Лекція з курсу «Комп’ютерна графіка»

Лекція з курсу «Комп’ютерна графіка»
Автор: доцент кафедри інноваційних та інформаційних технологій в освіті Бойчук В.М.
Лекція: «Пристрої для виведення графічної інформації»
Технічне й програмне забезпечення лекції:

• 
  персональний комп’ютер;
  
• 
  операційна система Windows XP;
  
• 
  мультимедійний проектор;
  
• 
  інтерактивна дошка;
  
• 
  плакати із зображенням кольорового круга, діаграми кольоровості та колірних моделей.
  

Література:

1. 
   Артамонов И.Д. Иллюзии зрения. – М., 1964. – 104 с.
   
2. 
   Глушаков С.В., Кнабе Г.А. Компьютерная графика: Учебный курс / Шеф-ред. С. В. Глушаков; Худож.-оформ. А.С. Юхтман. – Харьков: Фолио; М.: ООО «Издательство АСТ», 2001. – 500с.
   
3. 
   Горобець С.М. Основи комп’ютерної графіки: Навч. пос. для студ. вищих навч. закл. / За ред. М.В. Левківського. – К.: Центр навчальної літератури, 2006. – 232 с.
   
4. 
   Інженерна та комп’ютерна графіка: Підручник / В.Є. Михайленко, В.М. Найдиш та ін. За ред. В.Є. Михайленка. – 2 вид., перероб. – К.: Вища школа, 2001. – 350 с.
   
5. 
   Порев В.Н. Компьютерная графика. – СПб.: БХВ-Петербург, 2002. – 432 с.: ил.
   
6. 
   Комп’ютерний журнал «Компьютеры+программы»
   
7. 
   Комп’ютерний журнал «Мой компьютер»
   

Друкувальні пристрої

Звичайний друкувальний пристрій розташовує окремі символи один біля одного на папері, як, наприклад, друкарсь­ка машинка. Тому найчастіше говорять про послідовний (по-символьний) друк. На відміну від нього друкувальний пристрій типографського типу під час процесу друкування ви­лає на папері за визначеним правилом весь рядок (чи навіть лист) цілком і називається рівнобіжним друкувальним прист­роєм. Такий пристрій вимагає засобів проміжного збереження для накопичення повного рядка (листа). Зокрема, при друку­ванні офсетним методом засобом проміжного збереження є так звана фотоформа — алюмінієвий лист із витравленим об­разом паперового листа, що друкується.

З точки зору процесу переносу кольорів на папір друку- ' вальні пристрої можна розділити на механічні і немеханічні. На рис. 94 подана класифікація механічних методів докумен­тування. Пристрої з посимвольним методом друкують одразу цілий символ, подібно до друкарської машинки. А пристрої, які використовують растровий метод, утворюють зображення із окремих точок.



Роздільна здатність пристроїв

Найважливішою характеристикою растрових пристроїв, що формують зображення з окремих точок, є просторова роздільна здатність. Вона насамперед визначається розміром елементарної плями, а також можливостями розміщення плям. Зазвичай растрова пляма являє собою деяку область, яка змінює інтенсивність від свого центру до країв, тому для розрізнення окремих плям потрібне не дуже велике їх пере­криття.

На рис. 95 приведені випадки ситуацій, в яких можливе та неможливе розрізнення окремих плям. Якщо перетинання плям нижче рівня а 0,6 від рівня максимальної інтенсивності, то плями помітні (див. рис. 95, а). Якщо ж перетинання плям вище рівня 0,6, то плями неможливо розрізнити (див. рис. 95, б). Ця властивість використовується для підвищення якості друку (рівня опуклості) на растрових принтерах за ра­хунок часткового накладання плям.

Іншими факторами, що визначають роздільну здатність друку, є:

• 
  форма плями (кругла, еліпсоїдальна чи інша форма);
  
• 
  розподіл яскравості за плямою (за Гауссом чи іншим типом розподілу).
  

Крім просторової роздільної здатності, істотною характе­ристикою пристроїв документування є адресна роздільна здатність, тобто точність, з якою може задаватися позиція. Як правило, адресна роздільна здатність перевищує просторову або, в усякому разі, є не меншою останньої.

