Файловый архив студентов. Файловый архив студентов.
1330 вузов, 5513 предметов.
/ Регистрация
FAQ Обратная связь Вопросы и предложения
Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Восточноукраинский национальный университет им. В. Даля
Предмет:
[НЕСОРТИРОВАННОЕ]
Файл:
устройство комп.docx
Скачиваний:
0
Добавлен:
01.07.2025
Размер:
6 Мб
Скачать
☆
►Содержание►

Технологія тривимірної графіки

Практично у всіх прискорювачах тривимірної графіки застосовуються описані нижче технології.

  • Затуманення. Імітація газу або туману в іграх.

  • Затінювання Гуро. Інтерполяція кольорів для згладжування нерівностей кола і сфери.

  • Альфа-змішування. Одна з перших технологій тривимірної графіки, використовувана для створення реалістичних об'єктів, наприклад "прозорого" диму, води і скла.

Нижче перераховані технології, найчастіше використовувані в сучасних прискорювачах тривимірної графіки.

  • Буфер шаблонів. Активно використовується в іграх (особливе в жанрі авіасимуляторів) при моделюванні ландшафту, літаків і інших об'єктів поза скляною кабіною льотчика.

  • Z-буферизація. Спочатку застосовувалася в системах автоматизованого проектування. Частина відеопам'яті, відведена під Z-буфер, містить інформацію про глибину сцени. При візуалізації ця інформація використовується для побудови закінченого зображення: пікселі, які розташовуються ближче, будуть візуалізовані, на відміну від пікселів, закритих іншими об'єктами.

  • Рельєфне текстурірованіє. Призначено для відтворення спеціальних світлових ефектів, таких, як водні брижі, каміння і інші складні поверхні. Це додає велику реалістичність ігровим сценам і ландшафтам.

  • Поліпшені технології накладення текстур. Для візуалізації тривимірних сцен з високим ступенем деталізації необхідно застосовувати спеціальні методи накладення текстур, які усувають небажані ефекти і роблять сцени реалістичнішими.

  • Білінейная фільтрація. Поліпшення якості зображення невеликих текстур, поміщених на великі багатокутники. Ця технологія усуває ефект "блоковості" текстур.

  • Множинне відображення. Поліпшення якості відображення об'єктів шляхом формування послідовності текстур одного і того ж зображення з роздільною здатністю, що зменшується; є різновидом згладжування.

  • Трілінейная фільтрація. Комбінація білінейной фільтрації і так званого накладення mip mapping (текстури, що мають різний ступінь деталізації залежно від відстані до точки спостереження).

  • Анізотропна фільтрація. Використовувана в деяких відеоадаптерах, дозволяє зробити сцену ще реалістичнішої. Проте ця технологія поки не набула належного поширення через високі вимоги до апаратної частини відеоадаптера.

  • Однопрохідна або мул'тіпроходная візуалізація. У різних відеоадаптерах застосовуються різні технології візуалізації. В даний час практично у всіх відеоадаптерах фільтрація і основна візуалізація виконуються за один прохід, що дозволяє збільшити частоту кадрів.

  • Апаратне або програмне прискорення. При апаратний виконуваній візуалізації досягається набагато краща якість зображень і швидкість анімації, ніж при програмній. Використовуючи спеціальні драйвери, нові відеоадаптери виконують всі потрібні обчислення з нечуваною раніше швидкістю. Для роботи з програмами тривимірної графіки, а також для сучасних ігор це технологічне рішення просте неоцінимо.

  • Щоб забезпечити таку продуктивність, більшість відеоадаптерів працює на високих частотах (іноді перевищуючих робочу частоту мікросхеми, тобто розігнані), а отже, виділяють велику кількість тепла. Для усунення перегріву застосовуються вентилятори і теплоотводи (мал. 15.12).

  • Повноекранне згладжування. Зменшення нерівностей, що виникають при збільшенні дозволу, за допомогою згладжування колірних меж для забезпечення плавних колірних переходів. Раніше згладжування використовувалося тільки для певних об'єктів; сучасні акселератори, створені компаніями nVidia і АІ, дозволяють використовувати цю технологію для всього екрану.

  • Сполучення/згладжування вершин. Згладжування областей зчленовувань двох полігональних об'єктів, наприклад рук або ніг з тілом анімованого персонажа. Для виконання функції сполучення вершин у відеоадаптерах серії GeForce компанії nVidia використовується двохматрична технологія на програмній основі, а в процесорі RADEON компанії ATI використовується, у свою чергу, чотирьохматричне сполучення, підтримуване на апаратному рівні.

  • Інтерполяція ключового кадру або трансформація вершин. Пожвавлення переходу від одного виразу обличчя до іншого, що дозволяє за відсутності скелетної анімації зробити міміку обличчя реалістичнішої. Для отримання докладнішої інформації звернетеся на Web-вузол компанії ATI.

  • Програмована трансформація вершин і обробка півтонів. Технологія nfiniteFX компанії nVidia (відеоадаптер GeForceS), дозволяюча розробникам програмного забезпечення модифікувати ефекти на зразок сполучення вершин і обробки півтонів (поліпшений метод перетворення неправильних поверхонь). Це дозволяє позбавитися застосування щодо малої кількості ефектів з наперед певними характеристиками.

По мере развития ПК видеоадаптеры стали реализовывать аппаратное ускорение 2D- и SD-графики, обработку видеосигналов, прием телевизионных сигналов и многое другое. Современный видеоадаптер, называемый Super VGA (Super Video Graphics Adapter), или SVGA, представляет собой универсальное графическое устройство. Видеоадаптер определяет следующие характеристики видеосистемы:

  • максимальное разрешение и максимальное количество отображаемых оттенков цветов;

  • скорости обработки и передачи видеоинформации, определяющие производительность видеосистемы и ПК в целом.

Кроме того, в функцию видеоадаптера включается формирование сигналов горизонтальной и вертикальной синхронизации, используемых при формировании растра на экране монитора. ^ Принцип действия видеоадаптера состоит в следующем. Процессор формирует цифровое изображение в виде матрицы NxM n-разрядных чисел и записывает его в видеопамять. Участок видеопамяти, отведенный для хранения цифрового образа текущего изображения (кадра), называется кадровым буфером, или фрейм-буфером. Видеоадаптер последовательно считывает (сканирует) содержимое ячеек кадрового буфера и формирует на выходе видеосигнал, уровень которого в каждый момент времени пропорционален значению, хранящемуся в отдельной ячейке. Сканирование видеопамяти осуществляется синхронно с перемещением электронного луча по экрану ЭЛТ. В результате яркость каждого пиксела на экране монитора пропорциональна содержимому соответствующей ячейки памяти видеоадаптера. По окончании просмотра ячеек, соответствующих одной строке растра, видеоадаптер формирует импульсы строчной синхронизации, инициирующие обратный ход луча по горизонтали, а по окончании сканирования кадрового буфера формирует сигнал, вызывающий движение луча снизу вверх. Таким образом, частоты строчной и кадровой развертки монитора определяются скоростью сканирования содержимого видеопамяти, т.е. видеоадаптером. ^ 1. Режимы работы видеоадаптера Режимы работы видеоадаптера, или видеорежимы, представляют собой совокупность параметров, обеспечиваемых видеоадаптером: разрешение, цветовая палитра, частоты строчной и кадровой развертки, способ адресации участков экрана и др. Все видеорежимы делятся на графические и текстовые. Причем в различных режимах видеоадаптера используются разные механизмы формирования видеосигнала, а монитор в обоих режимах работает одинаково. ^ Графический режим является основным режимом работы видеосистемы современного ПК, например под управлением Windows. В графическом режиме на экран монитора можно вывести текст, рисунок, фотографию, анимацию или видеосюжет. В графическом режиме в каждой ячейке кадрового буфера (матрицы NxM n-разрядных чисел) содержится код цвета соответствующего пиксела экрана. Разрешение экрана при этом также равно NxМ. Адресуемым элементом экрана является минимальный элемент изображения — пиксел. По этой причине графический режим называют также режимом АРА (All Point Addressable —все точки адресуемы). Иногда число п называют глубиной цвета. При этом количество одновременно отображаемых цветов равно 2n, а размер кадрового буфера, необходимый для хранения цветного изображения с разрешением NxM и глубиной цвета п, составляет NxM бит. В текстовом (символьном) режиме, как и в графическом, изображение на экране монитора представляет собой множество пикселов и характеризуется разрешением NxM. Однако все пикселы разбиты на группы, называемые знакоместами, или символьными позициями (Character boxes — символьные ячейки), размером р х q. В каждом из знакомест может быть отображен один из 256 символов. Таким образом, на экране умещается M/q= M, символьных строк по N/p= N, символов в каждой. Типичным текстовым режимом является режим 80x25 символов. Изображение символа в пределах каждого знакоместа задается точечной матрицей (Dot Matrix). Размер матрицы зависит от типа видеоадаптера и текущего видеорежима. Чем больше точек используется для отображения символа, тем выше качество изображения и лучше читается текст. Точки матрицы, формирующие изображение символа, называются передним планом, остальные — задним планом, или фоном. На рис. 4.16 показана символьная матрица 8x8 пикселов. Допустив, что темной клетке соответствует логическая единица, а светлой — логический ноль, каждую строку символьной матрицы представим в виде двоичного числа. Следовательно, графическое изображение символа можно хранить в виде набора двоичных чисел. Для этой цели используется специальное ПЗУ, размещенное на плате видеоадаптера. Такое ПЗУ называют аппаратным знакогенератором. Рис. 4.16. Схема представления символа «А» в текстовом режиме в матрице 8x8 и ячейке знакогенератора Совокупность изображений 256 символов называется шрифтом. Аппаратный знакогенератор хранит шрифт, который автоматически используется видеоадаптером сразу же после включения компьютера (обычно это буквы английского алфавита и набор специальных символов). Адресом ячейки знакогенератора является порядковый номер символа. Для кодирования изображения символа на экране используются два байта: один — для задания номера символа, второй — для указания атрибутов символа (цвета символа и фона, подчеркивания, мигания, отображения курсора). Если на экране имеется NxM знакомест, то объем видеопамяти, необходимый для хранения изображения, составит Nt х Мt х 2 байт. Эту область видеопамяти называют видеостраницей. Видеостраница является аналогом кадрового буфера в графическом режиме, но имеет значительно меньший объем. В наиболее распространенном текстовом режиме (80х25 символов) размер видеостраницы составляет 4000 байт, в режиме 40х25 — 2000 байт. На практике для удобства адресации под видеостраницу отводят 4 Кбайт = 4096 байт и 2 Кбайт = 2048 байт соответственно, при этом «лишние» байты (96 и 48) не используются. Главная особенность текстового режима в том, что адресуемым элементом экрана является не пиксел, а знакоместо. Иными словами, в текстовом режиме нельзя сформировать произвольное изображение в любом месте экрана — можно лишь отобразить символы из заданного набора, причем только в отведенных символьных позициях. Другим существенным ограничением текстового режима является узкая цветовая палитра — в данном режиме может быть отображено не более 16 цветов. Таким образом, в текстовом режиме предоставляется значительно меньше возможностей для отображения информации, чем в графическом. Однако важное преимущество текстового режима — значительно меньшие затраты ресурсов ПК на его реализацию. Переход к более высокому разрешению и большей глубине цвета привел к увеличению загрузки центрального процессора и шины ввода/вывода. В целях разгрузки центрального процессора решение отдельных задач построения изображения было возложено на специализированный набор микросхем (Chipset) видеоадаптера, называемый графическим ускорителем, или акселератором. Акселератор аппаратным путем выполняет ряд действий, направленных на построение изображения. ^ 2. Основные типы видеоадаптеров. С момента появления и до наших дней сменилось несколько типов видеосистем. К базовым классам видеосистем можно отнести следующие.  2.1. Адаптер MDA. Первые модели IBM PC были оснащены монохромным дисплеем с люминофором зеленого свечения. Для связи этого дисплея с компьютером использовался видеоадаптер типа MDA (Monochrome Display Adapter — Адаптер монохромного дисплея). Он работал только в текстовом режиме 80x25 символов. Символьная матрица (знакоместо) была размером 9x14 пикселов, поэтому разрешение, поддерживаемое монитором MDA, составляло 720x350 пикселов, а размер самого символа -- 7x9 пикселов. Емкость видеопамяти видеоадаптера MDA была минимальной, достаточной для размещения только одной видеостраницы размером 4 Кбайт. Основу видеоадаптера MDA составляла микросхема МС6845 фирмы Motorola. 2.2. Адаптер CGA. Видеосистема CGA включала в себя цветной TTL-монитор и видеоадаптер CGA (Color Graphics Adapter— Цветной графический адаптер). Главные отличия этой видеосистемы от MDA отражены в ее названии, т. е. она обеспечивала: цветное изображение (от 4 до 16 цветов); несколько графических режимов работы видеоадаптера. Максимальное разрешение монитора CGA составляло 640x200. Такое разрешение использовалось либо в текстовом 80x25 (при размере знакоместа 8x8), либо в монохромном графическом режиме. В последнем случае для хранения цифрового образа экрана требовался кадровый буфер размером 640x480x1 = 128 000 бит = 15,625 Кбайт. Поэтому объем видеопамяти видеоадаптера CGA составлял 16 Кбайт. При работе в графическом режиме с более низким разрешением (например 320x200) для кодирования цвета каждого пиксела использовалось 2 бита, благодаря чему обеспечивалось одновременное отображение 4-х цветов, а при разрешении 200x160 — 16-и цветов. В текстовом режиме были доступны все 16 цветов. Видеоадаптер CGA также выполнен на основе микросхемы МС6845. Меньшая детальность прорисовки символа и малое межсимвольное расстояние, использованные в CGA, настолько ухудшили различимость текста по сравнению с MDA, что длительная работа в текстовом режиме стала крайне утомительна для глаз. Для совмещения главных достоинств CGA (графического режима и цветного изображения) с возможностью продуктивно работать в текстовых режимах, в PC могли быть установлены обе видеосистемы одновременно. Чтобы исключить конфликты, были разнесены адреса видеопамяти и управляющих регистров на видеоадаптерах CGA и MDA. Интересная особенность видеоадаптера CGA — он может использовать обычный телевизор в качестве устройства отображения. Для этого видеоадаптер CGA был оснащен специальным кодирующим устройством, которое из четырех двоичных сигналов I, R, G, В и сигналов синхронизации формируеткомпозитный (совмещенный) полный цветной телевизионный сигнал (ПЦТС). 2.3. Адаптер HGC. Стандарт HGC (Hercules Graphics Card), разработанный фирмой Hercules в 1982 г., явился логичным решением, позволившим объединить в одном изделии возможности MDA, обеспечивающие высококачественное отображение текста, с поддержкой графического режима CGA. Часто видеоадаптеры этого стандарта называют картами Hercules). Поскольку в качестве устройства отображения для данного видеоадаптера использовался стандартный монохромный монитор видеосистемы MDA, видеоадаптеры HGC быстро завоевали популярность и де-факто стали единственным стандартом в, области видеосистем для PC, разработанных за пределами фирмы IBM. По своему разрешению (720x348) видеоадаптер HGC подобен карте MDA. Соответственно, одинаковы у них и размеры символьной матрицы для текстового режима — 9x14 пикселов. В качестве видеоконтроллера в HGC используется уже известная микросхема МС6845. Длина первых карт Hercules равнялась примерно 30 см; на их платах размещалось около 100 отдельных корпусов микросхем. Карты, производимые позднее, объединяли все элементы в одном чипе, таком как, например, микросхема контроллера TD3088. Обычно на такой карте находится еще и параллельный порт для подключения принтера. Однако, несмотря на все перечисленные выше достоинства, видеоадаптеры данного типа имели существенный недостаток — монохромность изображения. По этой причине их широкое использование практически прекратилось с появлением новых видеоадаптеров фирмы IBM — EGA и VGA. 2.4. Адаптер EGA. Новый видеоадаптер EGA (Enhanced Graphics Adapter — Улучшенный графический адаптер) обеспечивал более высокое разрешение по вертикали, большее количество отображаемых цветов и обладал более высоким быстродействием. Максимальное разрешение, обеспечиваемое видеосистемой EGA, составило 640x350, что позволило значительно повысить качество изображения в текстовом и графическом режимах работы по сравнению с CGA. Благодаря увеличению размера знакоместа до 8x14 (размер символа составил 7x9) значительно повысилась четкость отображения текста. По сравнению с CGA в видеоадаптере EGA была усовершенствована схема кодирования цвета пиксела: вместо четырех двоичных сигналов использовалось шесть, что увеличило размер палитры до 64 оттенков. Однако количество одновременно отображаемых цветов по-прежнему было ограничено шестнадцатью. Применение 16-цветной палитры при разрешении 640x350 потребовало резко увеличить объем видеопамяти: в первых моделях видеоадаптера EGA было установлено 64 Кбайт видеопамяти, в дальнейшем размер видеопамяти был увеличен до 128 Кбайт. Видеоадаптер EGA имел еще одну важную особенность, существенную для неанглоязычных пользователей PC: наряду с аппаратным знакогенератором он позволял использовать и программный, т. е. загружаемые шрифты. Это значительно облегчило поддержку национальных языков. Для видеоадаптера EGA характерно наличие DIP-переключателей на задней панели блока, при помощи которых производится настройка видеоадаптера на конкретный режим работы: выбор цветного или монохромного режима, количества текстовых столбцов (40 или 80), выбор разрешения по вертикали, а также ряд других настроек. Необходимость такой настройки диктовалась возможностью использования различных мониторов совместно с видеоадаптером EGA. Поскольку выходной 9-штырьковый разъем видеоадаптера EGA по конструкции и назначению контактов аналогичен разъемам CGA и MDA, вместе с EGA могли использоваться три типа мониторов: монохромный монитор MDA; цветной монитор CGA; Цветной монитор EGA — (Enhanced Color Display, ECU)  При подключении к видеоадаптеру EGA улучшенного цветного дисплея использовались более высокие частоты строчной и кадровой развертки, снижающие мерцание экрана монитора. Многие модели видеоадаптеров EGA унаследовали от CGA возможность вывода композитного видеосигнала на обычный телевизор или композитный монитор. Такие модели имеют на задней панели разъем типа RCA. Хотя видеосистема EGA была намного лучше, чем CGA, качество формируемого ею изображения по-прежнему нельзя было считать удовлетворительным по причине ограниченного количества одновременно отображавших цветов (16). Поэтому судьба видеосистемы EGA была предрешена. Ее не спасло даже появление расширения стандарта EGA — видеосистемы EGA-плюс, которая обеспечивала более высокое разрешение 800x600 и отображение 16-и цветов. Эта новинка просто не успела получить широкого распространения, т. к. вскоре появилась принципиально новая видеосистема VGA, позволившая радикально улучшить качество изображения на экране монитора PC. 2.5. Адаптеры VGA. Размер цветовой палитры в видеосистемах CGA и EGA ограничивался не столько видеоадаптером (объемом видеопамяти), сколько цифровыми мониторами, не позволявшими использовать более шести двоичных сигналов для кодирования цвета. Понимая это, специалисты фирмы IBM приняли гениальное и простое решение — вернуться к аналоговому видеосигналу, используемому в обычном телевизоре. В итоге вместо многоразрядного цифрового сигнала видеоадаптер стал формировать трехкомпонентный аналоговый RGB-сигнал, который после усиления подавался на модуляторы электронных пушек ЭЛТ. Так появилась видеосистема VGA, включающая новый аналоговый цветной монитор и встроенный в материнскую плату видеоадаптер VGA. Впервые она была использована в компьютере IBM PS/2 (Personal System). В дальнейшем видеоадаптеры VGA стали выпускать в виде отдельных плат, устанавливаемых в 16-разрядный слот шины ISA. Существует несколько вариантов расшифровки аббревиатуры VGA. Первоначально она обозначала название сверхбольшой интегральной схемы (СБИС), в которой были реализованы основные узлы видеоадаптера (Video Gate Array — Вентильная матрица для формирования видеосигнала). Однако потом нюансы внутреннего устройства таких адаптеров отошли на второй план, а расшифровка этих аббревиатур стала отражать их функциональные особенности. Была также учтена созвучность данных аббревиатур с названиями предыдущих видеоадаптеров (CGA, EGA), в которых сочетание GA (Graphics Adapter) означалографический адаптер. В итоге, VGA стали расшифровывать как Video Graphics Adapter — графический адаптер, формирующий видеосигнал (т. е. аналоговый сигнал). Основным конструктивным отличием видеоадаптера VGA от своего предшественника (EGA) стало наличие специальной микросхемы — RAMDAC (RandomAccess Memory Digital-to-Analog Converter — Цифро-аналоговый преобразователь данных, хранимых в ОЗУ). RAMDAC представлял собой быстродействующий трехканальный ЦАП, оснащенный 256-ю регистрами цвета, образующими его собственное маленькое ОЗУ — RAM (этим и объясняется название данного элемента — RAMDAC, а не просто DAC). RAMDAC предназначен для преобразования двоичных чисел, содержащихся в ячейках видеопамяти, в три непрерывных RGB-сигнала, уровень которых пропорционален яркости каждого из трех основных цветов. Видеоадаптер VGA имел 256 Кбайт видеопамяти. Это обеспечило поддержку графических режимов 640x480 при 16-и цветах (640x480/16) и 320x200/256. В последнем случае используется 8-битная кодировка цвета пиксела, благодаря чему размер текущей палитры равен 256 цветовым оттенкам (именно столько регистров цвета имеет RAMDAC). Благодаря использованию видеорежима 320x200/256 впервые стало возможно получить изображение, хоть и немного размытое, но весьма реалистичное по цветовой гамме. В соответствии с традициями IBM видеоадаптер VGA обеспечивал совместимость со всеми видеорежимами предыдущих видеоадаптеров. Дополнительно он поддерживал три новых видеорежима: 

