в месте пересечения нитей точку изображения. В этом случае невозможно достичь высокого контраста изображения, так как электрическое поле возникает не только в точке пересечения адресных проводников, но и на всем пути распространения тока.

Эта проблема вполне разрешима при использовании активной матрицы ЖК-элементов, в которой вместо нитей используют прозрачный экран из транзисторов и обеспечивают яркое, практически не имеющее искажений изображение (рис. 5). Экран при этом разделен на независимые ячейки, каждая из которых состоит из четырех частей (для трех основных цветов и одна резервная). Количество таких ячеек по ширине и высоте экрана называют разрешением экрана. Современные ЖК-мониторы имеют разрешение 642× 480, 1280× 1024 или 1024× 768. Таким образом, экран имеет от 1 до 5 млн. точек, каждая из которых управляется собственным транзистором. Контраст при использовании активной матрицы ЖК-элементов может достигать значения от 50: 1 до 100: 1. 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. Обычно активные матрицы реализованы на основе тонкопленочных полевых транзисторов (Thin Film Transistor, TFT).

В наладонниках применяются сенсорные экраны, в которых общение с компьютером осуществляется путем прикосновения пальцем к определённому месту чувствительного экрана. Этим выбирается необходимый режим из меню, показанного на экране монитора.

Видеоадаптер (видеокарта, видеоконтроллер) – это внутрисистемное устройство ПК, предназначенное для хранения видеоинформации и ее отображения на экране монитора. Он непосредственно управляет монитором, а также процессом вывода информации на экран с помощью изменения сигналов строчной и кадровой развертки ЭЛТ монитора, яркости элементов изображения и параметров смешения цветов.

Основными узлами современного видеоадаптера являются:

· собственно видеоконтроллер (как правило, заказная БИС — ASIC),

· видео BIOS,

· видеопамять (фрейм-буфер), в качестве которой может использоваться часть оперативной памяти ПК (в архитектуре с разделяемой памятью UMA),

· специальный цифро-аналоговый преобразователь RAMDAC (Random Access Memory Digital to Analog Converter),

· кварцевый генератор (один или несколько);

· микросхемы интерфейса с системной шиной (ISA, VLB, PCI, AGP или другой).

Все современные видеосистемы могут работать в одном из двух основных видеорежимов: текстовом или графическом. В текстовом режиме экран монитора разбивается на отдельные символьные позиции, в каждой из которых одновременно может выводиться только один символ. Для преобразования кодов символов, хранимых в видеопамяти адаптера, в точечные изображения на экране служит знакогенератор, который обычно представляет собой ПЗУ, где хранятся изображения символов, «разложенные» по строкам. При получении кода символа знакогенератор формирует на своем выходе соответствующий двоичный код, который затем преобразуется в видеосигнал.

В графическом режиме для каждой точки изображения (пикселя), отводится от одного (монохромный режим) до 32 бит (цветной). Графический режим часто называют режимом с адресацией всех точек (All Points Addresable), поскольку только в этом случае имеется доступ к каждой точке изображения. Максимальное разрешение и количество воспроизводимых цветов конкретной видеосистемы в первую очередь зависят от общего объема видеопамяти и количества бит, приходящихся на один элемент изображения.

Основные характеристики видеоадаптера:

· режимы работы – текстовый и графический;

· воспроизведение цветов – монохромный и цветной;

· число цветов или число полутонов (в монохромном режиме);

· разрешающая способность – число адресуемых на экране монитора пикселей по горизонтали и вертикали;

· емкость и число страниц в буферной памяти – число страниц – это число запоминаемых текстовых экранов, любой из которых путем прямой адресации может быть выведен на отображение в мониторе;

· размер матрицы символа – количество пикселей в строке и столбце матрицы, формирующей символ на экране монитора;

· разрядность шины данных – определяет скорость обмена данными с системной шиной;

· емкость видеопамяти – определяет количество хранимых в памяти пикселей и их атрибутов.

! Для того, чтобы увидеть принцип работы видеоадаптера, оденьте наушники и выполните двойной щелчок мышью по этому рисунку:

Существует несколько стандартов видеокарт. За время существования IBM PC-совместимых ПК сменилось несколько поколений видеоадаптеров и связанных с ними стандартов представления изображения. Основными параметрами в этих стандартах являются:

· разрешение;

· количество одновременно отображаемых на экране цветов;

· частота кадровой развертки.

В настоящее время используются следующие видеоадаптеры:

1. VGA (Video Graphics Adapter), разработанный компанией IBM и обеспечивающий разрешение 640´ 480 пикселей при 16 цветах и 320´ 200 пикселей при 256 цветах. Долголетие этого адаптера объясняется тем, что применяемый с ним монитор использует аналоговый сигнал в формате RGB, в котором цвет на экране монитора формируется наложением красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue) лучей. Поэтому видеоадаптер и отклоняющая система монитора одновременно создают три соответствующих изображения. В VGA для описания интенсивности каждой из цветовых компонент использовалось 6 разрядов, что позволяло создавать до 2¹⁸ = 262144 различных цветов (но не более 256 одновременно).