Адресна роздільна здатність визначає розмір пам'яті, не­обхідний для збереження відображуваного растрового образу, а також можливості по усуненню ступінчастості зображення.
Матричний принтер

Широко розповсюдженим пристроєм для виведення інформації є матричний принтер. Він дозволяє досить якісно виводити текст і формувати графічні зображення в основному для допоміжних цілей.

Основний елемент матричного принтера — друкуюча голівка, що містить від 7 до 48 вертикально розташованих го­лок із шишечками на кінцях, які виштовхуються електро­магнітами до зіткнення з фарбованою стрічкою. Принцип ро­боти однієї голки матричного принтера показаний на рис. 96, а. Найбільш поширені 9 і 24-голкові принтери. Важливою характеристикою принтера є роздільна здатність, обумовлена діаметром голки. Звичайні значення — десяті частки мілімет­ра (до 3-5 точок/мм, тобто 85-127 точок/дюйм). Адресна роздільна здатність по осі Y визначається відстанню між гол­ками (Дй на рис. 96, б) і складає до 170 точок/дюйм. Найбільш



сучасні 48-голкові матричні принтери мають роздільну здатність, яка наближається до 300 точок/дюйм.

В одноколірних принтерах фарбувальна стрічка згорнута в кільце Мебіуса так, що забезпечується використання стрічки з обох сторін. Кольорові принтери, залежно від паперу, який ви­користовується, працюють в один чи кілька проходів. Якщо ви­користовується звичайний папір, то всі кольори друкуються в кожному рядку, перш ніж відбудеться переміщення до наступ­ного рядка. Колір переключається механічно вертикальним зсу­вом фарбувальної стрічки. У більш швидкісних (і дорогих) ко­льорових принтерах, що використовують спеціальний товстий перфорований папір, стрічка складається з трьох частин: черво­ної, жовто-зеленої і синьої. Друк відбувається посторінково в три проходи голівки. При цьому можливе накладання точок різних кольорів одна на одну. Контроль за якістю друку таким способом покладається на користувача. При повторному друку­ванні точки другим та третім базовим кольором барвник з папе­ру частково переноситься на стрічку, тому стрічки швидко мас­тяться та забруднюються, особливо стрічки світлих відтінків.

Зазвичай принтери мають декілька комплектів внутрішніх шрифтів і пам'ять для завантаження шрифтів, створених користувачем. У гарних принтерах друк відбу­вається в обох напрямках проходу голівки: як зліва направо, так і справа наліво.

Принтери мають власну пам'ять для накопичення тексту, що роздруковується (до декількох десятків сторінок).

Як правило, кожний матричний принтер підтримує два режими роботи — символьний і графічний. У символьному ре­жимі принтер, використовуючи внутрішній растровий опис шрифтів, сам керує друком рядків. У графічному режимі ко­ристувач повинен сам підготувати растровий опис рядків.

Швидкість друку в символьному режимі складає близько 100-200 символів за секунду (120, 120-200, понад 200). Швидкість друку рядків у хвилину також сягає кількох сотень (до 200, 200-400, понад 400).

У найменуванні високоякісних принтерів є літери, які вказують на найвищу якість друку: NLQ — Near Letter Quality — якість, максимально наближена до якості друкарсь­кої машинки; LQ — Letter Quality — якість друкарської ма­шинки. У 9-голкових принтерах зазвичай реалізується NLQ, а в 24-голкових — LO.

Струменевий принтер

Кольоровий друк на струменевих принтерах добре підхо­дить для використання в діловій графіці. Набір сопел для чор­нила розташовується в друкуючій голівці, з більше ніж одним соплом на один субтрактивний колір. Нинішні моделі базують­ся на технологіях: "крапля по запиту", "бульбашкова технологія струменевого друку" та "Micro Piezo, Micro Dot, Micro Wave".

Принцип дії струменевого друкувального пристрою поясне­но на рис. 97. Циліндричний п'єзокерамічний кристал щільно одягнено на гумову трубку, що закінчується соплом. При подачі напруги на кристал трубка обтискається і викидає краплю чор­нила в сопло. Дросель служить для того, щоб при стисканні трубки чорнило викидалося тільки в сопло, а не в резервуар з чорнилом. Частота роботи сопел може сягати 900 герц.

Сопла одного кольору в кількості, яка необхідна для зада­ної роздільної здатності та швидкості друку, вертикально



розміщуються в друкуючій голівці. Для кольорового друку за­звичай використовують три кольори — жовтий, блакитний, малиновий. Часто додається додатковий чорний колір.