  • высококачественный текстовый режим 80x25 символов при 16 цветах, разрешение экрана 720x400, размер знакоместа 9x16, частота кадров 70 Гц; 

  • графический режим 640x480/16; 

  • графический режим 3200x200/256.

2.6. Адаптер Super VGA. Первоначально совершенствование видеоадаптера VGA шло в основном за счет увеличения объема его видеопамяти: сначала до 512 Кбайт, а затем и до 1 Мбайт. Появились видеоадаптеры, поддерживающие режимы 800x600, 1024x768 при одновременном отображении 256-и оттенков цветов. Для работы с такими видеоадаптерами использовались модернизированные мониторы, имеющие уменьшенное зерно люминофора экрана, повышенные частоты синхронизации и более широкую полосу пропускания видеотракта. Возникло понятие видеосистемы Super VGA, под которым поначалу понималось любое расширение возможностей стандарта VGA. Первой фирмой, изготовившей видеоадаптер, поддерживающий режим 800x600/256, была фирма NEC, а пионером среди видеоадаптеров, поддерживающих разрешение 1024x768, стал видеоадаптер 8514/А фирмы IBM. Появление многочисленных моделей видеоадаптеров SVGA, изготовленных разными фирмами, породило проблему их совместимости с программным обеспечением. Причина ее возникновения заключалась в том, что расширенные режимы работы видеоадаптера не поддерживали стандартные способы инициализации: каждая из фирм-производителей использовала свои номера видеорежимов, расширенных относительно VGA, и свои команды инициализации. Например, режим 800x600/256 у видеоадаптеров фирмы Trident Microsystems имеет номер 5Eh, у видеоадаптеров фирмы Realtek -27h, а у видеоадаптеров фирмы Tseng Labs — 30h. Следовательно, для установки режима 800x600/256 центральный процессор должен послать каждому из этих видеоадаптеров различные команды, что затрудняет создание универсальной программы. Долгое время нельзя было говорить о Super VGA как о стандарте еще и потому, что не был четко определен смысл самого термина SVGA. Часто обычный видеоадаптер VGA преподносился продавцами как SVGA только на том основании, что поддерживал видеорежим 800x600/16. Однако для реализации такого режима необходимо менее 256 Кбайт видеопамяти, поэтому практически любой видеоадаптер VGA, имеющий стандартный объем памяти (256 Кбайт), может поддерживать данный режим. Стремясь исправить это ненормальное положение, Ассоциация стандартов по видеоэлектронике (Video Electronics Standard Association, VESA) предложила свой стандарт на нумерацию и способ инициализации видеорежимов, расширенных относительно VGA. Было предложено считать SVGA-режимами только такие, которые требуют для своей реализации не менее 512 Кбайт видеопамяти. Это позволило создавать универсальные программы, предназначенные для работы в режимах с повышенным разрешением, а также решать вопрос принадлежности видеоадаптера к семейству SVGA. He случайно в течение длительного времени объем видеопамяти был главным критерием качества видеоадаптера SVGA. Стандарт VESA имел несколько версий, появление которых отражало эволюцию возможностей видеосистемы. Кроме того, в адаптерах SVGA начали использоваться 24-разрядные RAMDAC и прямая кодировка цвета пиксела, благодаря чему появились такие режимы, как High Color (16 бит на пиксел, или 65 536 цветов) и True Color (24 бит на пиксел, или 16 777 216 цветов). Программы, дополняющие Video BIOS видеоадаптера SVGA для обеспечения поддержки спецификации VESA, получили название VВЕ (VESA BIOSExtension). Первоначально они использовались в виде драйверов и резидентных программ, загружаемых в память по мере необходимости. В настоящее время все современные видеоадаптеры содержат VBE в ROM Video BIOS, благодаря чему совместимость со спецификацией VESA обеспечивается автоматически. С переходом к более высокому разрешению и большей глубине цвета резко увеличилась загрузка центрального процессора PC и шины ввода/вывода. Чтобы разгрузить центральный процессор, решение ряда задач построения изображения (заполнения кадрового буфера) решили возложить на специализированный набор микросхем (Chipset) видеоадаптера, получивший название графического ускорителя (акселератора).  Другим способом повышения производительности видеосистемы и PC в целом стало применение видеоадаптеров с более быстрым интерфейсом, чем ISA. Первоначально для нужд видеосистемы использовалась 32-разрядная локальная шина VLB (VESA Local Bus), которая в дальнейшем была вытеснена более быстрой и совершенной шиной PCI (Peripheral Component Interconnect — Соединение периферийных устройств). В настоящее время большинство видеоадаптеров, оснащенных функциями ускорения 2D- и 3D-гpaфики, имеют интерфейс AGP. Последним достижением стал новый графический интерфейсPCI Express. ^ 3. 2D- и 3D-акселераторы 2D-акселератор — графический ускоритель для обработки двухмерных графических данных (2D), реализует аппаратное ускорение таких функций, как прорисовка графических примитивов, перенос блоков изображения, масштабирование, работа с окнами, мышью, преобразование цветового пространства. Первоначально видеоадаптеры с аппаратным ускорением графических функций делились на две группы: видеоадаптеры с графическим ускорителем (акселератором) и видеоадаптеры с графическим сопроцессором. ^ Графический акселератор — устройство, выполняющее заданные логические или арифметические операции по жесткому алгоритму, который не может быть изменен. ^ Графический сопроцессор — более универсальное устройство и работает параллельно с центральным процессором. Основное отличие графического сопроцессора от графического акселератора в том, что сопроцессор можно запрограммировать на выполнение различных задач, поскольку он является активным устройством: имеет возможность, как и центральный процессор, обращаться к системной оперативной памяти и управлять шиной ввода/вывода. В современных видеоадаптерах объем и сложность графических функций, выполняемых графическим сопроцессором, стали соизмеримы с объемом задач, решаемых центральным процессором ПК. В связи с этим Chipset, составляющий основу современного видеоадаптера с аппаратной поддержкой графических функций, называют графическим процессором. 3D-акселераторы предназначены для обеспечения возможности видеть на экране проекцию виртуального (не существующего реально) динамического трехмерного объекта, например, в компьютерных играх. Такой объект необходимо сконструировать, смоделировать его объемное изображение, т.е. задать математическую модель объекта (каждую точку его поверхности) в трехмерной системе координат, аналитически рассчитать всевозможные зрительные эффекты (угол падения света, тени и т.п.), а затем спроецировать трехмерный объект на плоский экран. 3D-акселератор необходим только в том случае, когда объемное изображение синтезируется компьютером, т.е. создается программно. Совокупность приложений и задач, в рамках которых реализуется эта схема построения трехмерного изображения на экране монитора PC, называется трехмерной графикой, или 3D (3-Dimentional — трехмерный). ^ 4. Синтез трехмерного изображения. 3D-конвейер. Синтез 3D-изображения выполняется путем аналитического расчета различных параметров изображения для создания визуальных эффектов, обеспечивающих ощущение его объемности и реальности. В частности, в процессе синтеза 3D-изображения выполняются:

  • оценка расстояния до предмета путем анализа информации о его размерах (чем меньше объект — тем он дальше);

  • оценка последовательности наложения предметов один на другой (кто выше — тот ближе);

  • определение глубины пространства за счет использования эффекта перспективы, т. е. визуального сближения параллельных линий, уходящих вдаль;

  • анализ световых эффектов на предмете (теней, бликов и т. п.).

Для получения этих эффектов процесс синтеза трехмерного изображения объекта в виде его двухмерной проекции на экране монитора строится по модели, называемой 3D-конвейером. Выделяют следующие основные этапы 3D-конвейера.

  1. Построение геометрической модели поверхности объекта путем задания трехмерных координат его опорных точек и уравнений соеди няющих их линий. Полученная геометрическая модель представляет собой так называемую каркасную модель объекта (Wireframe). 

  2. ^ Разбиение поверхности полученного объекта на элементарные плоские элементы (прямоугольники или треугольники) — тесселяция (Tessela-tiori),или триангуляция. Это приводит к тому, что поверхность объекта представляет собой совокупность плоских граней — многоугольников, в частности треугольников, как показано на рис. 4.17. Поверхность объекта воспроизводится точнее при увеличении числа и уменьшении размеров многоугольников (ср. рис. 4.17, а, б).

Рис. 4.17. Тесселяция объекта с помощью различного числа треугольников: а — 420 треугольников; б — 2668 треугольников

  1. Моделирование движения объекта: его перемещение, вращение и изменение размеров (формы) — трансформация (transformation) — сводится к стандартному преобразованию координат вершин отдельных граней в виде многоугольников и реализуется путем выполнения множества различных алгебраических опера ций с использованием тригонометрических функций. На рис. 4.18 показана трансформация формы объекта путем изгиба и скручивания.

  2. ^ Расчет освещенности (Lighting) и затенения (Shading) объекта производится в два этапа. Сначала выполняется расчет освещенности каждого элементарного многоугольника с учетом его удаленности от источника света и угла падения светового луча. Чтобы поверхность объекта не выглядела состоящей из множества отдельных плоских граней, как это показано на рис. 4.19, а, применяют методы затенения, т.е. дополнительно производят интерполяцию значений освещенности, позволяющую плавно изменять освещенность каждой грани и скрыть резкие переходы между ними (рис. 4.19,б).

Рис. 4.18. Трансформация формы объекта путем изгиба и скручивания

  1. Проецирование синтезированного трехмерного объекта на плоскостьэкрана, т.е. первое, предварительное преобразование трехмерного объекта в совокупность двухмерных.

Рис. 4.19. Изображение объекта, рассчитанное: а — без использования механизма интерполяции; б — с использованием метода затенения При этом в Z-буфере сохраняется совокупность данных о расстоянии каждой из вершин элементарного многоугольника, образующего грани, до плоскости проецирования. Это позволяет в дальнейшем определить, какие части объекта окажутся видимыми, а какие — нет. Наличие Z-буфера — важнейшее отличие работы с трехмерной графикой от работы с двухмерной.

  1. ^ Обработка данных о вершинах элементарных многоугольников, полученных на предыдущих этапах (Triangle Setup), заключающаяся в преобразовании формы представления координат вершин: из чисел с плавающей точкой (вещественных чисел) в целые числа, а также в сортировке вершин и других действиях.