2. SVGA (Super VGA) – стандарт на видеоадаптеры, превосходящие VGA по разрешению и числу цветов, который был оформлен ассоциацией VESA (Video Electronic Standards Association). В настоящее время к стандартам SVGA, действующим де-факто, относятся следующие параметры:

* Под альфа-каналом понимается степень прозрачности цвета, что часто используется в трехмерной машинной графике.

3. PGA (Professional Graphics Adapter) – профессиональный графический адаптер.

Для использования SVGA-видеорежимов ассоциация VESA предложила стандартное расширение системы команд обычного VGA, который хранится в VGA BIOS. Этот набор, называемый VESA BIOS Extension, реализуется производителем видеоадаптера либо в системе команд BIOS, либо в виде загружаемого драйвера.

Возможные для данного конкретного видеоадаптера режимы определяются количеством установленной на нем видеопамяти. На борту VGA-адаптера устанавливалось обычно 256 Кбайт памяти, для ранних SVGA характерно использование от 512 Кбайт до 2 Мбайт видеопамяти, современные видеоадаптеры начального и среднего уровня имеют объем памяти 2, 2.25, 4, 8 и 16 Мбайт, а наиболее совершенные изделия оснащены от 32 до 256 Мбайт видеопамяти. Количество видеопамяти, необходимой для поддержки того или иного режима, вычисляется так:

.

Так можно получить максимально возможные разрешения для различных объемов видеопамяти (следует иметь в виду, что на предельном по разрешению режиме видеокарта, как правило, имеет недопустимо низкие частоты кадровой развертки):

Здесь приведены максимальные разрешения, начиная с которых поддерживается заданная глубина цвета. Отсюда видно, что 16 Мбайт видеопамяти удовлетворяют все мыслимые на сегодняшний день потребности для всех размеров мониторов. Больший объем видеопамяти нужен только для поддержки функций ускорения трехмерной графики.

Технологии, используемые в видеоадаптерах, относятся к динамической оперативной памяти, работа которой имеет ряд особенностей:

1) доступ к ней осуществляется достаточно крупными блоками;

2) она должна быстро перезаписывать большие объемы данных без прерывания процедуры считывания, так как образ картинки, формируемой на экране монитора, постоянно считывается из этой памяти с частотой кадровой развертки монитора, и одновременно в эту же память ОС осуществляет запись, в результате чего происходит изменение изображения.

Эту задачу наиболее эффективно решает двухпортовая RAM, для которой возможно одновременное считывание данных системой развертки и запись. Двухпортовая память представлена дорогостоящей VRAM (Video RAM) и более дешевой и быстрой WRAM (Window RAM). В системах с двухпортовой памятью увеличение частоты развертки не приводит к снижению производительности видеоадаптера, поэтому в профессиональных моделях, рассчитанных на использование с большими (19 дюймов и более) мониторами, применяется преимущественно такая видеопамять.

Для ускорения доступа к памяти со стороны графического ускорителя (что особенно важно в 3D-акселераторах) используется либо память Multibank DRAM (MDRAM) с распараллеливанием операций доступа к данным между большим количеством банков памяти, либо синхронная графическая память SGRAM, либо обычная SDRAM.

Современные видеоадаптеры также используют память типа SDR или DDR SDRAM.

Важным показателем видеоадаптера является максимальная частота работы цифро-аналогового преобразователя RAMDAC, который должен успеть опросить все пиксели кадра столько раз, сколько раз в секунду перерисовывается кадр, поскольку в один момент времени он может обрабатывать только один пиксель.

При рекомендуемой VESA частоте кадровой развертки 85 Гц для перечисленных разрешений частота работы RAMDAC должна составлять как минимум:

· 640´ 480 27 МГц;

· 800´ 600 41 МГц;

· 1024´ 768 67 МГц;

· 1152´ 864 85 МГц;

· 1280´ 1024 112 МГц;

· 1600´ 1280 (или 1200) 175 МГц;

· 1800´ 1350 207 МГц.

На практике эта частота выше, поскольку существует еще обратный ход луча развертки, во время которого изображение не выводится, поэтому перечисленные значения следует увеличить на 10-20%.

Большинство массовых видеокарт в настоящее время оснащены встроенным в графический процессор RAMDAC на 120-135 МГц, чего вполне хватает для режимов вплоть до разрешения 1280´ 1024, что актуально для массовых мониторов с диагональю до 19 дюймов включительно. Лимитирующим фактором в установке высоких частот кадровой развертки является скорее быстродействие видеопамяти, а не RAMDAC. Частота 135 МГц выбрана не случайно: именно до этой частоты сигнальный кабель монитора способен передавать сигнал без искажений. Для достижения больших разрешений и больших частот кадровой развертки применяются видеокарты с RAMDAC на 220-350 МГц, и видеопамятью типа SDR или SGRAM, 21-дюймовый или больший монитор и специальный коаксиальный (BNC) сигнальный кабель, способный без искажений передавать видеосигнал от видеокарты к монитору. Подобные видеокарты выпускаются компаниями nVidia, Matrox, ATI, Number Nine.