Роздільна здатність для струменевих принтерів сягає до 2400 точок на дюйм (95 точок/мм) по горизонталі і до 1200 то­чок на дюйм по вертикалі (47 точок/мм). Сумарна швидкість друку в цілому невисока — 20-50 символів у секунду і близько 90 секунд на лист формату А4 у графічному режимі.

Перевагою пристроїв струменевого друку є низьке енерго­споживання і практично безшумна робота.

У струменсвих чорно-білих принтерах фірми HP викори­стовується інший спосіб формування крапельок, показаний на рис. 98. На ізолюючу підкладку нанесені струмопідвідні провідники. На невеликій відстані від підкладки знаходиться плівка з отворами в соплах. Навпроти кожного сопла в розриві струмопідвідного провідника розміщена високоомна ділянка. Між підкладкою і плівкою із соплами утворений капіляр для підведення спеціального чорнила. Під час нроиущення імпульсу струму близько 1 А високоомна площадка швидко розігрівається, під дією теплового удару формується хвиля, що викидає крапельку чорнила із сопла.

Фірма Seiko Epson Corporation розробила нову техно­логію струменевого друку (Micro Piezo, Micro Dot і Micro Wave). Основною властивістю, яка виділяє цю технологію з-



поміж інших є керування меніском чорнила в соплі. Техно­логія дозволяє, керуючи розміром і формою чорнильних плям, підвищити швидкість викидання краплі, збільшити кількість відтінків до шести, включаючи напівтони, і уникнути зернис­тості. Принцип роботи струменевих принтерів, що використо­вують нову технологію, приведено на рис. 99.



Технологія дозволяє одержати роздільну здатність до 2880 точок на дюйм (~ 113 точок/мм), що, на відміну від тра­диційної технології друку, дає значно вищу якість (рис. 100).

Стандартом, де-факто для струменевих принтерів є прото­кол принтерів фірми Epson. Ряд принтерів підтримує мову HPGL, розроблену фірмою Хьюлетт-Паккрад для графопобу­довників.



Лазерний принтер

Лазерні принтери використовують ксерографічниіі (елек-тро-фотографічний) метод друку, що також застосовується в більшості апаратів для копіювання. В цілому лазерний прин­тер — монохромний пристрій друку. На сьогодні існують і ко­льорові лазерні принтери, які по суті являють собою конструк­тивне об'єднання кількох лазерних принтерів.
Чорно-білий лазерний принтер

Схема будови монохромного лазерного принтера показана на рис. 101. Шар фоточутливого селену, нанесений на алюмінієвий барабан, у темному боксі апарату одержує рівномірний позитивний поверхневий заряд за допомогою ко­ронного розряду. Цей фоточутливий шар є ізолятором у тем­ряві і напівпровідником при освітленні. Заряджений тонкий


шар опромінюється джерелом світла з метою створення на ньому схованого зображення у вигляді заряджених частин по­верхні. Сховане зображення стає видимим за допомогою дрібнодисперсного порошку позитивно зарядженого тонера. Синхронно з обертанням барабана переміщується звичайний папір. Часточки тонера під дією електростатичного поля пере­носяться на папір. Отримане зображення фіксується термічним способом. Перед наступним заряджанням фото­чутливий шар розряджається і очищається від часток тонера, які залишилися.

Зображення формується лазерним променем на фото­чутливому шарі у вигляді візерунка з точок. Типова роздільна здатність сучасних лазерних принтерів 600 точок/дюйм (24 точки/мм). Це забезпечує надзвичайно високу якість друку для тексту і деяких графічних зображень. Труднощі виника­ють лише при друкуванні великих чорних поверхонь. У сучас­них дорогих принтерах щільність друку доведена до 1200 то­чок/дюйм, що перевищує якість типографського друку. Обме­ження роздільної здатності у звичайних лазерних принтерах з


одним променем, що відхиляється, пов'язане з різною формою плями в центрі барабана (коло) і на краях (еліпс) (рис. 102).


Лазерний принтер — посторінковий пристрій. На сьогодні максимальна швидкість складає близько 150 сторінок за хви­лину.
Кольоровий лазерний принтер

Схема будови кольорового лазерного принтера наведена на рис. 103. Як видно з рисунка, кольоровий лазерний притер подібний до чорно-білого.