  2. ^ Удаление скрытых поверхностей — HSR (Hidden Surface Removal), т. е. исключение из проецирования тех элементов поверхности объекта, которые оказываются невидимыми с точки наблюдения.

  3. ^ Закраска элементарных треугольников, или текстурирование, выполняется наложением текстур (Texture Mapping). Текстура (Texture) — это элемент обшивки объекта, т.е. изображение участка его поверхности, которое хранится в виде квадратной растровой картинки, состоящей из текселов(Texel — Texture Element —элемент текстуры). После наложения текстуры (рис. 4.20, а) каркасная модель как бы покрывается своеобразным покрытием —текстурой и становится похожей на реальный объект (рис. 4.20, б). В процессе текстурирования каждый многоугольник, составлявший каркасную модель, заменяется на элемент текстуры, а значение каждого пиксела двухмерного изображения вычисляется по значению соответствующего тексела текстуры.

При текстурировании производится обработка растровой графики, что приводит к необходимости применять различные приемы коррекции изображения, например применение текстур с различным разрешением — м и п м э п п и н г. Рис. 4.20. Текстурирование объекта: а — текстура; б — каркасная модель после наложения текстуры MIP-текстурирование, или мипмэппинг (MIP— Multum In Parvo — много в одном), применяется для устранения пикселизации при приближении к SD-объекту. MIP-текстурирование заключается в том, что в памяти акселератора хранятся несколько копий одной и той же текстуры, но с различным разрешением LOD (Level Of Detalization — уровень детализации). Каждая последующая копия текстуры содержит в четыре раза больше пикселов, чем предыдущая. Совокупность всех копий одной и той же текстуры называют MIP-каскадом, пример которого дан на рис. 4.19.  Рис. 4.21. Пример МIР-каскада В процессе «прорисовки» ближних к наблюдателю поверхностей используются более крупные текстуры, а при прорисовке дальних — более мелкие. Применение мипмэппинга требует значительных объемов памяти акселератора. Для хранения текстуры не в локальной памяти 3D-акселератора, а в RAM PC и при необходимости быстро их подгружать используется локальная шина AGP с высокой пропускной способностью. 9. ^ Моделирование эффектов прозрачности и полупрозрачности заключается в том, что на основе информации о взаимной прозрачности объектов и среды выполняется коррекция цвета пикселов — так называемое альфа-смешение (Alpha-blending) и затуманивание (Fogging). 10. Коррекция дефектов изображения путем сглаживания — антиалиасинг (Anti-aliasing). Антиалиасинг применяется для устранения дефектов изображения типа «лестничного» эффекта на наклонных линиях, муара. Различают краевой (Edge Anti-aliasing) иполный (Full-screen Anti-aliasing— FSAA) антиалиасинг. В первых моделях игровых ускорителей использовался только краевой антиалиасинг, для современных 3D -акселераторов обязательным является полный антиалиасинг. Краевой антиалиасинг заключается в усреднении цвета пикселов на краях (ребрах) грани на основе взвешенного суммирования цветов прилегающих граней. Техника взвешенного суммирования заключается в определении весовых коэффициентов, с которыми суммируются цвета при определении цвета краевого пиксела. При этом полагают, что каждая точка (линия) на краю грани имеет фиксированную, ненулевую площадь, а значения весовых коэффициентов зависят от того, какую часть этой площади перекрывают прилегающие грани.  Полный антиалиасинг, или субпикселный антиалиасинг, используется для полного устранения всех дефектов. Суть данного метода в том, что коррекция дефектов выполняется с так называемым виртуальным разрешением, которое выше исходного. При этом каждый пиксел представляется состоящим из нескольких виртуальных субпикселов, над которыми производится антиалиасинг, как показано на рис. 4.22. После коррекции, когда цвета всех субпикселов определены, исходное разрешение восстанавливается.

  1. Интерполяция недостающих цветов — (Dithering) используется в том случае, когда в текущем видеорежиме 3D-акселератора для кодирования цвета пиксела используется менее 24 бит (например, в режиме High Color при 16-бит ном цвете).

  2. ^ Окончательное формирование кадрового буфера (Frame Buffer) — области памяти 3D -акселератора, в которую помешается спроецированное двухмерное изображение. Кадровый буфер используется для формирования выходного, аналогового видеосигнала 3D -ускорителя.

Рис. 4.22. «Виртуальное разрешение» при выполнении полного антиалиасинга Для ускорения процесса создания изображения используется механизм двойной буферизации, при котором выделяется память одновременно для двух смежных кадров: построение следующего кадра начинается еще до того, как закончится отображение предыдущего. В результате обеспечивается более плавная смена кадров. 13. Постобработка (Post-processing) применяется в том случае, когда требуется реализовать какие-либо двухмерные эффекты над подготовленным кадром как единым целым. Этапы 1 — 6 3D -конвейера образуют его геометрическую стадию, на которой выполняются интенсивные тригонометрические вычисления с помощью CPU. Однако существует тенденция обеспечения современных игровых 3D -акселераторов специальным процессором, обеспечивающим аппаратное ускорение выполнения геометрической стадии 3D -конвейера. Этапы 7—13 3D -конвейера образуют стадию прорисовки объекта, или стадию рендеринга {Rendering — изображение, рисование, визуализация). На этой стадии все действия выполняются уже с растровыми объектами, состоящими из отдельных, дискретных элементов — пикселов и текселов. Выполняемые на стадии рендеринга операции не характерны для центрального процессора (как на геометрической стадии), поэтому именно на этом этапе конвейера необходимо аппаратное ускорение. Большинство современных 3D -ускорителей предназначено для рендеринга на аппаратном уровне и различается лишь числом реализуемых функций. Программным интерфейсом для 3D -акселераторов служит так называемый интерфейс прикладного программирования (Appli-cation Program Interface —API). API занимает промежуточное положение между высокоуровневыми прикладными программами и низкоуровневыми командами различных 3D-акселераторов и обеспечивает эффективное преобразование запросов прикладной программы в оптимизированную последовательность низкоуровневых команд. Благодаря API, разработчики прикладных программ избавлены от необходимости работать с низкоуровневыми командами акселератора. В настоящее время существуют несколько платформ API, отличающихся областями применения. DirectX разработана фирмой Microsoft, используется в игровых приложениях, работающих под управлением операционной системы Windows 95/98, и включает в себя несколько узконаправленных API: DirectDraw обеспечивает использование аппаратных средств ускорения обычной, двухмерной графики; Direct3D отвечает за работу графической системы в режиме создания трехмерных изображений; DirectInput обеспечивает аппаратно независимый ввод информации в ПК через клавиатуру, мышь и джойстик; DirectPlay используется при совместной игре на нескольких компьютерах, объединенных в сеть или соединенных непосредственно, через параллельный или последовательный порты; DirectSound управляет использованием ресурсов звуковой системы ПК. В архитектуре Direct3D заложен принцип проверки функциональных возможностей установленного аппаратного обеспечения. В соответствии с этим принципом прикладная программа сначала запрашивает Direct3D-coвместимый драйвер об аппаратно поддерживаемых данным акселератором 3D-функциях, а затем в зависимости от ответа активизирует поддерживаемые функции. Это избавляет от необходимости производить ручную настройку. DirectX является жестко регламентированным, закрытым стандартом, который не допускает изменений до выхода в свет своей новой версии. Open GL используется в основном в профессиональных приложениях (CAD, системы трехмерного моделирования, симуляторы и т.п.), работающих под управлением операционной системы Windows NT. Вместе с тем существуют и игры, ориентированные на OpenGL, например Quake. API OpenGL построен на основе концепции открытого стандарта, имеющего небольшой базовый набор функций и множество расширений, реализующих более сложные функции. Производитель Chipset карты 3D -акселератора обязан создать BIOS и драйверы, выполняющие базовые функции OpenGL, но не обязан обеспечивать поддержку всех расширений. В результате возникают проблемы, связанные с написанием производителями драйверов для своих изделий, которые поставляются как в полном, так и в усеченном виде. К числу OpenGL-совместимых драйверов относятся следующие: ICD (Installable Client Driver — драйвер приложения-клиента) обеспечивает максимальное быстродействие, поскольку содержит низкоуровневые коды, обеспечивающие поддержку не только базового набора функций, но и его расширений. MCD (Mini Client Driver) содержит оптимизированный код лишь для некоторых этапов 3D -конвейера, поэтому акселератор под его управлением работает медленнее. Мини-порт — группа специализированных OpenGL-совместимых драйверов, каждый из которых специально разработан для работы с какой-либо одной программой или игрой. Такой мини-порт применяется, когда, например, возникает необходимость поиграть в QuakeGL или Quake II на ПК с Windows 95 и 3D-акселератором, не рассчитанным на использование OpenGL. Раппер (Wrapper — устройство для оборачивания, завертывания, окутывания) — мини-порт, который может работать как ICD за счет перевода инструкций OpenGL в инструкции Direct3D, обеспечивая при этом самую низкую скорость работы по сравнению с драйверами других типов. Game Engine — «игровой движок» — драйвер, разработанный для конкретной 3D-платы и обеспечивающий максимальную производительность за счет непосредственного использования низкоуровневых команд акселератора, без использования API. Принципиальным отличием API OpenGL от DirectX является то, что OpenGL ориентирован на корректность создаваемых изображений, тогда как для DirectX важны скорость прорисовки и естественность изображения. Кроме того, существуют Native API, создаваемые производителями 3D -акселераторов исключительно для своих Chipset с целью наиболее эффективного использования их возможностей. Для настройки видеосистемы с целью обеспечения максимальной производительности при работе с трехмерной графикой пользователь ПК должен: при выборе 3D -платы четко представить область ее будущего применения: игры или решение профессиональных задач; установить в систему требуемый API; проконтролировать настройку параметров драйвера и/или прикладной программы, задействовав необходимые функции 3D-aкселерации; используя тесты и оценивая качество изображения визуально, подобрать набор функций, обеспечивающих наилучшее качество изображения. При работе с программами, ориентированными на DirectX, пользователь не выполняет перечисленные выше настройки, поскольку они производятся автоматически. ^ 5. Устройство и характеристики видеоадаптера Первые 3D -акселераторы выполнялись в виде самостоятельного устройства только для работы с трехмерной графикой, устанавливаемого в слот шины ввода/вывода и соединяемого с видеоадаптером специальным кабелем. Современные видеоадаптеры содержат один мощный графический процессор, в состав которого входит 3D-акселератор. В связи с этим понятие «3D -акселератор» означает не специализированную плату, а универсальный видеоадаптер, в состав которого входит ускоритель трехмерной графики. Современный видеоадаптер (видеокарта) включает следующие основные элементы: графический процессор; модули оперативной памяти; RAMDAC — цифроаналоговый преобразователь, выполняющий преобразование цифровых сигналов ПК в сигналы, формирующие изображение на мониторе. ^ Интегральным показателем качества видеоадаптеров, сфера применения которых — в основном трехмерные игры, является частота смены кадров (frameper second — fps). В каждой трехмерной игре этот показатель будет различным. Качество современного видеоадаптера можно считать удовлетворительным, если в игре Quake при разрешении 1600x1200 он обеспечивает 60 — 70 fps. Другим показателем качества видеоадаптера является максимальное число обрабатываемых элементарных простых объектов (многоугольников, треугольников) в секунду. Эти значения для отдельных видеоадаптеров составляют 800— 1200 млн/с. ^ Объем оперативной памяти видеоадаптеров достигает 128 Мбайт. Типы памяти, используемой в видеоадаптерах, аналогичны модификациям обычной оперативной памяти. В недорогих моделях используется память SDRAM или ее более быстрая графическая модификация SGRAM со временем доступа 7 — 8 нс. Более совершенные модели оснащены памятью DDR SDRAM со временем доступа 5 — 6 нс. ^ Частота работы графического чипа и памяти видеоадаптера может быть одинаковой или разной. Например, базовая частота чипа самых популярных видеокарт 2000 г. составляла 166 — 250 МГц, а частота памяти — 140— 180 МГц. Частота RAMDAC определяет качество видеоадаптера. Большинство современных видеокарт имеют частоту RAMDAC в диапазоне 250 — 400 МГц. ^ Тип интерфейса с шиной ввода/вывода оказывает существенное влияние на быстродействие всей видеосистемы. Для эффективной работы с трехмерной графикой современные видеоадаптеры комплектуются интерфейсом AGP. AGP4x — суперскоростной режим, обеспечивающий скорость обмена 1,06 Гбайт/с. На компьютерном рынке наиболее популярны видеокарты на чипсете собственной оригинальной разработки, предлагаемые фирмами ATI, Matrox и 3dfx, в то время как чипсеты фирмы Nvidia используются в составе видеокарт других производителей. Видеокарты ATI предпочтительнее в мультимедийных комплексах, производства 3dfx — в игровых приложениях, а фирма Matrox специализируется на двухмерной графике. Для поддержки спецэффектов в игровых приложениях (анти-алиасинга, имитации тумана, пламени, ряби на водной глади) в процессор видеоадаптера все чаще встраивают специальный блок «трансформации и освещения» (Т&Т), который позволяет получить высокое качество игрового изображения. Для приема телевизионных сигналов и вывод их на монитор в плату видеоадаптера встраивают TV-тюнер. Встроенные TV-тюнеры не отличаются высоким качеством изображения, которое может воспроизводиться в небольшом окне Windows. TV-тюнеры, устанавливаемые в отдельный слот компьютера, обеспечивают полноэкранный режим и высокое качество изображения, обеспечивая при этом выполнение дополнительных сервисных функций: телефонные переговоры через Internet, прослушивание радио, прием спутникового телевидения при наличии спутниковой антенны. Внешние TV-тюнеры, подключаемые через порт USB, обеспечивают воспроизведение телепередач в «оконном» режиме на экране монитора. Контрольные вопросы

  1. Каковы назначение и принцип действия видеоадаптера.

  2. Какие существуют режимы работы видеоадаптера. Их особенности.

  3. Охарактеризовать основные типы видеоадаптеров.

  4. Каково назначение 2D и 3D акселераторов?

  5. Каковы основные принципы синтеза трехмерного изображения?

  6. Привести основные характеристики видеоадаптера.