Изображение, которое отображается на экране монитора, представляет собой выводимое цифро-аналоговым преобразователем RAMDAC и устройством развертки содержимое видеопамяти. Это содержимое может изменяться как центральным процессором, так и графическим процессором видеокарты — ускорителем двухмерной графики (2D-ускорители, 2D-акселераторы, GDI-акселераторы). Современные оконные интерфейсы требуют быстрой (за десятые доли секунды) перерисовки содержимого экрана при открытии/закрытии окон, их перемещении и т.п., иначе пользователь будет чувствовать недостаточно быструю реакцию системы на его действия. Для этого процессор должен был бы обрабатывать данные и передавать их по шине со скоростью, всего в 2-3 раза меньшей, чем скорость работы RAMDAC, а это десятки и даже сотни мегабайт в секунду, что практически нереально даже по современным меркам. Для повышения быстродействия системы были разработаны локальные шины, а позднее — 2D-ускорители, которые представляют собой специализированные графические процессоры, способные самостоятельно рисовать на экране курсор мыши, элементы окон и стандартные геометрические фигуры, предусмотренные GDI — графической библиотекой Windows.

2D-ускорители обмениваются данными с видеопамятью по своей собственной шине, не загружая системную шину процессора. По системной шине 2D-ускоритель получает только GDI-инструкции от центрального процессора, при этом объем передаваемых данных и загрузка процессора в сотни раз меньше.

Современные 2D-ускорители имеют 64- или 128-разрядную шину данных, причем для эффективного использования возможностей этой шины на видеокарте должно быть установлено 2 или 4 Мбайт видеопамяти соответственно, иначе данные будут передаваться по вдвое более узкой шине с соответствующей потерей в быстродействии.

Микросхемы 2D-ускорителей производят компании nVidia, ATI, Cirrus Logic, Chips& Technologies, Matrox, Number Nine, S3, Trident, Tseng Labs и др.

Под мультимедиа-акселераторами понимают устройства, которые помимо ускорения обычных графических операций могут также выполнять ряд операций по обработке видеоданных от разных источников. Прежде всего, это функции по ускорению вывода видео в форматах AVI, Indeo, MPEG-1 и других. Проблема в том, что видеофильм в формате NTSC идет со скоростью 30 кадров в секунду, PAL и SECAM — 25 кадр/с. Скорость смены кадров в цифровом видео перечисленных форматов также меньше или равна 30 кадр/с, однако разрешение изображения редко превышает 320´ 240 пикселей. При этих параметрах скорость поступления информации составляет порядка 6 Мбайт/с и процессор успевает выполнить ее декомпрессию и пересылку по шине в видеопамять. Однако такой размер изображения слишком мал для комфортного просмотра на экране, поэтому его обычно масштабируют на весь экран. В этом случае скорость потока данных возрастает до десятков и сотен мегабайт в секунду. Это обстоятельство привело к появлению видеоакселераторов, которые умеют самостоятельно масштабировать видео в форматах AVI и MPEG-1 на весь экран, а также выполнять сглаживание отмасштабированного изображения, чтобы оно не выглядело, как набор квадратиков. Подавляющее большинство современных 2D-ускорителей являются в то же время и видеоускорителями.

К мультимедиа-функциям также относят аппаратную цифровую компрессию и декомпрессию видео, наличие композитного видеовыхода, вывод TV-сигнала на монитор, низкочастотный видеовход и высокочастотный TV-вход, модуль для работы с телетекстом и другие функции.

3D-акселераторы – видеоадаптеры, способные ускорять операции трехмерной графики. В ПК трехмерные объекты представляются с помощью геометрических моделей, состоящих из сотен и тысяч элементарных геометрических фигур. Задаются также пространственное положение источников света, отражательные свойства материала поверхности объекта, степень его прозрачности и т.п. При этом некоторые объекты могут частично загораживать друг друга, между ними может переотражаться свет; пространство может быть не абсолютно прозрачным, а затянутым туманом или дымкой. Для большего реализма необходимо учесть и эффект перспективы. Чтобы поверхность смоделированного объекта не выглядела искусственной, на нее наносится текстура — двухмерная картинка небольшого размера, передающая цвет и фактуру поверхности. Все перечисленные трехмерные объекты с учетом примененных к ним эффектов должны в конечном итоге быть преобразованы в плоское изображение. Эту операцию, называемую рендерингом, и выполняет 3D-ускоритель.

Для поддержки функций 3D-ускорителя существует несколько интерфейсов прикладного программирования, или API (Application Program Interface), позволяющих приложению стандартным образом использовать возможности 3D-ускорителя. На сегодняшний день существует множество таких интерфейсов, среди которых наиболее известны Direct3D (Microsoft), OpenGL (Silicon Graphics), Glide (3Dfx), 3DR (Intel), Heidi (Autodesk), RenderGL (Intergraph).

В настоящее время наиболее известны 3D-ускорители на чипсетах nVidia GeForce, nVidia Riva TNT2, 3Dfx Voodoo, ATI Rage 128 Pro, ATI Radeon, Matrox G400 (G450), S3 Savage4 (Savage2000). На базе этих чипсетов производятся собственно видеокарты.