Для друку за один прохід листа паперу використовується гнучка світлочутлива стрічка, покрита шаром селену, і стрічка переносу, на якій формуються зображення для всіх чотирьох кольорів.

Зображення, сформоване на стрічці переносу, переносить­ся на папір і потім закріплюється способом нагрівання.

Кольоровий лазерний принтер являє собою конст­рукційно об'єднані чотири монохромних принтери, що працю­ють послідовно. Для більшості кольорових лазерних прин­терів швидкість чорно-білого (монохромного) друку в чотири рази перевищує швидкість кольорового друку.




Принтери на твердих барвниках

На підміну від кольорових лазерних принтерів, принтери на твердих барвниках (solid ink printers) з самого початку роз­роблялися як кольорові пристрої (рис. 104). Перед початком роботи тверді барвники розплавляються нагрівальним еле­ментом і готові до роботи впродовж робочого дня.

Розплавлені барвники потрапляють у друкуючу голівку, що забезпечує щільність друку 1200 точок/дюіім (47 го-чок/мм) по горизонталі і 600 точок/дюйм (24 точки/мм) по вертикалі. Швидкість друку 6 сторінок/хв у звичайному ре жимі, до 10 сторінок/хв у швидкому режимі і 5 сторінок/хв



при друкуванні прозорих слайдів. Важливо відзначити, що час початку друку першої сторінки складає менше 0,1 секунди проти ~ 1 с для кольорових лазерних принтерів. Це пов'язано з тим, що в лазерному принтері повинен нагріватися терморо­лик для закріплення зображення.

Істотними перевагами принтерів на твердих барвниках є простота зміни барвників: стрижні барвників додаються в міру потреби, мала кількість (два типи) компонентів, що витрача­ються, проти 5-12 для кольорових лазерних принтерів, і мож­ливість роботи з високою якістю передачі кольору на різних носіях, у тому числі і на звичайних слайдах для слайд-проек-торів.

У лабораторії фірми Тектронікс, що розробила ці принте­ри, було досягнуто швидкість друку до 100 сторінок/хв.

Графопобудовники

Призначенням графопобудовників є високоякісне доку­ментування креслярсько-графічної інформації.

Графопобудовники можна класифікувати в такий спосіб:

• 
  за способом формування креслення — з довільним ска­нуванням і растрові;
  
• 
  за способом переміщення носія — планшетні, барабанні і змішані (фрикційні, з абразивною голівкою).
  
• 
  за інструментом, який використовується (типу крес­лярської голівки), — перові, фотопобудовники, зі скрайбуючою голівкою, із фрезерною голівкою.
  

Планшетні графопобудовники

У планшетних графопобудовниках (рис. 105) носій (папір, плівка та ін.) нерухомо закріплені на плоскому столі. Закріплення або електростатичне, або вакуумне, або ме­ханічне. При документуванні інформації спеціального паперу не потрібно. Голівка переміщується в двох перпендикулярних напрямках. Розмір носія обмежений розміром планшета.

У деяких пристроях невелика за розміром голівка закріплена нерухомо, а переміщується стіл із закріпленим на ньому носієм, як це передбачено у фрезерних верстатах з чис­ловим програмним керуванням.



Графопобудовники з носієм, що переміщується

Існує три різновиди графопобудовників з носієм, що пе­реміщується:

• 
  барабанні графопобудовники, у яких носій фіксованого розміру закріплений на барабані, що обертається;
  
• 
  фрикційні графопобудовники, в яких носій пе­реміщується за допомогою фрикційних роликів. Ці графопобудовники (при рівних розмірах креслення) набагато менших габаритів, ніж барабанні. Один з ос­танніх різновидів фрикційного графопобудовника з'явився завдяки технологічним досягненням у мета­лообробці. Це графопобудовник з так званою абразив­ною голівкою, в якому валики приводу паперу виго­товлені із сталі зі спеціальною насічкою, що не заби­вається волокнами паперу;
  
• 
  рулонні графопобудовники, які подібні до фрикційних, але використовують спеціальний носій із крайовою перфорацією.
  

Загальна схема графопобудовника з носієм, що пе­реміщується, наведена на рис. 106.