Проекционный аппарат (проектор) (от латинского projicio — бросаю вперед) — оптико-механический прибор для проецирования на экран увеличенных изображений различных объектов. Принцип действия проекционных аппаратов заключается в проецировании с помощью оптической системы на экран изображения объекта, нанесенного на тонкой полупрозрачной пленке, при освещении его мощной проекционной лампой. В результате изображение может быть показано большой аудитории. Первый проектор изобрел немецкий физик и математик Афанасий Кирхер в 1640 г., назвав свой аппарат «волшебный фонарь». Аппарат, в котором источником света служила свеча, позволял создавать на экране теневые проекции изображения людей, животных или предметов, вырезанных из картона. Современные проекционные аппараты служат для демонстрации прозрачных объектов: диапозитивов (кодопроекторы), диафильмов (диапроекторы), непрозрачных (эпипроекторы), а также тех и других (эпидиапроекторы). Проекционные аппараты применяются для презентаций, в качестве технических средств обучения. Поскольку в настоящее время весомая часть информации находится в электронном виде, возникла необходимость проецирования на экран изображения с экрана монитора. Современные проекционные аппараты, подключаемые к ПК, позволяют проецировать на большой экран изображение с экрана монитора. В компьютерных проекторах в качестве источника проецируемого изображения используется специальный электронно-управляемый модулятор, на который подается сигнал от видеоадаптера PC. Такой модулятор выполняет функцию диапозитивной пленки или слайда в обычном проекторе и используется в качестве управляемого светофильтра, модулирующего световой поток от проекционной лампы. Конструкции и принципы действия модуляторов отличаются большим разнообразием, хотя в основном они построены на базе ЖК-панелей. Все компьютерные проекторы можно разбить на две группы: • универсальные проекторы (оверхед-проекторы) общего назначения; в качестве источника изображения в них используется специальный внешний модулятор — ЖК-панель; • мультимедийные проекторы со встроенным модулятором. На компьютерный проектор подается RGB-сигнал, снимаемый с выхода видеоадаптера ПК, а также обычный видеосигнал, источником которого может быть бытовая или полупрофессиональная видеоаппаратура. Проекторы, в которых в качестве входного используется только видеосигнал, называются видеопроекторами. ^ 1. Оверхед-проекторы и ЖК-панели Оверхед-проектор (Over Head Projector — проектор, расположенный над головой) — проекционный аппарат, в котором изображение от источника проецируется на экран при помощи наклонного проекционного зеркала. Конструктивно в зависимости от места размещения проекционной лампы оверхед-проекторы разделяются на отражательные и просветные. ^ Отражательные проекторы представляют собой малогабаритные устройства, предназначенные для проецирования изображений, нанесенных на специальную прозрачную пленку. Отражательные проекторы не могут использоваться совместно с ЖК-панелями, поскольку мощность проекционной лампы у них невелика. Просветные проекторы (рис. 4.8) отличаются тем, что у них проекционная лампа размещается под рабочей поверхностью устройства внутри его основания, мощность лампы увеличена в десятки раз и имеется ее принудительное охлаждение с помощью вентилятора, как показано на оптической схеме рис. 4.8, а.Это позволяет использовать в качестве источника изображения не только прозрачные пленки, но и менее прозрачные ЖК-панели. ЖК-панель, подключенную к видеоадаптеру ПК, устанавливают на прозрачную рабочую поверхность проектора как прозрачную пленку. Световой поток от проекционной лампы через специальную фокусирующую линзу освещает ЖК-панель и, проходя через нее и рассеивающую линзу, поступает на проекционное зеркало. По конструкции и габаритам ЖК-панель напоминает дисплей ПК типа Notebook, причем на ее корпусе расположены органы управления параметрами изображения. Рис. 4.8. Просветный оверхед-проектор: а — оптическая схема; б — общий вид Общий вид проектора дан на рис. 4.8, б. Качество изображения, формируемого оверхед-проектором, подключаемым к компьютеру, определяется характеристиками ЖК-панели, которые аналогичны характеристикам плоскопанельных ЖК-мониторов: размер, максимальное разрешение, количество воспроизводимых оттенков цветов, яркость. В зависимости от разрешения экрана различают ЖК-панели следующих типов с соответствующим максимальным разрешением экрана: VGA-панели (640x480); SVGA-панели (800 х 600); XGA-панели (1024x768); SXGA-панели (1280 х 1024). В VGA-панелях, рассчитанных на небольшую аудиторию, в качестве экрана используется пассивная ЖК-матрица, основанная на применении технологии DSTN; в более качественных панелях используется активный TFT-экран. Помимо основной задачи — преобразования электрического сигнала от видеоадаптера в изображение на экране с целью его последующего проецирования на большой внешний экран, отдельные модели ЖК-панелей обладают рядом дополнительных возможностей, полезных, например, в учебном процессе, при проведении презентаций: дистанционное управление (ДУ); возможность увеличения изображения в целом или его фрагмента. При реализации функции «Указка» ЖК-панель на своем экране формирует маркер, напоминающий указатель мыши, положением которого можно управлять с помощью пульта ДУ. Функция «Замораживание» предусматривает запоминание и фиксацию на экране текущего изображения на время подготовки компьютера или презентационной программы к показу следующего сюжета. Для управления работой ЖК-панели может использоваться дистанционная мышь, соединенная с адаптером, подключенным к последовательному порту компьютера при помощи кабеля или по радиоканалу. ^ 2. Мультимедийные проекторы. В мультимедийном проекторе проекционная лампа, ЖК-матрица и оптическая система конструктивно размещаются в одном корпусе, что делает их похожими на диапроекторы, предназначенные для просмотра слайдов или диафильмов. По принципу действия мультимедийный проектор не отличается от оверхед-проектора: изображение создается с помощью мощной проекционной лампы и встроенного в проектор электронно-оптического модулятора, управляемого сигналом видеоадаптера ПК, а затем посредством оптической системы проецируется на внешний экран. Основным отличием в мультимедийных проекторах является конструкция модулятора и способы построения и переноса изображения на экран. В зависимости от конструкции модулятора проекторы бывают следующих типов: TFT-проекторы; полисиликоновые проекторы и DMD/DLP-проекторы. В зависимости от способа освещения модулятора мультимедийные проекторы подразделяют на проекторы просветного и отражательного типов. 2.1. ТFT-проекторы. В TFT-проекторах, относящихся к проекторам просветного типа, в качестве модулятора используется малогабаритная цветная активная ЖК-матрица, выполненная по технологии TFT. Принцип действия мультимедийного TFT-проектора просветного типа иллюстрирует рис. 4.9. Рис. 4.9. Принцип действия мультимедийного TFT-проектора просветного типа Основным элементом установки является миниатюрная ЖК-матрица, выполненная по технологии TFT, как и ЖК-экран плоскопанельного цветного монитора. Равномерное освещение поверхности ЖК-матрицы достигается за счет применения системы линз, называемой конденсором. 2.2. Полисиликоновые мультимедийные проекторы  также относятся к проекторам просветного типа и применяются в том случае, когда необходимо получить более яркое изображение. В них используется не одна цветная TFT-матрица, а три монохромных миниатюрных ЖК-матрицы размером около 1,3". Каждая из матриц формирует монохромное изображение красного, зеленого или синего цвета. Оптическая система проектора, как показано на рис. 4.10, обеспечивает совмещение трех монохромных изображений, в результате чего формируется цветное изображение. Такая технология получила название полисиликоновой (p-Si). Каждый элемент полисиликоновой матрицы содержит только один тонкопленочный транзистор, поэтому его размер меньше, чем размер элемента TFT-матрицы, что позволяет повысить четкость изображения. Рис. 4.10. Принцип действия полисиликонового мультимедийного проектора просветного типа Цветоделительная система полисиликонового проектора, состоящая из двух дихроичных (Du D2) и одного обычного (jV,) зеркал, используется для разложения белого света проекционной лампы на три составляющие основных цветов (красный, зеленый, синий). Цветоделение необходимо выполнить для того, чтобы подать на каждую из трех монохромных матриц световой поток соответствующего цвета. Дихроичное (цветоделительное) зеркало пропускает свет только одной длины волны (один цвет) и представляет собой хорошо отполированную стеклянную подложку с нанесенной на него тонкой пленкой из диэлектрического материала. ^ Система цветосмешения полисиликонового проектора состоит из двух дихроичных (D3, Z)4) и одного отражающего (N2) зеркал и служит для получения цветного изображения путем наложения одного на другой трех монохромных изображений, создаваемых соответствующими ЖК-матрицами. Полисиликоновые проекторы обеспечивают более высокое качество изображения, яркость и насыщенность цветов по сравнению с проекторами на основе TFT-матриц. Они более надежны в работе и долговечны, поскольку три ЖК-матрицы работают в менее напряженном тепловом режиме, чем одна. Благодаря этому полисиликоновые проекторы можно использовать при проецировании изображения на большой экран в таких помещениях, как конференц-залы, кинотеатры. 2.3. ЖК-проекторы отражательного типа.  Предназначены для работы в больших аудиториях и отличаются по принципу действия: модуляции подвергается не проходящий, а отраженный световой поток. В дорогих профессиональных ЖК-проекторах, предназначенных для работы в больших аудиториях, используется другой принцип действия: модуляции подвергается не проходящий, а отраженный световой поток. В результате удается решить две главные задачи — снизить до минимума разогрев ЖК-матрицы и добиться исключительно мощного светового потока. Принцип работы отражательных ЖК-проекторов заимствован у появившихся в 50-х годах мощных светоклапанных проекторах системы эйдофор (Eidophor).В качестве отражающей поверхности в этих проекторах использовался слой прозрачной вязкой жидкости (масла). Модуляция отраженного светового потока обеспечивалась за счет деформации этой поверхности при помощи падающего на нее электронного пучка. Нетрудно понять, что такое "жидкое" зеркало крайне неудобно в эксплуатации, поэтому разработчики стали искать другие способы модуляции отраженного света. В настоящее время наиболее освоенными являются технологии ILA и DMD/DLP. Технология ILA (Image Light Amplifier — Усилитель света от изображения) была разработана совместно корпорациями Hughes Aircraft и JVC, хотя в настоящее время оборудование данного типа полностью контролируется японской компанией JVC. Проектор ILA, по аналогии с полисиликоновым, также имеет три модулятора для монохромных изображений основных цветов, которые затем совмещаются для получения цветного изображения. Схема светомодулирующего блока такого проектора представлена на рис. 4.11. Рис. 4.11. Модулятор отражательного проектора типа ILA Одним из главных компонентов модулятора является зеркало-поляризатор, одновременно выполняющее функции зеркала, поляризатора и анализатора. Световая волна, падающая на него под углом 45°, разделяется на две составляющие: одна с поляризацией, параллельной поверхности зеркала, и другая—с поперечной поляризацией, перпендикулярной к поверхности зеркала. Первая составляющая свободно проходит через зеркало, а вторая (полезная) — полностью отражается в направлении модулятора, выполненного на основе ЖК-панели особой конструкции. Эта ЖК-панель лишена матричной структуры и является сплошной. В качестве элементов, управляющих поляризацией участков ЖК-панели, выступают не тонкопленочные транзисторы, как в TFT-матрице, а участки фоторезистивного слоя, на котором создается потенциальный рельеф, повторяющий спроецированное на него изображение. Между фоторезистивным слоем и ЖК-панелью размещается диэлектрическое зеркало, которое выполняет роль основной отражающей поверхности. Внесение в отраженный свет дополнительных поляризационных сдвигов, повторяющих потенциальный рельеф (спроецированное на фоторезистивный слой изображение), будет влиять на степень прохождения отраженного света через зеркало, т. е. эквивалентно модуляции отраженного потока. Благодаря отсутствию зернистой структуры ЖК-панели можно получить исключительно четкое изображение, а низкие потери на разогрев и поглощение света обеспечивают фантастический для обычных ЖК-проекторов световой поток — примерно до 12 000 лм! Однако необходимость в наличии встроенной проекционной системы и очень сложная конструкция модулятора значительно влияют на габариты и массу (от 120 до 500 кг), а также на стоимость проектора (до 250 000$), что, естественно, ограничивает его применение. Более того, проекторы ILA предназначены для работы с аналоговым видеосигналом (обусловлено конструкцией встроенного проектора), поэтому относятся к классу видеопроекторов. Развитием технологии ^ ILA применительно к мультимедийным проекторам стала технология D-ILA (Digital ILA), также разработанная специалистами фирмы JVC. Основу проекторов D-ILA составляет так называемая отражательная (Reflective) ЖК-, или R-ЖК-панель. Ее главное отличие от обычной ЖК-матрицы состоит в том, что электроды, управляющие поляризацией ячеек, имеют квадратную форму. Они выполняют роль зеркал. Рис. 4.12. Схема модулятора проектора D-ILA За счет этого коэффициент отражения R-ЖК-панели для белого света доходит до 95%. По сравнению с обычной TFT-панелью, R-ЖК-панель обеспечивает более высокие яркость, четкость и контрастность изображения. Кроме того, на R-ЖК-панель вместо аналогового видеосигнала подается цифровой сигнал, поэтому не нужен встроенный проектор. В результате схема модулирующего канала проектора D-ILA (рис. 4.12) оказывается гораздо проще, чем схема проектора ILA. Конструкция проектора D-ILA (рис. 4.13) напоминает конструкцию полисиликонового проектора с той разницей, что вместо просветных TFT-матриц в нем используются отражательные R-ЖК-панели совместно с блоком поляризатора-анализатора. Рис. 4.13. Схема проектора D-ILA Технология D-ILA является перспективной, поэтому в настоящее время выпуск проекторов D-ILA наладили, помимо фирмы JVC, несколько конкурирующих фирм (InFocus, Pioneer, Panasonic и др.). В настоящее время наиболее используемой в конструкциях ЖК-проекторов отражательного типа является технология DMD/DLP, разработанная фирмойTexas Instruments. В DMD/DLP-проекторах отражательного типа излучение источника света модулируется изображением при отражении от матрицы. В DMD/DLP-проекторах в качестве отражающей поверхности используется матрица, состоящая из множества электронно-управляемых микрозеркал, размер каждого из которых около 1 мкм. Каждое микрозеркало имеет возможность отражать падающий на него свет либо в объектив, либо в поглотитель, что определяется уровнем поданного на него электрического сигнала. При попадании света в объектив образуется яркий пиксел экрана, а в поглотитель — темный. Такие матрицы обозначаются аббревиатурой DMD (Digital Micromirror Device — цифровой микрозеркальный прибор), а технология, на которой основан их принцип действия, — DLP (Digital Light Processing — цифровая обработка света). Как правило, в одной DMD-матрице содержится около 848 х 600 = 508 800 микрозеркал, что превосходит SVGA-разрешение (800x600 = 480 000 пикселов). Для получения цветного изображения используются проекторы двух вариантов: с тремя или одной DMD-матрицей. Трехматричный проектор, схема которого дана на рис. 4.14, по способу формирования цветного изображения аналогичен полисиликоновому (см. рис. 4.10). Рис. 4.14. Схема трехматричного отражательного мультимедийного проектора DMD/DLP/ В одноматричных DMD/DLP-проекторах полный цветной кадр формируется в результате последовательного наложения трех быстро меняющихся монохромных кадров: черно-красного, черно-зеленого и черно-синего. Смена монохромных кадров на экране незаметна благодаря инерционности человеческого зрения. Монохромные кадры образуются при последовательном освещении DMD-матрицы лучом красного, зеленого и синего цветов. Луч каждого цвета образуется за счет пропускания светового потока от проекционной лампы через вращающийся диск с красным, зеленым и синим светофильтрами, как это показано на схеме од-номатричного проектора (рис. 4.15). Управление микрозеркалами синхронизировано с поворотом светофильтра. По сравнению с ЖК-технологиями технология DLP обладает следующими преимуществами: практически полным отсутствием зернистости изображения, высокой яркостью и равномерностью ее распределения. К недостаткам одноматричных DMD-проекторов следует отнести заметное мелькание кадров. Рис. 4.15. Схема одноматричного отражательного мультимедийного проектора Однако эти приемы все же полностью не устраняют два главных недостатка ЖК-проекторов просветного типа — разогрев матрицы и сравнительно низкую яркость изображения. Даже с использованием технологии PBS и микролинзовых растров недостаточная прозрачность пикселов матрицы не позволяет получить мощный световой поток (световой поток ЖК-проекторов просветного типа обычно не превышает 500—600 лм).

Важнейшим устройством отображения компьютерной информации является монитор. Так же как имеется большое число видеостандартов, так и типы мониторов, существующих в настоящее время, отличаются большим разнообразием. С точки зрения принципа действия все мониторы для PC можно разделить на две большие группы:

  • Мониторы на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), называемой также кинескопом.

  • Плоскопанельные мониторы, выполненные, как правило, на основе жидких кристаллов.