Будь-яка система приводу графопобудовників з довільним скануванням використовує або крокові двигуни, шо повертаються на фіксований кут при подачі одного імпуль-



су, або виконавчу систему зі зворотним зв'язком, що містить двигуни приводу і датчики положення.

Переміщення з кроковими двигунами зазвичай викону­ються Fia 1 крок лише за одним з 8 напрямків (рис. 107). Тому для того щоб накреслити плавну криву, необхідно апроксиму-вати її прямими штрихами за цими основними напрямками.


Підвищення точності апроксимації досягається як зменшен­ням кроку, так і шляхом збільшення кількості напрямків пе­реміщення за рахунок використання додаткових пар моторів та за рахунок зміни передаточного числа.
Електростатичні графопобудовники

Електростатичні графопобудовники працюють за безудар-іііім електрографічним растровим принципом (рис. 108). Спеціальний діелектричний папір переміщується під електро­статичною голівкою, що містить голки із щільністю 40-100 на 1 сантиметр. На голках генерується негативний заряд, у ре­зультаті чого діелектричний папір заряджається і на ньому створюється сховане зображення. Потім папір проходить че­рез бокс, у якому над ним розпорошується позитивно заряд­жений тонер. Заряджені області притягують частки тонера. У кольорових системах цей процес повторюється для кожного із


основних субтрактивних кольорів — блакитного, пурпурового і жовтого, а також чорного.

Електростатичні графопобудовники швидші від перових, але повільніші від лазерних друкувальнпх пристроїв. Швидкість друку у них складає від 500 до 1000 ліній за 1 хви­лину. Вони працюють з роздільною здатністю 200-400 то­чок/дюйм. Електростатичні графопобудовники є незамінни­ми при потребі високоякісного кольорового друку для CAD-системи. Такий графопобудовник у 10-20 разів швидший від перового.

Точність друку визначається мінімально можливим зна­ченням збільшення координати. Зазвичай ці значення знахо­дяться в межах десятків мікрометрів.

Роздільна здатність визначається фактичними можливос­тями виконавчої системи і креслярської голівки. Для перових графопобудовників найчастіше ці значення є частками міліме­тра. Для фотопопобудовників — менше, ніж 10 мікрометрів.

Унікальні високоточні графопобудовники найчастіше ма­ють й унікальні протоколи керування. Найбільш поширені графопобудовники, як правило, підтримують протокол графо­побудовників фірми Хьюлетт-Паккард HPGL (Hewlett Packard Graphics Language), який містить невелику кількість графічних функцій та легко інтерпретується.

Чорно-білі кінескопи

Найпростіше влаштована чорно-біла електронно-проме­нева трубка (ЕГІТ) (рис. 109). Нагрітий катод випускає потік електронів, який фокусується електродами так, щоб пляма від


нього на екрані була розміром близько 0,1 — 0,3 мм. Далі еле­ктронний потік відхиляється спеціальною системою. У чорно-білих трубках дисплеїв найчастіше це електромагнітне відхи­лення за допомогою котушок, насаджених на горловину кіне­скопа, але використовується й електростатичне відхилення за допомогою пластин (рис. 110). Відхилений потік потрапляє на внутрішню поверхню колби, вкриту суцільним шаром люмінофора, і викликає його світіння. Напруга, що прискорює рух електронів, для таких кінескопів становить ~ 10000 В, струм потоку ~ 10 мкА. При діаметрі плями приблизно 0,25 мм



виділяється потужність близько 150 Вт/см' (в електроплитці « 7 Вт/см-).

Просторова роздільна здатність таких ЕПТ визначається діаметром плями і складає 3-10 точок/мм (85-250 то­чок/дюйм).

Адресна роздільна здатність визначається вже схемо­технічними рішеннями розроблювачів дисплея і складає для користувачів зазвичай 1024 пікселя по горизонталі (10 роз­рядів). Для зменшення ефектів ступінчастості всередині циф­рових систем розгортки векторних дисплеїв використовується 11 чи 12 розрядів.
Кольорові кінескопи

Будова кольорових кінескопів подібна до будови чорно-білих з тією відмінністю, що обов'язково містить три типи люмінофора для червоного, зеленого і синього кольорів, а та­кож засоби для формування і керування трьома окремими еле­ктронними променями (у деяких, насамперед експеримен­тальних, кольорових кінескопах використовується єдиний електронний промінь).

Перший кольоровий масковий кінескоп із трьома окре­мими електронними гарматами, установленими одна віднос­но іншої під кутом 120° , був розроблений у США в 1950 р. (кінескоп з дельтаподібним розташуванням електронних гар­мат). На рис. 111, 112 ілюструється будова такого кінескопа.

Основні параметри цих кінескопів такі: U_ail0ia « 20н-25 кВ, IS ~ 1,5н-2 мА діаметр плями ~ 0,25 мм, Р ~ 2000 Вт/см².

Основними проблемами кольорових маскових кінескопів, що визначили необхідність розробки альтернативних конст­рукцій, є такі:

• 
  великі напруги і струми;
  

• 
  слабка яскравість (на екран через маску потрапляє -20% електронів):
  

• 
  короткий термін служби;
  

Кінескопи з пленарним розташуванням електронних гармат

Найбільш масовим типом кольорового кінескопа є так званий планарний кінескоп (рис. 113), який називають також кінескопом зі штриховим люмінофором, чи кінескопом із щілинною маскою (PIL - Precision In Line). У таких кінеско­пах всі електроди елект'ронно-оптичної системи, крім ка-

Переваги планарних кінескопів:

• 
  більша прозорість маски;
  
• 
  більше заповнення екрана люмінофором;
  
• 
  більша яскравість і менше енергоспоживання;
  

• 
  для кутів відхилення менше 90° не потрібне динамічне зведення променів.
  

Трипроменевий тринітрон

Трипроменевий тринітрон подібний до планарного кіне­скопа, проте має один, а не три катоди. Окремі промені форму­ються діафрагмами. Використовується циліндрична щілинна маска. Застосовується в малогабаритних пристроях. Харак­терна риса зображень на тринітронах — тонкий горизонталь­ний штрих приблизно на 1/3 висоти екрана, викликаний кон­структивними особливостями.
Дисплеї з довільним скануванням променя (векторні дисплеї")

У векторних дисплеях зображення будується у вигляді су­купності відрізків, які виводяться окремо і достатньо точно. Основна проблема більшості векторних дисплеїв, зокрема дисплеїв на звичайних електронно-променевих трубках, поля­гає в тому, що якщо лінія креслиться один раз, то за час післясвітіння вона зникне з екрана. Рішення цієї проблеми по­лягає в тому, що побудова зображення циклічно повторюється (регенерується) з необхідною частотою (зазвичай з частотою мережі — 50 Гц). Для такої регенерації використовується дис­плейний файл, що представляє собою опис зображення. Основними якостями векторних дисплеїв є:

• 
  векторне зображення з високою роздільною здатністю;
  
• 
  динамічне представлення з перетвореннями в реально­му масштабі часу;
  
• 
  висока інтерактивність.
  

Параметри векторних дисплеїв з роздільною здатністю, досягнуті вже більше двох десятиліть назад, усе ще є пробле­матичними для растрових пристроїв. Так, дисплей СМ 7316 (НДІ периферійного устаткування, Київ, 1982 р.) міг відобра­жати без мерехтіння до 4000-6000 векторів і 4096 символів при роздільній здатності 2048x2048.

Тому такі дисплеї добре підходять для розв'язання задач САПР, в яких необхідно швидко представити велике число відрізків та відреагувати на дії користувача за короткий час.
Растрові дисплеї

Нині широкого поширення набули растрові дисплеї. Рас­тровий (телевізійний) принцип формування зображення по­лягає в розкладанні зображення на горизонтальні рядки, що складаються з окремих елементів. Виведення такого зобра­ження здійснюється незалежно від процесу побудови з одна­ковою швидкістю способом послідовного сканування по ряд­ках у напрямку вниз 25-80 разів за секунду. На відміну від векторних дисплеїв, через відділення процесу формування картини від процесу її виведення, склгідність зображення, яке не мерехтить, не має обмежень.

Хоча телебачення (аналогове) з'явилося ще в 30-і рр., ви­користання телевізійного порядкового відтворення зображень у комп'ютерній графіці стало реально можливим тільки з по­явою дешевої напівпровідникової пам'яті для збереження рас­трового зображення і прогресом у технології моніторів.