1. Мониторы на основе ЭЛТ Наиболее распространенными устройствами отображения информации являются мониторы на основе ЭЛТ. ^ Принцип действия таких мониторов мало отличается от принципа действия обычного телевизора и заключается в том, что испускаемый электронной пушкой пучок электронов, попадая на экран, покрытый люминофором, вызывает его свечение. На пути пучка электронов обычно находятся дополнительные электроды: модулятор, регулирующий интенсивность пучка электронов и связанную с ней яркость изображения, фокусирующий электрод, определяющий размер светового пятна, а также размещенные на горловине ЭЛТ катушки отклоняющей системы, позволяющие изменять направление пучка. Заметим, что любое текстовое или графическое изображение на экране монитора компьютера (так же, как и телевизора) состоит из множества дискретных точек люминофора, представляющих собой минимальный элемент изображения (растра), называемых пикселами. Такие мониторы называются растровыми.Электронный луч в этом случае периодически сканирует весь экран, образуя на нем близко расположенные строки развертки. По мере движения луча по строкам видеосигнал, подаваемый на модулятор, изменяет яркость светового пятна и образует видимое на экране изображение. Разрешающая способностьмонитора определяется числом элементов изображения, которые он способен воспроизводить по горизонтали и вертикали, например, 640x480 или 1024x768 пикселов. Если в телевизоре видеосигнал, управляющий яркостью (интенсивностью электронного пучка), является аналоговым, т. е. непрерывным по времени и уровню, то в мониторах PC может использоваться как аналоговый, так и цифровой видеосигнал. В зависимости от этого мониторы для PC принято разделять на аналоговые и цифровые.  1.1. Типы ЭЛТ-мониторов. Исторически первыми устройствами отображения информации мониторами для PC были именно цифровые мониторы (TTL).Управление цифровыми мониторами осуществляется двоичными сигналами, которые имеют только два значения: логической 1 и логического 0 ("да" и "нет"). Уровню логической единицы соответствует напряжение около 5 В, уровню логического нуля — не более 0,5 В. Поскольку такие же уровни "1" и "0" используются в широко распространенной стандартной серии микросхем на основе транзисторно-транзисторной логики, или TTL (Transistor Transistor Logic — Транзисторно-транзисторная логика), цифровые мониторы часто называют TTL-мониторами. Первые TTL-мониторы были монохромными, более поздние модели — цветными. К монохромным цифровым мониторам относятся мониторы, сигналы управления которыми формируются графическими картами стандартов MDA или Hercules, изредка — EGA. Уже из самого понятия монохромный ясно, что точка на экране может быть только светлой или темной. В лучшем случае точки могут различаться еще и своей яркостью. ЭЛТ монохромного монитора имеет только одну электронную пушку, она меньше цветных ЭЛТ, благодаря чему мониторы компактнее и легче других мониторов. Кроме того, монохромный монитор работает с более низким анодным напряжением, чем цветной (15 кВ против 21—25 кВ), поэтому потребляемая им мощность значительно ниже (30 Вт вместо 80—90 Вт у цветных). Эти значения приводятся на обратной стороне корпуса монитора. Кинескоп цветного цифрового монитора имеет не одну, а три электронные пушки для красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue) цветов с раздельным управлением, его также называют RGB-монитором. Заметим, что современные аналоговые мониторы также являются RGB-мониторами, поскольку термин "RGB-монитор" обозначает только тот факт, что сигналы основных цветов подаются на монитор независимо, по трем отдельным проводам, при этом характер сигнала (цифровой или аналоговый) значения не имеет. Данный термин был введен для того, чтобы отличать такие мониторы от более ранних моделей цветных мониторов, управление которыми, подобно телевизору, осуществлялось композитным видеосигналом, несущим информацию о яркости и цветности и передававшимся по одному проводу.  Цифровые RGB-мониторы предназначены для подключения к видеокартам стандарта CGA и EGA. ^ Размер палитры каждого из мониторов определяется количеством двоичных сигналов, используемых для управления электронными пушками. Помимо цветного, цифровые RGB-мониторы поддерживают и монохромный режим работы с отображением до 16 градаций серого (в этом случае сигналы трех цветов имеют одинаковую интенсивность).  Аналоговые мониторы, так же как и цифровые бывают цветными и монохромными, при этом цветной монитор может работать в монохромном режиме. Главная причина перехода к аналоговому видеосигналу состоит в ограниченности палитры цифрового монитора. При использовании двоичных видеосигналов расширение палитры возможно только за счет увеличения количества цветов, однако это тупиковый путь: если количество проводов в кабеле еще можно увеличить, то количество управляющих электродов (модуляторов) электронной пушки увеличить нельзя. Если, к примеру, задаться целью получить режим True Color (24 бита на пиксел) на цифровом мониторе,, то придется сконструировать ЭЛТ с тремя электронными пушками, каждая из которых должна иметь 8 (!) модуляторов. Совершенно очевидно, что это нереально. В результате разработчики стали использовать не цифровой (двоичный), а аналоговый видеосигнал, который может принимать любое значение в диапазоне от 0 до 0,7 В. Поскольку этих значений бесконечно много, то палитра аналогового монитора неограничена. Другое дело, что видеоадаптер может обеспечить только конечное количество градаций уровня видеосигнала, что в итоге ограничивает палитру всей видеосистемы в целом. Видеосигнал на аналоговый монитор подается через 15-контактный трехрядный D-образный разъем (стандартный разъем VGA). Поскольку полоса частот видеосигнала аналогового монитора значительно шире, чем у цифрового, для передачи RGB-сигналов используются витые пары (1—6, 2—7, 3—8). Наличие специальных битов идентификации позволяет видеоадаптеру автоматически определить, какой монитор подключен: цветной или монохромный. В последнем случае для передачи видеосигнала задействуется только одна пара контактов 2—7. 1.2. Принцип работы мониторов Для формирования растра (рис. 4.1) в мониторе используются специальные сигналы. В цикле сканирования луч движется по зигзагообразной траектории от левого верхнего угла до правого нижнего. Прямой ход луча по горизонтали осуществляется сигналом строчной (горизонтальной — Н. Sync) развертки, а по вертикали — кадровой (вертикальной - - V. Sync) развертки. Перевод луча из крайней правой точки строки в крайнюю левую точку следующей строки (обратный ход луча по горизонтали) и из крайней правой позиции последней строки экрана в крайнюю левую позицию первой строки (обратный ход луча по вертикали) происходит с помощью специальных сигналов обратного хода. Рис 14.1. Формирование растра на экране монитора.  Таким образом, наиболее важными для монитора являются следующие параметры: частота вертикальной (кадровой) развертки, частота горизонтальной(строчной) развертки, а при работе с высокими разрешениями важна также ширина полосы пропускания видеотракта. Описанный выше способ формирования изображения применяется и в телевизорах. Здесь частота обновления изображения (частота кадров) составляет 25 Гц. С первого взгляда кажется, что это очень низкая частота. Однако в телевидении для сокращения полосы частот спектра телевизионного сигнала применяется чересстрочная развертка, т. е. полный растр получается за два приема. Сначала за время, равное 1/50 с, передаются (воспроизводятся) только нечетные строки: 1, 3, 5 и т. д. Эта часть растра называется полем нечетных строк или нечетным полукадром. Затем развертывающий электронный луч быстро переводится от нижнего края экрана вверх и попадает в начало 2-ой (четной) строки. Далее луч прорисовывает все четные строки: 2, 4, 6 и т. д. Так формируется поле четных строк или четный полукадр. Если наложить оба полукадра друг на друга, то получится полный растр изображения. Данный способ формирования изображения как в мониторах, так и в телевизорах оказался возможным благодаря двум свойствам, а точнее недостаткам, нашего зрения: ^ Инерционность восприятия световых раздражений, т. е. возникновение и прекращение фотохимических реакций в сетчатке глаза после начала и окончания воздействия импульса света происходит не мгновенно, а с задержкой, характеризующей эту инерционность. Для обычно встречающихся условий наблюдения время возникновения зрительного ощущения составляет около 0,1 с. Время сохранения светового возбуждения составляет 0,4—1,0 с после окончания действия светового раздражителя. Благодаря такому свойству зрения оказалось, возможным производить поэлементную развертку изображения от строки к строке и от одного полукадра к другому (при чересстрочном способе формирования изображения), т. е. изображение представляется в виде быстро сменяющейся последовательности строк и кадров. ^ Ограниченная разрешающая способность по перемещениям. Это свойство учитывается при отображении движущихся предметов на экране монитора или телевизора. Для того чтобы движения казались плавными, каждое изменение положения предметов должно быть передано небольшими "порциями", т. е. различия в картинках должны быть достаточно малыми (как в мультипликации). Движение передается путем покадрового воспроизведения отдельных мало отличающихся друг от друга фаз движения.  Принцип формирования растра у цветного монитора такой же, как и у монохромного. Однако в основу способа формирования цветного изображенияположены другие важнейшие свойства цветового зрения: Трехкомпонентность цветового восприятия. Это означает, что все цвета могут быть получены путем сложения (смешения) трех световых потоков, например красного, синего и зеленого, что позволило в цветных телевизорах и мониторах использовать метод аддитивного смешения цветов. Данный метод можно проиллюстрировать путем одновременной непрерывной проекции на экран изображений трех основных цветов при условии перекрывания ими одной и той же поверхности экрана (рис. 4.2).  Рис 4.2. Модель аддитивного смешения цветов. В соответствии с теорией трехкомпонентного цветовосприятия, используя смешение трех основных цветов, оказалось возможным получить требуемую гамму цветовых оттенков. При смешении в определенной пропорции основных цветов — красного, синего и зеленого — получаются цвета, приведенные на рис. 14.2. ^ Пространственное усреднение цвета. Если на цветном изображении имеются близко расположенные цветные детали, то с большого расстояния мы не различаем цвета отдельных деталей. Вся группа будет окрашена в один цвет в соответствии с законами смешения цветов. Это свойство зрения позволяет в электронно-лучевой трубке монитора формировать цвет одного элемента изображения из трех цветов расположенных рядом люминофорных зерен. В соответствии с особенностями человеческого зрения, в ЭЛТ цветного монитора имеются три электронные пушки с отдельными схемами управления, а на внутреннюю поверхность экрана нанесен люминофор трех основных цветов: красный, синий и зеленый (рис. 4.3, 4.4). Чтобы каждая пушка "стреляла" только по своим пятнам люминофора, в каждом цветном кинескопе имеется специальная цветоделительная маска. Рис 4.3. Схема размещения пикселов на экране монитора Рис. 4.4. Полная модель образования цветов на экране монитора. В зависимости от расположения электронных пушек и конструкции цветоделительной маски различают ЭЛТ четырех типов, используемых в современных мониторах:

  • ЭЛТ с теневой маской (Shadow mask) и дельтаобразным расположением электронных пушек — наиболее распространенные ЭЛТ (рис. 14.5, а).

  • ЭЛТ с улучшенной теневой маской (EDP — Enhanced Dot Pitch) и планарным расположением электронных пушек, обеспечивающие повышенное разрешение (такими ЭЛТ оснащены мониторы фирмы Hitachi) (рис. 14.5, б).

  • ЭЛТ со щелевой маской (Slot mask) — этот тип ЭЛТ, широко используемый в телевизорах, применяется в мониторах фирмы NEC и носит название Cromaclear (рис. 14.5, в).

  • ЭЛТ с апертурной решеткой (Aperture grill, AG), к которым относятся ЭЛТ типа Trinitron фирмы Sony, DiamondTron фирмы Mitsubishi и SonicTron фирмы ViewSonic (рис. 14.5, г).

Рис. 4.5. Типы цветоделительной маски. Теневая маска представляет собой металлическую пластину из специального материала — инвара с системой отверстий, соответствующих точкам люминофора, нанесенным на внутреннюю поверхность кинескопа (рис. 14.6). Очень низкий коэффициент линейного расширения инвара обеспечивает стабильность формы теневой маски при ее разогреве за счет электронной бомбардировки. Апертурная решетка образована системой щелей, выполняющих ту же функцию, что и отверстия в теневой маске  Рис. 4.6. Конструкция электронно-лучевой трубки с теневой маской. 1.3. Характеристики ЭЛТ-мониторов.  ЭЛТ-мониторы имеют следующие основные характеристики. Диагональ экрана монитора — расстояние между левым нижним и правым верхним углом экрана, измеряемое в дюймах. Размер видимой пользователю области экрана обычно несколько меньше, в среднем на 1", чем размер трубки. Производители могут указывать в сопровождающей документации два размера диагонали, при этом видимый размер обычно обозначается в скобках или с пометкой «Viewable size», но иногда указывается только один размер — размер диагонали трубки. В качестве стандарта для ПК выделились мониторы с диагональю 15", что примерно соответствует 36—39 см диагонали видимой области. Для работы в Windows желательно иметь монитор размером, по крайней мере, 17". Для профессиональной работы с настольными издательскими системами (НИС) и системами автоматизированного проектирования (САПР) лучше использовать монитор размером 20" или 21". ^ Размер зерна экрана определяет расстояние между ближайшими отверстиями в цветоделительной маске используемого типа. Расстояние между отверстиями маски измеряется в миллиметрах. Чем меньше расстояние между отверстиями в теневой маске и чем больше этих отверстий, тем выше качество изображения. Все мониторы с зерном более 0,28 мм относятся к категории грубых и стоят дешевле. Лучшие мониторы имеют зерно 0,24 мм, достигая 0,2 мм у самых дорогостоящих моделей. ^ Разрешающая способность монитора определяется количеством элементов изображения, которые он способен воспроизводить по горизонтали и вертикали. Мониторы с диагональю экрана 19" поддерживают разрешение до 1920 х 14400 и выше. ^ Тип электронно-лучевой трубки следует принимать во внимание при выборе монитора. Наиболее предпочтительны такие типы кинескопов, как Black Trinitron, Black Matrix или Black Planar. Мониторы этих типов имеют особое люминофорное покрытие. ^ Потребляемая мощность монитора указывается в его технических характеристиках. У мониторов 14" потребляемая мощность не должна превышать 60 Вт. Покрытия экрана необходимы для придания ему антибликовых и антистатических свойств. Антибликовое покрытие позволяет наблюдать на экране монитора только изображение, формируемое компьютером, и не утомлять глаза наблюдением отраженных объектов. Существует несколько способов получения антибликовой (не отражающей) поверхности. Самый дешевый из них — протравливание. Оно придает поверхности шероховатость. Однако графика на таком экране выглядит нерезко, качество изображения низкое. Наиболее популярен способ нанесения кварцевого покрытия, рассеивающего падающий свет; этот способ реализован фирмами Hitachi и Samsung. Антистатическое покрытие необходимо для предотвращения прилипания к экрану пыли вследствие накопления статического электричества. ^ Защитный экран (фильтр) должен быть непременным атрибутом ЭЛТ-монитора, поскольку медицинские исследования показали, что излучение, содержащее лучи в широком диапазоне (рентгеновское, инфракрасное и радиоизлучение), а также электростатические поля, сопровождающие работу монитора, могут весьма отрицательно сказываться на здоровье человека. По технологии изготовления защитные фильтры бывают: сеточные, пленочные и стеклянные. Фильтры могут крепиться к передней стенке монитора, навешиваться на верхний край, вставляться в специальный желобок вокруг экрана или надеваться на монитор. ^ Сеточные фильтры практически не защищают от электромагнитного излучения и статического электричества и несколько ухудшают контрастность изображения. Однако эти фильтры неплохо ослабляют блики от внешнего освещения, что немаловажно при длительной работе с компьютером. ^ Пленочные фильтры также не защищают от статического электричества, но значительно повышают контрастность изображения, практически полностью поглощают ультрафиолетовое излучение и снижают уровень рентгеновского излучения. Поляризационные пленочные фильтры, например фирмы Polaroid, способны поворачивать плоскость поляризации отраженного света и подавлять возникновение бликов. ^ Стеклянные фильтры производятся в нескольких модификациях. Простые стеклянные фильтры снимают статический заряд, ослабляют низкочастотные электромагнитные поля, снижают интенсивность ультрафиолетового излучения и повышают контрастность изображения. Стеклянные фильтры категории «полная защита» обладают наибольшей совокупностью защитных свойств: практически не дают бликов, повышают контрастность изображения в полтора-два раза, устраняют электростатическое поле и ультрафиолетовое излучение, значительно снижают низкочастотное магнитное (менее 1000 Гц) и рентгеновское излучение. Эти фильтры изготавливаются из специального стекла. ^ Безопасность монитора для человека регламентируется стандартами ТСО: ТСО 92, ТСО 95, ТСО 99, предложенными Шведской конфедерацией профсоюзов. ТСО 92, выпущенный в 1992 г., определяет параметры электромагнитного излучения, дает определенную гарантию противопожарной безопасности, обеспечивает электрическую безопасность и определяет параметры энергосбережения. В 1995 г. стандарт существенно расширили (ТСО 95), включив в него требования к эргономике мониторов. В ТСО 99 требования к мониторам еще более ужесточили. В частности, стали жестче требования к излучениям, эргономике, энергосбережению, пожаробезопасности. Присутствуют здесь и экологические требования, которые ограничивают наличие в деталях монитора различных опасных веществ и элементов, например тяжёлых металлов. ^ 2. Плоскопанельные мониторы Несмотря на широкое распространение, мониторы на основе ЭЛТ имеют ряд существенных недостатков, ограничивающих (а порой и делающих невозможным) использование мониторов. Такими недостатками являются:

  • Большие масса и габариты.

  • Значительное энергопотребление, наличие тепловыделения.

  • Излучения, вредные для здоровья человека.

  • Значительная нелинейность растра, сложность ее коррекции.

Первые два недостатка не позволяют использовать мониторы на основе ЭЛТ в переносных компьютерах типа Laptop и Notebook, остальные осложняют работу оператора и наносят вред его здоровью. Однако главными недостатками обычных мониторов все же являются большие габариты, масса и энергопотребление. Для устранения этих недостатков были разработаны малогабаритные дисплеи на основе жидких кристаллов, которые в дальнейшем будем называть ЖК-мониторами. Главное отличие ЖК-монитора от обычного состоит в том, что он совершенно плоский. По этой причине мониторы подобного типа стали называть плоскопанельными. В настоящее время плоскопанельные мониторы используются не только в составе переносных компьютеров типа Notebook, но и в качестве самостоятельного устройства отображения, которое можно подключить к любому PC. Обладая рядом важных преимуществ по сравнению с мониторами на основе ЭЛТ, плоскопанельные мониторы, несмотря на более высокую стоимость, получают все более широкое распространение. 2.1. Принципы действия ЖК-мониторов. Основным элементом ЖК-монитора является ЖК-экран, состоящий из двух панелей, выполненных из стекла, между которыми размещен слой жидкокристаллического вещества. Эти стеклянные панели обычно называют подложками. Как и в обычном мониторе, экран ЖК-монитора представляет собой совокупность отдельных элементов — ЖК-ячеек, каждая из которых генерирует 1 пиксель изображения. Однако, в отличие от зерна люминофора ЭЛТ, ЖК-ячейка сама не генерирует свет, а лишь управляет интенсивностью проходящего света, поэтому ЖК-мониторы всегда используют подсветку. По сути ЖК-ячейка представляет собой электронно-управляемый светофильтр, принцип действия которого основан на эффекте поляризации световой волны. Жидкокристаллическое вещество, размещенное между подложками, имеет молекулы вытянутой формы, называемые нематическими. Благодаря этому молекулы ЖК-вещества имеют упорядоченную ориентацию, что приводит к появлению оптической анизотропии, при которой показатель преломления ЖК-вещества зависит от направления распространения световой волны. Если нанести на подложки мелкие бороздки, то молекулы ЖК-вещества будут ориентированы вдоль этих бороздок. Другим важным свойством ЖК-вещества является зависимость ориентации молекул от направления внешнего электрического поля. Используя два этих свойства, можно создать электронно-управляемый светофильтр. Рис. 4.7. Принцип действия ячейки ЖК-монитора. В ЖК-мониторах чаще всего используются ЖК-ячейки с твистированной (закрученной на 90°) ориентацией молекул (рис. 4.7, а). Для создания такой ячейки применяются подложки, у которых ориентирующие канавки также развернуты друг относительно друга на угол 90°. Такая ячейка называется твистированной нематической (Twisted Nematic). Проходя через эту ячейку, плоскость поляризации световой волны также поворачивается на 90°. Помимо ориентирующего действия, подложки ЖК-ячейки играют роль поляризационных фильтров, поскольку пропускают световую волну только с линейной поляризацией. Верхняя подложка называется поляризатором, а нижняя — анализатором. Векторы поляризации подложек так же, как и векторы их ориентирующего действия, развернуты на 90° друг относительно друга. При отсутствии внешнего электрического поля падающий на ячейку свет проходит через поляризатор и приобретает определенную поляризацию, совпадающую с ориентацией молекул жидкокристаллического вещества у поверхности поляризатора. По мере распространения света по направлению к нижней подложке (анализатору) его плоскость поляризации поворачивается на 90°. Достигнув анализатора, свет свободно проходит через него, поскольку плоскость его поляризации совпадает с плоскостью поляризации анализатора. В результате ЖК-ячейка оказывается прозрачной. Ситуация изменится, если к подложкам приложить напряжение 3-10 В. В этом случае между подложками возникнет электрическое поле и молекулы жидкокристаллического вещества расположатся параллельно силовым линиям поля (рис. 4.7, б). Твистированная структура жидкокристаллического вещества исчезает, и поворота плоскости поляризации проходящего через него света не происходит. В результате плоскость поляризации света не совпадает с плоскостью поляризации анализатора, и ЖК-ячейка оказывается непрозрачной. В качестве ламп подсветки ЖК-экранов используют специальные электро-люминисцентные лампы с холодным катодом, характеризующиеся низким энергопотреблением. Это, наряду с низким управляющим напряжением ЖК-ячейки, объясняет низкое энергопотребление ЖК-экранов (обычно на 70% меньше, чем потребляют ЭЛТ-мониторы). В зависимости от места расположения подсветки экраны бывают с подсветкой сзади (backlight, или backlit) и сподсветкой по бокам (sidelihgt, или sidelif). Если пиксел изображения образован единственной ЖК-ячейкой, изображение на экране будет монохромным. Для получения цветного изображения ЖК-ячейки объединяют в триады, снабдив каждую из них светофильтром, пропускающим один из трех основных цветов. Благодаря применению технологии Twisted Nematic была решена проблема габаритов и энергопотребления, однако эта технология имеет ряд серьезныхнедостатков:

  • Низкое быстродействие ячеек — на изменение ориентации молекул жидкокристаллического вещества требовалось до 500 мс, что не позволяло использовать такие ЖК-экраны для отображения динамических изображений (например, на экране монитора пропадало изображение указателя мыши при ее быстром перемещении).

  • Сильная зависимость качества изображения (яркости, контрастности) от внешних засветок.

  • Сильное взаимное влияние ячеек, вызванное влиянием управляющего сигнала одной ячейки на соседние.

  • Ограниченный угол зрения, под которым изображение на ЖК-экране хорошо видно.

  • Низкая яркость и насыщенность изображения. 

  • Ограниченные размеры ЖК-экрана. 

  • Высокая стоимость.

Для устранения перечисленных выше недостатков технология Twisted Nematic была усовершенствована. С целью улучшения контрастности изображения угол закручивания молекул ЖК-вещества был увеличен сначала до 120°, а затем — до 270°. Такие ячейки получили название STN (Super-Twisted Nematic —Сверхзакрученные нематические ячейки). Дальнейшим шагом в этом направлении стало использование не одной, а двух ячеек одновременно, последовательно поворачивающих плоскость поляризации в противоположных направлениях. Эта технология получила название DSTN (Dual Super-Twisted Nematic — Двойные сверхзакрученные нематические ячейки). Проблема низкого быстродействия ЖК-ячеек была частично решена путем использования так называемого двойного сканирования, когда весь ЖК-экран разбивается на четные и нечетные строки, обновление которых выполняется одновременно. Двойное сканирование совместно с использованием более подвижных молекул позволило снизить время реакции ЖК-ячейки до 150 мс и значительно повысить частоту обновления экрана. Радикально повысить контрастность и быстродействие ЖК-экранов позволила так называемая технология активных ЖК-ячеек. От обычной (пассивной) активная ЖК-ячейка отличается наличием собственного электронного ключа, выполненного на транзисторе. Такой ключ позволяет коммутировать более высокое (десятки вольт) напряжение, используя сигнал низкого уровня (около 0,7 В). Благодаря применению активных ЖК-ячеек стало возможным значительно снизить уровень сигнала управления и, тем самым, решить проблему частичной засветки соседних пикселов. Поскольку электронные ключи выполняются по тонкопленочной технологии, подобные ЖК-экраны получили название TFT-экраны (Thin Film Transistor— Тонкопленочный транзистор). Технология TFT была разработана специалистами фирмы Toshiba. Она позволила не только значительно улучшить показатели ЖК-мониторов (например, яркость, контрастность, угол зрения), но и создать на основе активной ЖК-матрицы цветной монитор. Каждый элемент такой ЖК-матрицы образован тремя тонкопленочными транзисторами и триадой управляемых ими ЖК-ячеек. Каждая ячейка триады снабжена светофильтром одного из трех основных цветов: красного, зеленого или синего. Изменяя уровень поданного на транзистор управляющего сигнала, можно регулировать яркость каждой ячейки триады. Таким образом, TFT-экран ЖК-монитора состоит из таких же триад, как экран обычного монитора на основе ЭЛТ. Формирование и подача управляющего сигнала видеоадаптера на каждую ЖК-ячейку экрана — трудная задача. Для ее решения в состав плоскопанельного монитора входит специальная электронная схема управления -контроллер ЖК-экрана. Контроллер является наиболее сложным элементом ЖК-монитора. Он выполняет синхронизацию по частоте и фазе выходных сигналов видеоадаптера и управляющих ЖК-экраном синхросигналов, формируемых схемами управления строками и столбцами. Рассогласование этих сигналов по частоте ведет к нарушению корректности обновления строк: нарушается соответствие положения элементов растра на экране временным параметрам видеосигнала. В результате этого появляются такие дефекты изображения, как дрожание растра, появление вертикальных линий на изображении либо его полное пропадание. После выравнивания частот указанных сигналов контроллер ЖК-экрана производит их синхронизацию по фазе, что позволяет добиться необходимой фокусировки изображения и полностью устранить его дрожание. Помимо адресации ячеек и синхронизации изображения, контроллер ЖК-экрана выполняет дополнительное аналого-цифровое преобразование видеосигнала. Необходимость преобразования обусловлена тем, что ЖК-экран (как совокупность огромного количества ячеек) представляет собой устройство с цифровым управлением, т. е. на схему адресации ячеек необходимо подавать цифровой код. В результате значительно уменьшается количество оттенков цвета, отображаемых ЖК-монитором. 2.2. Характеристики жидкокристаллических мониторов Различия в принципах работы обычных и ЖК-мониторов отражаются на потребительских характеристиках последних: ЖК-мониторы имеют несколько иную иерархию качественных показателей. К основным характеристикам жидкокристаллических мониторов относятся следующие. ^ Размер экрана ЖК-мониторов пока меньше, чем у обычных мониторов: размер ЖК-экрана большинства моделей находится в пределах от 13 до 16".. Ориентация экрана может быть портретная или ландшафтная. Традиционные экраны ЭЛТ-мониторов и ЖК-экраны компьютеров типа Notebook имеют только ландшафтную ориентацию. Это обусловлено тем, что поле зрения человека в горизонтальном направлении шире, чем в вертикальном. Однако в ряде случаев (работа с текстами большого объема, Web-страницами) намного удобнее работать с экраном портретной ориентации. Здесь в полной мере проявляется преимущество ЖК-экрана -его можно легко развернуть на 90°, при этом ориентация изображения останется прежней. Разрешение определяется размером ЖК-экрана и размером отдельной ЖК-ячейки. Если разрешение экрана обычного монитора можно менять в широких пределах без заметного ущерба для качества изображения, то подобные манипуляции с плоскопанельными мониторами приводят к появлению лестничного эффекта — края объектов становятся шероховатыми, зазубренными. Особенно негативно это сказывается на качестве отображения экранных шрифтов. ^ Частота строчной развертки ЖК-мониторов изменяется в диапазоне 30— 60 кГц. Для получения стабильного и сфокусированного изображения сигналы строчной развертки ЖК-экрана обычно необходимо подстраивать по частоте и фазе каждый раз при подключении к новому PC. Важная особенность ЖК-мониторов — они предоставляют возможность комфортно работать при сравнительно низкой частоте кадров порядка 60 Гц, что обусловлено большей инерционностью ЖК-ячейки по сравнению с люминофором. Типичная частота кадров в ЖК-мониторе обычно не превышает 75—85 Гц, хотя в некоторых моделях она может быть 100 Гц и более (120 Гц у модели 9516 В13). ^ Яркость является важнейшим параметром, на который следует обратить внимание при выборе плоскопанельного монитора. Чем выше яркость, тем лучше: изображение будет более красочным, блики станут менее заметны, углы обзора увеличатся.  Контрастность изображения на ЖК-экране показывает, во сколько раз изменяется его яркость при изменении уровня видеосигнала от максимального до минимального. Эту величину часто называют коэффициентом контрастности и обозначают в виде отношения (например, 150:1) Чем выше контрастность ЖК-экрана, тем более четкое изображение можно на нем получить. Приемлемая цветопередача обеспечивается при контрастности не менее 130:1, высококачественная цветопередача требует контрастности 300:1. Инерционность ЖК-экрана характеризуется минимальным временем, необходимым для активизации его ячейки. Это время у современных ЖК-экранов значительно уменьшилось по сравнению с первыми моделями. Инерционность современных ЖК-экранов составляет 30—70 мкс, т. е. соответствует значениям аналогичных параметров обычных мониторов. Палитра ЖК-мониторов характеризуются ограниченным количеством воспроизводимых на экране оттенков цветов. Эта ограниченность объясняется тем, что ЖК-монитор является цифровым и требует выполнения дополнительного аналого-цифрового преобразования RGB-сигнала видеоадаптера перед подачей его на ЖК-ячейки. Типовой размер палитры современных ЖК-мониторов составляет 262 144 или 16 777 216 оттенков цветов. Очевидно, что в первом случае режим True Color нельзя реализовать даже тогда, когда на карте видеоадаптера имеется достаточно видеопамяти. Это обстоятельство следует учитывать при выборе монитора и видеоадаптера. Наличие проблемных, или "заклинивших", пикселов, яркость которых при смене изображения и даже при выключении монитора остается неизменной является еще одной отличительной чертой плоскопанельных мониторов. Этот недостаток обусловлен несовершенством технологии производства ЖК-экранов. Рекомендация по этому поводу звучит тривиально — при выборе монитора следует внимательно изучить поверхность его экрана на предмет наличия таких пикселов и при их обнаружении потребовать у продавца заменить монитор. ^ Потребляемая мощность ЖК-мониторов не превышает 35—50 Вт в рабочем режиме и 5—8 Вт в режиме ожидания (дежурном режиме). Столь низкие значения обусловлены отсутствием в этих мониторах блоков разверток и высокого напряжения, необходимых для работы мониторов с ЭЛТ. 2.3. Альтернативные технологии изготовления плоскопанельных мониторов. В настоящее время мониторы на основе жидких кристаллов являются наиболее популярными и технологически отработанными представителями семейства плоскопанельных мониторов. Однако они не единственные — продолжают активно развиваться альтернативные технологии изготовления плоских экранов. В плазменных дисплеях (Plasma Display Panel, PDF) вместо жидкокристаллического вещества используется ионизированный газ. Его молекулы обладают способностью излучать свет в процессе рекомбинации (т. е. восстановления электрической нейтральности). Для приведения молекул газа в ионизированное состояние, т. е. в состояние плазмы (отсюда и происходит название данной технологии), используется высокое напряжение. При ярком свете изображение на экране плазменного дисплея выглядит немного расплывчатым. В настоящее время выпускаются модели с экраном очень большого размера — 42". Плазменные дисплеи стоят очень дорого. ^ Электролюминесцентные мониторы (ElectroLuminescent displays, ELs) no своей конструкции аналогичны ЖК-мониторам, но их принцип действия основан на другом физическом явлении – испускании света при возникновении туннельного эффекта в полупроводниковом p-n-переходе. Такие мониторы имеют высокие частоты развертки и яркость свечения, кроме того, они надежны в работе. Тем не менее, уступают ЖК-мониторам по энергопотреблению (на ячейки подается сравнительно высокое напряжение — около 100 В), а также по чистоте цветов, которые тускнеют при ярком освещении. Мониторы электростатической эмиссии (Field Emission Displays, FED) являются своего рода гибридом двух технологий: традиционной, основанной на использовании ЭЛТ, и жидкокристаллической. В качестве пикселов применяются такие же зерна люминофора, как и в обычном кинескопе. Благодаря этому удалось получить очень чистые и сочные цвета, свойственные обычным мониторам. Но активизация этих зерен производится не электронным лучом, а электронными ключами наподобие тех, что используются в TFT-экранах. Управление этими ключами осуществляется специальной схемой, принцип действия которой аналогичен принципу действия контроллера ЖК-экрана. Для работы такого монитора необходимо высокое напряжение -около 5000 В. Энергопотребление мониторов электростатической эмиссии значительно выше, чем ЖК-мониторов, но на 30% ниже, чем энергопотребление обычных мониторов с экраном того же размера. В настоящее время эта технология обеспечивает наилучшее качество изображения среди всех плоскопанельных мониторов и самую низкую инерционность (около 5 мкс), однако промышленные образцы, имеющие экран размером 14—15", на рынке пока не появились. Технология изготовления органических светодиодных мониторов (Organic Light-Emitting Diode displays, OLEDs), или LEP-мониторов (Light Emission Plastics— Светоизлучающий пластик), также во многом похожа на технологии изготовления ЖК- и EL-мониторов, но отличается материалом, из которого изготавливается экран: в LEP-мониторах используется специальный органический полимер (пластик), обладающий свойством полупроводимости. При пропускании электрического тока такой материал начинает светиться. Основные преимущества технологии LEP являются очень низкое энергопотребление (подводимое к пикселу напряжение менее 3 В), простота и дешевизна изготовления, тонкий (около 2 мм) и, возможно, эластичный экран, низкая инерционность (менее 1 мкс). Недостатком этой технологии являются низкая яркость свечения экрана, монохромность изображения (изготовлены только черно-желтые экраны), маленький экран. LEP-мониторы используются пока только в портативных устройствах, например, в сотовых телефонных трубках. ^ 3. Выбор монитора. При выборе монитора следует провести тестирование качества выводимого на экран монитора изображения с помощью специальный утилиты, например, Nokia Monitor Test. В случае отсутствия специальных утилит используют визуальный контроль качества. Предварительно необходимо включить монитор и дать ему прогреться не менее 20 мин. После непрерывной работы в течение 1,5 —2 ч можно заметить такой тип брака, как появление на экране слабо выраженных нарушений чистоты тона, хорошо заметных на белом фоне и с большого расстояния. На некоторых мониторах такой эффект может выражаться достаточно сильно. Например, весь экран может приобрести голубоватый оттенок, а пятна на нем — желтоватый. Подобные проблемы связаны с термодеформацией маски ЭЛТ-монитора. ^ Проверка фокусировки электронных пушек как в центре экрана, так и по углам производится путем наблюдения темного текста на светлом фоне в центре и в углах экрана. Буквы должны быть четкими и хорошо читаемыми, а на краях экрана пикселы не должны размазываться или двоиться. ^ Проверка сведения может быть выполнена путем наблюдения белых линий, отображаемых на черном фоне. Если на линии появляются полосы другого цвета, воспроизведение на данном мониторе мелких объектов, таких, как символы или линии, может быть невысокого качества. ^ Геометрические искажения можно выявить путем перемещения объекта с постоянными размерами, например приложением любого окна небольшого размера к экрану и измерением его размеров в разных частях экрана. Если размеры окна изменяются в разных частях экрана, значит, присутствует геометрическое искажение, которое, скорее всего, нельзя исправить, особенно если в мониторе не предусмотрены изменяемые параметры настройки геометрии в достаточном количестве. Цветопередача может быть проконтролирована путем последовательного отображения на экране чистых красного, зеленого и синего цветов и наблюдения за тем, как эти цвета отображаются на экране. Если цвет отображается неправильно, значит, у монитора неверная цветопередача. ^ Неравномерность засветки выявляют при выведении на экран полностью белого изображения. Яркость должна быть равномерной по всей площади и не должно быть заметно никаких явных цветных или темных пятен. Муар, или комбинационное искажение, проявляется на фоне или вокруг объектов в виде контуров линий, волн, ряби и т.д. Муар является следствием естественной интерференции, которая проявляется на всех ЭЛТ-мониторах. Муар зависит от используемого разрешения и размера монитора и лучше всего заметен именно в высоких разрешениях на мониторах с прекрасно сфокусированными лучами. Если виден муар, значит, монитор хорошо сфокусирован. Если муара вообще не наблюдается, значит, у монитора плохая фокусировка. В некоторых мониторах предусмотрена регулировка муара, что позволяет сделать его незаметным. Контрольные вопросы.