Растрові дисплеї мають найбільше поширення, це зумов­лено такими основними властивостями пристроїв цього класу:

• 
  порівняно з векторними дисплеями забезпечується ви­ща якість при меншій вартості;
  
• 
  повні колірні можливості і легкість зображення зафар­бованих поверхонь;
  
• 
  можливість сумісності з телебаченням дозволяє змішу­вати синтезовані і природні зображення та підтримува­ти нові технології в телекомунікаціях (відеотекст, сис­теми Multimedia) тощо;
  
• 
  інтерактивна комп'ютерна графіка й обробка зобра­жень можуть виконуватися в рамках однієї системи;
  
• 
  складність немерехтливого зображення практично не обмежена.
  

Основні компоненти растрового дисплея показані на рис. 114. Підсистема створення зображення формує растрове пред­ставлення сцени з опису, переданого від комп'ютера. Це пото-чечне представлення у вигляді окремих пікселів (від слово­сполучення picture element, іноді використовується



"реї" — "пел") заноситься до відеопам'яті (кадровий буфер, бу­фер регенерації, бітова карта). Відеопам'ять безупинно пост­рочно сканується відеоконтролером, який формує сигнали для монітора, що видає зображення.
Дисплеї з рідкокристалічним індикатором (РКІ)

Австрійський ботанік Friedrich Reinitzer відкрив рідкі кристали в 1888 р. У 1973 р. був створений перший дисплей на рідких кристалах (EL 8025) для переносної ЕОМ.

Рідкі кристали (PK) знаходяться в деякому числі фаз, проміжних між твердим і рідким станами. Молекули рідкого кристала — стержнеподібні органічні сполуки (рис. 115) і зна­ходяться в різних орієнтаціях у цих фазах (рис. 116).


В ізотропній фазі, що є рідкою фазою при підвищенні тем­ператури, і позиція, і орієнтація молекул випадкові.

Якщо температура знижується, то в РК відбуваються пе­реходи через різні фази, одна з яких — так звана нематична фа­за — використовується в дисплеях (twisted nematic liquid crys­tal displays — дисплеї на закручених нематичних рідких крис­талах). У цій фазі позиції молекул усе ще випадкові, але всі во­ни орієнтовані в одному напрямку.

Якщо температура знижується далі, то молекули одержу­ють періодичну упорядкованість у шарах (смектична фаза). Таким чином, при зниженні температури в РК збільшується упорядкованість і, зрештою, настає твердий стан.

Внаслідок оптичної й електричної анізотропії РК-молекул коефіцієнт переломлення залежить від напрямку поляризації світла щодо осі молекули. Ця властивість використовується для повороту поляризації при проходженні світла через закру­чену РК-структуру.

Відомо, що світло не проходить через два схрещених поля­ризатори (рис. 117).


Молекули в нематичній фазі примусово закручуються за рахунок їхнього розташування між двома скляними пластина­ми, кожна з яких має лінійне гравірування, яке перпендику­лярне до іншої. На поверхні скла молекули вимушено розміщуються вздовж гравірування, а оскільки гравірування


взаємоперпендикулярне, то між пластинами формуються пе­рекручені ланцюжки РК-молекул (рис. 118).

Відстань між пластинами складає близько 10 мкм. Залеж­но від відстані між пластинами і типу РК-кристала кут закру-ченості складає зазвичай 90° або 270° (twisted nematics і super-twisted nematics, TN і STN).

При підведенні електричного поля молекули, внаслідок їх анізотропії, орієнтуються вздовж поля. У цьому випадку лан­цюжки розкручуються, і пропадає можливість повороту пло­щини поляризації (рис. 119).



РК-дисплеї мають дна таких перехрещених поляризато­ри з перекрученим рідким кристалом між ними (рис. 120). Завдяки обертанню площини поляризації РК-ланцюжка світло проходить, і дисплей стає яскравим. При підведенні електричного поля до взаємоперпендикулярних прозорих електродів, нанесених на внутрішні сторони пластин, ефект повороту площини поляризації зникає, і відповідний піксель стає темним.



При вимиканні напруги кристал за короткий час, від пер­ших десятків до сотень мілісекунд, повертається у початковий стан.

Важливою особливістю рідких кристалів є те, що при протіканні постійного струму кристал піддається елект­ролітичній дисоціації і втрачає свої властивості, тому рідко­кристалічні індикатори живляться змінною напругою з постійною складовою не більше десятків мілівольт.