  1. Охарактеризуйте различные типы ЭЛТ-мониторов.

  1. Каким образом формируется изображение в ЭЛТ-мониторах?

  2. Какими характеристиками обладают мониторы на основе электронно-лучевой трубки.

  3. Как организуется формирование изображения в ЖК-мониторах?

  4. Приведите основные характеристики плоскопанельных мониторов.

  5. Какие альтернативные технологии используются в построении плоскопанельных мониторов?

  6. На какие параметры нужно обратить внимание при выборе монитора?

Системы пейджинговой радиотелефонной связи. Пейджер (от англ. to page — вызывать, выкликать) — приемно-передающее устройство персонального радиовызова. Пейджинговая связь появилась в середине 1950-х гг. и воспринималась неоднозначно, поскольку наряду с высокой оперативностью и низкой стоимостью она до сих пор еще является в основном односторонним видом связи. В 1990-х гг. на фоне стремительного развития сотовой связи ожидалось снижение популярности пейджинговой связи. Однако этого не произошло, поскольку были разработаны высокоскоростные протоколы обмена и появились системы двухсторонней связи. По данным на 2001 г. в развитых странах пейджинговой связью пользовалось до 20 % населения; во всем мире насчитывалось 110 млн абонентов, причем за ближайшие три года ожидается увеличение этого числа до 200 млн. ^ Пейджинговые сети связи организованы по радиальному и сотовому принципам, могут быть односторонними и двухсторонними. Односторонние пейджинговые сети имеют широкое применение, поскольку предполагают сплошное перекрытие всей зоны обслуживания. На рис. 8.5 приведена структурная схема односторонней пейджинговой сети. Рис. 8.5. Структурная схема односторонней пейджинговой сети. Основой пейджинговой сети является пейджинговый терминал: приемно-передающее устройство с контроллером, ретранслятором, пультом управления и антенной. На пейджинговый контроллер сети информация поступает через интерфейс доступа, который является системой сбора и обработки поступающей информации и в общем случае включает в себя локальные рабочие места операторов, соединенные с коммутационным сервером сети. Для передачи информации могут использоваться телефон, радиотелефон, телефакс, модем. Некоторые пейджинговые компании предоставляют возможность передавать сообщения на пейджер непосредственно с персонального компьютера по электронной почте (е-mail) или через Internet. Для приема информации используется миниатюрный УКВ-приемник — пейджер, работающий в диапазоне частот 146— 174 МГц. Современный уровень телекоммутационной техники позволяет построить пейджинговую сеть любого размера: от офисной до общегосударственной. Наиболее характерны три вида этих систем: корпоративные, локальные и региональные. ^ Ведомственные, или локальные, пейджинговые сети используются в рамках какого-либо предприятия (вокзалы, аэропорты), имеют радиус действия до пяти километров, ограниченное количество абонентов и построены по радиальному принципу. ^ Городские пейджинговые сети отличаются радиусом действия в десятки километров и охватывают несколько тысяч абонентов. Региональные пейджинговые сети охватывают еще большую территорию, и поэтому при их создании используется такой же принцип, как и в радиотелефонной сотовой сети. Такие системы имеют наиболее развитые функциональные и сервисные возможности. Двухсторонние пейджинговые сети позволяют не только посылать сообщения, но и получать ответ на них. Они используются также для обмена информацией между абонентом и оператором сети, между двумя абонентами. Пейджер для двухсторонней связи отличается от обычного наличием маломощного передатчика. Владелец двухстороннего пейджера имеет возможность принимать сообщения длиной до 500 символов и посылать ответные сообщения длиной до 150 символов. Пейджеры нового поколения имеют возможность при помощи Internet принимать и посылать сообщения, передаваемые по электронной почте. ^ Спутниковые системы персонального радиовызова — глобальные системы оповещения с доставкой кодированных сообщений абонентам в любую точку земного шара (рис. 8.6). Первая спутниковая система одностороннего персонального радиовызова SkyTel, разработанная в 1995 г., предназначена для передачи сообщений мобильным пользователям от абонентов наземных телефонных сетей общего пользования. Спутниковая система персонального радиовызова ориентирована на следующие группы пользователей: суда и коммерческие самолеты, находящиеся вне зоны действия наземных служб передачи данных; организации, обеспечивающие добычу энергоносителей и различных природных ресурсов в отдаленных регионах; геологов и путешественников. Рис 8.6. Спутниковые системы персонального радиовызова. Уже введена в строй Единая пейджинговая система России, которая позволит в ближайшем будущем создать на территории страны единое информационное пространство. Отличительной особенностью системы является возможность создания во всех областных и крупных промышленных центрах России локальных сетей пейджинговой связи, использующих единый стандарт, совместимый со стандартами сотовых радиотелефонных сетей. ^ Пейджинговые стандарты кодирования информации — это набор технических характеристик функций пейджеров, значений скорости передачи, протоколов, параметров связи. Под протоколом понимается совокупность правил, регламентирующих форматы и процедуры обмена информацией. ^ Первым пейджинговым стандартом, на котором основан односторонний протокол обмена, был TWO TONES (два тона), основанный на посылке сигнала в виде комбинации двух частот. Этот стандарт обеспечивал короткую звуковую сигнализацию вызова и позволял обслужить только небольшое количество абонентов. В большинстве российских пейджинговых систем используется международный стандарт POCSAG (Post Office Code Standartisation Advisory Group). Этот стандарт обеспечивает обслуживание до 2 млн абонентов и позволяет передавать как тональные, так и текстовые кодированные сообщения и используется более чем в 80 % сетей всего мира. Скорость передачи информации 512, 1200 и 2400 бит/с. Благодаря широкому применению стандарта, легко решаются вопросы роуминга. Роуминг — режим работы, при котором информация, адресованная абонентам некоторой пейджинговой сети, может поступать к ним в различных городах, поскольку разные компании-операторы без особых проблем могут передавать и переадресовывать клиентов друг другу. В настоящее время в России рассматриваются возможности построения систем персонального радиовызова на основе общеевропейского пейджингового стандарта ERMES. Основное достоинство стандарта ERMES в том, что он полностью совместим с европейским стандартом GSM сотовой радиосвязи. В отдельных пейджинговых компаниях внедряется высокоскоростной стандарт FLEX (Flexibility — гибкий), который позволяет одновременно обслуживать до 3,5 млрд абонентов в одной системе. Максимальная скорость передачи сообщений в одной системе 6400 бит/с, что значительно выше, чем в протоколе POCSAG. В последнее время на основе стандарта FLEX создается семейство высокоскоростных протоколов ReFLEX и InFLEX. Протокол ReFLEX дает возможность двухсторонней передачи, т. е. владелец пейджера может не только принимать сообщение, но и посылать подтверждение о его получении либо кратко отвечать с помощью заранее предусмотренного кода; максимальная скорость передачи в этом протоколе 25,6 Кбит/с. Протокол InFLEX отличается еще большей скоростью передачи — до 112 Кбит/с. Стандарт Nexus разработан для двухсторонней пейджинговой связи и отличается тем, что при организации обратной связи с пейджера можно осуществлять побуквенный набор ответного сообщения. Пейджеры в общем случае представляют собой миниатюрные УКВ-приемники, снабженные декодером, устройством обработки и хранения информации, устройством отображения информации и сигнализации. Структурная схема пейджера дана на рис. 8.7. Пейджеры подразделяются на тональные, цифровые и текстовые. Рис 8.7. Структурная схема пейджера. Тональные и «голосовые» пейджеры — самые простые, дешевые и малогабаритные (размером со спичечный коробок), извещают абонента о вызове вибрационным, звуковым или световым сигналом. При этом тип оповещательного сигнала может условно кодировать одно из пяти-шести заранее выбранных абонентом сообщений: позвонить в голосовой почтовый ящик, позвонить в офис, позвонить домой и т. п. Тональные пейджеры применяются достаточно редко. «Голосовые» пейджеры применяются в служебных сетях и позволяют после прохождения сигнала вызова прослушать речевое сообщение. ^ Цифровые пейджеры работают исключительно с цифровыми сигналами, имеют, как правило, дисплей и оперативную память. На ЖК-дисплей передается цифровое сообщение (номер телефона, по которому нужно позвонить; время некоторого заранее обусловленного события; курс акций и т.п.). Такой пейджер обычно используется совместно с голосовым почтовым ящиком (ГПЯ), организуемым практически в каждой пейджинговой системе. В этом случае на пейджер выдается только сообщение о наличии в ГПЯ информации в адрес абонента. Но содержание этой информации абонент может раскрыть для себя, позвонив в почтовый ящик с любого близлежащего телефона (доступ в ГПЯ конфиденциальный), — по идентификатору и/или паролю. Цифровые пейджеры работают в стандарте POCSAG. ^ Текстовые, или буквенно-цифровые, пейджеры пользуются наибольшей популярностью. Их модели весьма разнообразны. Информация отображается на многострочном жидкокристаллическом индикаторе (ЖКИ). Память содержит более 18 000 знаков. Сообщения выводятся как на русском, так и на английском языках. В качестве дополнительных функций текстовые пейджеры имеют часы, будильник, систему регистрации даты и времени поступления сообщения, обеспечивают просмотр и селективный выбор сообщений. Текстовый пейджер может служить записной книжкой, ежедневником с системой таймеров, оповещающих о времени намеченной встречи или телефонного звонка. ^ Сервисные услуги пейджинговой связи, получаемые пейджером, зависят от оператора, которым он обслуживается. Многие современные компании-операторы предоставляют следующие дополнительные услуги:

  • роуминг с другими операторами пейджинговой связи, в том числе за рубежом;

  • работу в информационных компьютерных сетях;

  • голосовую почту с длительным хранением голосовых сообщений;

  • организацию персонального автоответчика;

  • получение сообщений по факсу и по электронной почте;

  • передачу сообщений с переводом на заранее указанный язык;

  • напоминание в нужное время о неотложных делах (функции секретаря);

  • получение информации о срабатывании охранной сигнализации квартиры, офиса, машины при условии подключения этой сигнализации к какому-либо телефону или радиотелефону;

  • при двухсторонней связи включение и отключение сигнализации, других элементарных операций управления;

  • передачу оперативных новостей: итоги валютных торгов и другие финансовые новости, прогнозы погоды в разных регионах, транспортная хроника, юридическая информация, анонсы концертов и дискотек и др. по нескольким информационным каналам.