У простих індикаторах з пасивною матрицею комірки рас­тра, що складають зображення, живляться струмом послідо­вно. Для цього на провідники, що перетинаються над потрібною точкою, подають напругу. В результаті цього точка підсвічується. Завдяки тривалій релаксації і досить високій частоті сканування (~ 1 мс на рядок) зображення не мерех­тить. Природно, що такі індикатори повільні. Кольорові РК-індикатори використовують три комірки растра для форму­вання пікселя. Яскравість світіння для кожного з компонентів визначає колірний відтінок.

Для вирішення проблеми швидкодії були розроблені РК-дисплеї з активною матрицею, в яких кожен піксель забезпе­чується незалежно керованим транзистором (thin-film transis­tor, TFT). Такі дисплеї більш швидкодіючі, але мають велику вартість, тому що для кольорового дисплея 800x600 треба ма­ти 1 440 000 бездефектних транзисторів. Однак досягнення в технології їх виробництва дозволяють постійно знижувати вартість РК-дисплеїв з активною матрицею.

У цілому РК-індикатори мають такі основні характерис­тики:

• 
  товщина — приблизно 1/6 ЕПТ;
  
• 
  вага — приблизно 1/5 ЕПТ;
  
• 
  енергоспоживання — менше 1 /4 ЕПТ;
  
• 
  відсутнє мерехтіння;
  
• 
  відсутні геометричні перекручування;
  
• 
  відсутнє паразитне випромінювання;
  
• 
  ціна — приблизно ЗЕПТ;
  
• 
  невелика контрастність зображення — приблизно 1:200;
  
• 
  невелика яскравість — приблизно 200 cd/m²;
  
• 
  невелика швидкість роботи;
  
• 
  обмежений температурний діапазон роботи.
  

Варто очікувати, що з розвитком технології недоліки бу­дуть усуватися.

Нетрадиційні пристрої для виведення зображень

У системах віртуальної реальності використовуються при­строї для виведення зображень у вигляді дисплеїв, що монту­ються на голові (Head Mounted Display — HMD) з бінокуляр­ним всебічно спрямованим монітором (Binocular Omni-Orientation Monitor — BOOM), із засобами відстеження поло­ження голови (head tracking) і навіть відстеженням положен­ня ока (eye tracking). Це потрібно для створення ефекту "зану­рення" у стереоскопічні зображення і оперативної зміни сцени при поворотах голови і/або ока.

Рідкокристалічні дисплеї, що використовуються в HMD, мають зазвичай невисоку роздільну здатність. Ведуться інтен­сивні дослідження по створенню засобів відображення для си­стем віртуальної реальності, що мають високу роздільну здатність при прийнятних значеннях електромагнітних наве­день (рис. 121).



Одна з таких систем, яка використовує мініатюрні моно­хромні прецизійні електронні трубки і рідкокристалічні затво­ри, забезпечує роздільну здатність до 2000x2000. Цікавим є рішення, яке полягає у формуванні зображення лазером без­посередньо на сітківці ока, але ці пропозиції поки що далекі від комерційної реалізації.

Відстеження положення голови забезпечується або ме­ханічними підйомними системами, або комплектом інфрачер­воних або електромагнітних датчиків.
Запитання для самоконтролю

1. 
   Перелічити пристрої для виведення графічної інформації та їх основні характеристики.
   
2. 
   Що таке просторова і адресна роздільна здатність пристроїв для виведення інформації?
   

1. 
   Описати будову та принцип роботи матричного принтера.
   

3. 
   Перелічити переваги та недоліки друку за допомогою матрич­ного принтера.
   

2. 
   Яка будова та принцип роботи струменевого принтера?
   

4. 
   Назвати переваги та недоліки друку за допомогою струмене­вого принтера.
   

3. 
   Описати будову та принцип роботи лазерного принтера.
   

5. 
   Назвати переваги та недоліки друку за допомогою лазерного принтера.
   
6. 
   Описати будову та принцип роботи принтера на твердих барв­никах.
   

10. 
    Які переваги та недоліки друку за допомогою принтера на твердих барвниках?
    
11. 
    Для чого використовуються графопобудовники? Навести їх класифікацію.
    

10. 
    Описати будову та принцип роботи графопобудовників.
    

10. 
    Перелічити переваги та недоліки друку за допомогою графо­побудовників.
    

10. 
    Описати будову чорно-білої електронно-променевої трубки.