^ 2. Системы сотовой подвижной связи Первая система радиотелефонной связи, предлагавшая услуги всем желающим, начала функционировать в 1946 г. в США. Радиотелефоны, применявшиеся вначале в этой системе, использовали обычные фиксированные по частоте каналы связи. Если канал связи был занят, абонент переключался на другой — свободный. Впоследствии с развитием техники радиотелефонной связи свободный канал выбирался автоматически. Однако дальнейшее совершенствование систем радиотелефонной связи сдерживалось ограниченностью частотного ресурса, связанной с тем, что число фиксированных частот в определенном частотном диапазоне не может бесконечно увеличиваться: радиотелефоны с близкими по частоте рабочими каналами начинают создавать взаимные помехи. Решение этой проблемы было найдено в середине 1940-х гг., когда исследовательским центром Bell Laboratories американской компании AT&T была предложена идея разбиения всей обслуживаемой территории на небольшие участки, которые назвали сотами (cell). Каждая сота должна была обслуживаться передатчиком с ограниченным радиусом действия и фиксированной частотой. Это позволило бы без всяких помех использовать ту же частоту повторно в другой ячейке (соте). На аппаратном уровне такой принцип организации связи был реализован только в начале 1990-х гг. В 1990 г. в США был утвержден первый национальный стандарт цифровой сотовой связи, а в 1992 г. в Германии вступила в коммерческую эксплуатацию первая система цифровой сотовой связи стандарта GSM (Global System for Mobile Communication). В России в 1994 г. была принята концепция развития сетей сухопутной подвижной связи, инициировавшая развитие национальных сетей сотовой связи. Главный принцип функционирования систем сотовой радиосвязи заключается в том, что система обслуживает территорию, разделенную на много небольших зон, каждая из которых обслуживается своим комплексом радиооборудования. Для разделения территории на зоны без перекрытия или пропусков участков наиболее оптимальной формой зоны является шестиугольник. Разделение территории на шестиугольные зоны, похожие на пчелиные сотовые ячейки, дало название радиотелефонной мобильной связи — сотовая. Границы соты определяются зоной устойчивой радиосвязи и зависят от мощности приемно-передающего радиоустройства, топологии местности и частотного диапазона работы системы. Чем выше полоса частот системы, тем меньше радиус соты, но тем лучше способность сигнала проникать через стены и другие препятствия и, что также важно, тем миниатюрнее радиоаппаратура и выше возможности организации большего количества абонентских радиоканалов. Современные сотовые системы работают на частотах 450, 800, 900 и 1800 МГц. В состав оборудования системы сотовой связи входят базовые станции и центр коммутации, соединенные по выделенным проводным или радиорелейным каналам, как показано на рис. 8.10. Рис. 8.8. основные составляющие системы сотовой связи. Центр коммуникации — это автоматическая телефонная станция системы сотовой связи, обеспечивающая все функции управления сетью: слежение за подвижными абонентами, организация их эстафетной передачи, переключение рабочих каналов в соте при появлении помех, соединение абонента с абонентом обычной телефонной сети. ^ Базовая станция представляет собой многоканальный приемопередатчик, работающий в режиме приема и передачи сигнала и служащий своеобразным интерфейсом между сотовым телефоном и центром коммуникации подвижной связи. Число каналов базовой станции обычно кратно 8: 8, 16, 32. Один из каналов является управляющим, или каналом вызова, поскольку именно на нем производится установление соединения при вызове подвижного абонента сети, однако разговор происходит после переключения на другой канал, свободный в данный момент. Сама идея сотовой сети мобильной связи заключается в том, что, еще не выйдя из зоны действия одной базовой станции, телефон и его владелец попадают в зону действия следующей, и так вплоть до наружной границы всей зоны покрытия сети. При этом сотовая связь не обязательно подразумевает мобильность: сегодня во всем мире все большее распространение получает так называемая «сотовая фиксированная связь». Такое решение часто оказывается экономически выгодным — отпадает необходимость в дорогостоящей прокладке телефонного кабеля, а одной мощной базовой станции вполне достаточно для телефонизации целого микрорайона. Антенны базовых станций устанавливаются в городе на высоте 15—100 м от поверхности земли на уже существующих постройках (общественных, производственных зданиях, жилых домах, дымовых трубах), а за городом — на высоких мачтах. Система сотовой связи функционирует по следующему алгоритму.

  1. В режиме ожидания (трубка положена) приемное устройстворадиотелефона постоянно сканирует либо все каналы системы,либо только управляющие.

  2. Для вызова соответствующего абонента всеми базовыми станциями системы связи по управляющим каналам передается сигнал вызова.

  3. Сотовый телефон вызываемого абонента при получении этого сигнала отвечает по одному из свободных каналов управления.

4. Базовые станции, принявшие ответный сигнал, передаютинформацию о его параметрах в центр коммуникации, который,в свою очередь, переключает разговор на ту базовую станцию, гдезафиксирован максимальный уровень сигнала сотового телефонавызываемого абонента. Число абонентов в каждой соте не постоянно, поскольку они перемещаются из соты в соту. При пересечении границы между сотами производится автоматическое переключение абонента на обслуживание в другой соте. Важнейшей услугой сотовой связи является роуминг — возможность использования одного и того же телефона в поездках. Для обеспечения роуминга необходимо выполнение следующих условий:

  1. совместимость стандарта сотовой системы места пребывания со стандартом компании, у которой был приобретен радиотелефон;

  2. наличие у регионов и компаний организационных и экономических соглашений о роуминговом обслуживании;

  3. существование каналов связи между системами, обеспечивающими передачу информации для роуминговых абонентов.

Роуминг подразделяется на следующие виды: автоматический, позволяющий абоненту выйти на связь в любое время в любом регионе; полуавтоматический, когда абонент предварительно должен оповестить оператора о желании пользоваться роумингом, и ручной, представляющий собой обмен одного радиотелефона на другой, подключенный к сотовой сети другого оператора, обслуживающего зону предстоящей поездки. ^ Системы сотовой связи подразделяются на аналоговые и цифровые. Аналоговые системы сотовой подвижной связи относятся к первому поколению сотовых систем. В них используется аналоговый способ передачи информации с помощью частотной или фазовой модуляции, как в обычных радиостанциях. Недостатки применения аналогового способа связаны с возможностью прослушивания разговоров другими абонентами, отсутствием эффективных способов борьбы с затуханием сигналов под влиянием ландшафта и при перемещении абонентов. В России известны такие стандарты аналоговой связи, как NMT (Nordic Mobile Telephone — северный мобильный телефон) и AMPS (Advanced Mobil Phone System — развитая система мобильного телефона). Цифровые системы сотовой подвижной связи относятся к системам второго поколения. По сравнению с аналоговыми они предоставляют абоненту более широкий выбор услуг, обеспечивают высокое качество связи. В России цифровые системы сотовой подвижной связи основаны в основном на стандарте GSM (Global System for Mobile Communication — глобальная система для мобильной связи), получившем самое широкое распространение в Европе и обеспечивающем хорошее качество связи и широкий международный роуминг. Характеристики цифрового стандарта сотовой связи GSM даны в табл. 8.2. ^ Таблица 8.2  Характеристики цифрового стандарта сотовой связи GSM

Характеристика

^ Цифровой стандарт GSM

Диапазон частот, МГц

935-960; 890-915

Радиус ячейки, км

0,5-35

Ширина полосы частот канала, кГц

45

Разнос частот каналов, кГц

200

Стандарт обслуживается своими компаниями, называемыми обычно операторами сотовой связи. При выборе оператора следует учитывать зону охвата территории и возможный роуминг; качество сигнала; сервисные услуги и их доступность; качество обслуживания; стоимость предоставляемых услуг и возможность выбора схемы расчета за них. ^ Сотовые радиотелефоны как неотъемлемая часть системы подвижной связи подвержены значительным трансформациям и с позиций конструктивных решений, и по объему предоставляемых сервисных функций и дизайну. Выбор стандарта сотовой связи обусловливает класс модели радиотелефона. В пределах каждого класса модели радиотелефоны различаются не только объемом сервисных функций, но часто и параметрами приемно-передающих трактов. В состав конструкции радиотелефона вне зависимости от модели входят:

  • передающее и приемное устройства;

  • устройства преобразования и воспроизведения речи;

  • устройства контроля и управления;

  • антенна;

  • звонок (зуммер);

  • клавиатура;

  • дисплей.

(Всего лишь 30 лет назад содержимое современного сотового телефона заняло бы целый этаж здания, а теперь телефон размещается на ладони.) Все эти элементы обычно располагаются следующим образом: на передней крышке — клавиатура, дисплей, микрофон и громкоговоритель; на задней крышке — антенна, а между ними — многослойная печатная плата. Благодаря оригинальным инженерным решениям вес телефонов постоянно снижается. ^ Сервисные услуги, предоставляемые операторами сотовой подвижной связи своим клиентам, следующие:

  • получение и отправка факсов и электронной почты;

  • передача и прием на радиотелефон коротких текстовых сообщений (служба SMS — Short Message Service);

  • голосовая почта с записью и хранением сообщений в почтовом ящике;

  • обеспечение конфиденциальности разговоров и информации;

  • организация «звонков-конференций», т.е. вызов на связь одновременно целой группы абонентов;

  • возможность непосредственного обмена информацией с компьютерами, в частности с портативными ПК;

  • беспроводный доступ в Internet, когда информация из Internetпоступает непосредственно на экран мобильного телефона, такназываемая WAP-технология (Wireless Access Protocol);

  • переадресация и ожидание звонков;

  • возможность использования автоответчика с записью сообщения, организация собственного телефонного справочника споиском записи по имени абонента, программирование для набора номера вызываемого абонента нажатием одной кнопки илидаже голосом, учет времени разговоров на данном радиотелефоне, изменение кода блокировки радиотелефона;

  • услуги справочного характера, дополнительно предоставляемые оператором.

Перечень сервисных услуг расширяется достаточно стремительно. Одним из направлений совершенствования конструкции мобильных телефонов является их интеграция с различными техническими средствами информатизации. Так, компания Panasonic встраивает в свои модели диктофон, а компания Samsung Electronics — цифровую фотокамеру. ^ Воздействие на человеческий организм систем сотовой связи дискутируется в средствах массовой информации. Анализируются последствия облучения головного мозга при пользовании сотовым телефоном. Исследователи единодушны в том, что электромагнитное излучение влияет на ткани головного мозга. Единицей влияния микроволного излучения является «специфическая норма поглощения» SAR (Specific Absorbtion Rates), численно равная энергии поглощенного излучения, приходящейся на 1 г биоткани. Европейские организации рекомендуют для сотовых телефонов предельную норму SAR 2 мВт/г. Проведенные в Швейцарии исследования 16 моделей сотовых телефонов показали, что уровень SAR у них находится в диапазоне 0,28— 1,22 мВт/г. Базовые станции сотовой связи работают в режиме приема и передачи сигнала в диапазоне частот от 463 до 1880 МГц, что может неблагоприятно сказываться на здоровье человека. В Москве и Московской области специалистами разных стран были проведены исследования электромагнитной обстановки на территориях, прилегающих к базовым станциям. На прилегающей территории в 91 % случаев зафиксированные уровни электромагнитного поля были в 50 раз меньше допустимого. Однако сотовый телефон может быть смертельно опасен для человека, что связано с проблемой электромагнитной совместимости радиоэлектронных устройств. В связи с этим сотовые телефоны не разрешается использовать в больницах и на борту авиалайнеров, чтобы не внести помехи в работу используемого сложного радиотехнического оборудования. Сотовые телефоны могут быть опасны для людей, которые пользуются электронными кардиостимуляторами. ^ 3. Спутниковые системы связи Существенным преимуществом спутниковых систем связи по сравнению с пейджинговой и сотовой является отсутствие ограничений по привязке к конкретной местности Земли. Спутниковые системы связи в зависимости от предоставляемых услуг можно подразделить на следующие классы. 1. ^ Системы пакетной передачи данных предназначены для передачи в цифровом виде любых данных (телексных, факсимильных сообщений, компьютерных). Скорость пакетной передачи данных в космических системах связи составляет от единиц до сотен килобайт в секунду. В этих системах не предъявляются жесткие требования к оперативности доставки сообщений. Например, в режиме «электронная почта» поступившая информация запоминается бортовым компьютером и доставляется корреспонденту в определенное время суток.

  1. ^ Системы речевой (радиотелефонной) спутниковой связи используют цифровую передачу сообщений в соответствии с международными стандартами: задержка сигнала на трассе распространения не должна превышать 0,3 с, обслуживание абонентов должнобыть непрерывным и происходить в реальном масштабе времени,а переговоры во время сеанса связи не должны прерываться.

  2. ^ Системы для определения местоположения (координат) потребителей, таких как автотранспортные, авиа- и морские средства.

В обозримом будущем системы спутниковой связи должны дополнить системы сотовой связи там, где последние невозможны или недостаточно эффективны при передаче информации, например: в морских акваториях, в районах с малой плотностью населения, а также в местах разрывов наземной инфраструктуры телекоммуникаций. Структура системы спутниковой связи включает в себя следующие составляющие (рис. 8.11):

  • космический сегмент, состоящий из нескольких спутников-ретрансляторов ;

  • наземный сегмент, содержащий центр управления системой, центр запуска космического аппарата (КА), командно-измерительные станции, центр управления связью и шлюзовыестанции;

  • пользовательский (абонентский) сегмент, осуществляющийсвязь при помощи персональных спутниковых терминалов;

  • наземные сети связи, с которыми через интерфейс сопрягаются шлюзовые станции космической связи.

Рис. 8.11. Структура спутниковых систем персональной связи. ^ Космический сегмент представляет собой несколько спутников-ретрансляторов, размещенных равномерно на определенных орбитах и образующих космическую группировку. ^ Космический аппарат связи содержит: центральный процессор, радиоэлектронное оборудование, антенные системы, системы ориентации и стабилизации положения КА в пространстве, двигательную установку и систему электропитания. Спутник в системе низкоорбитальной связи находится на высоте около 1000 км и движется со скоростью около 7 км/с. Время, в течение которого его можно наблюдать из некоторой точки поверхности Земли (время видимости), не превышает 14 мин. После этого спутник «уходит» за линию горизонта. Для поддержания непрерывной связи (например, при телефонном разговоре) необходимо, чтобы в тот момент, когда первый спутник покидает зону обслуживания, его заменял второй, а потом третий. Это похоже на сотовую телефонную связь, где роль базовых станций выполняют спутники. Для обеспечения связью абонентов не только в зоне видимости одного КА, но и на всей территории Земли соседние спутники должны связываться между собой, передавая друг другу информацию. Для надежного охвата всей территории Земли необходимо иметь большое число спутников: в проекте спутниковой системы связи Teledesic предусматривается использование почти тысячи спутников. Необходимое число спутников уменьшается с увеличением высоты орбиты, так как увеличивается зона видимости. Благодаря этому снижается стоимость орбитальной группировки и услуг связи. Но при этом из-за увеличения дальности связи неизбежно усложняются и удорожаются персональные спутниковые терминалы. Таким образом, число спутников в орбитальной группировке является результатом компромисса между стоимостью и желаемым объемом услуг связи, с одной стороны, и простотой персонального спутникового терминала — с другой. Системы спутниковой связи «Горизонт» и «Экспресс» в настоящее время обеспечивают телефонную связь, телевизионное и звуковое вещание, передачу потоков информации во многих регионах России, а также в ряде зарубежных стран. Система «Горизонт» с восемью космическими аппаратами на орбите с 1979 г. и по настоящее время является основной составной частью сети спутниковой связи России. На базе КА «Горизонт» создан ряд независимых сетей: «Интерспутник», «Орбита», «Москва», «Москва-Глобальная». Одним из направлений развития спутниковой связи в 1990-х гг. стали системы на базе низкоорбитальных КА с высотой орбиты 700—1500 км. Низкоорбитальные системы отличаются возможностью использования сравнительно недорогих малогабаритных спутниковых терминалов и позволяют обеспечить бесперебойную связь с терминалами, размещенными в любой точке Земли, но особенно эффективны при организации связи в регионах со слаборазвитой инфраструктурой. К числу низкоорбитальных систем относится система спутниковой связи Indium, созданная при сотрудничестве Японии, США и России. В разрабатываемом проекте вначале предусматривалось использование 77 спутников (именно поэтому проект получил такое название: иридиум в таблице Менделеева является 77 элементом). В состав орбитальной группировки низкоорбитальной глобальной системы спутниковой связи Globalstar входят 48 спутников-ретрансляторов, размещенных на восьми круговых орбитах (по шесть спутников на каждой). К системам среднеорбитальной спутниковой связи относятся системы на базе КА, высота орбит которых находится в пределах 5—15 тыс. км. При таких орбитах время видимости одного спутника-ретранслятора доходит до нескольких часов, что позволяет уменьшить число спутников до 10—12. Из числа средне-орбитальных систем связи наиболее известны Inmarsat, ISO и Odyssey, созданные различными международными организациями и концернами. Системы связи с использованием стационарных спутников предусматривают «зависание» спутника над заранее выбранными точками Земли. Такое «зависание» обеспечивается высотой орбиты 35 875 км, на которой скорость перемещения КА совпадает со скоростью вращения Земли. К преимуществам систем связи с использованием геостационарных спутников можно отнести отсутствие перерывов связи, охват связью 95 % поверхности Земли системой из трех геостационарных спутников. Например, система «Банкир», использующая космический сегмент из трех геостационарных спутников связи «Купон», предназначена для оперативного обмена информацией в российской банковской и финансовой системах с выходом на банковские системы ближнего и дальнего зарубежья. Система геостационарной спутниковой связи «Ямал» — результат сотрудничества России и США в области создания и эксплуатации систем спутниковой связи — состоит из двух малых КА «Ямал» и предназначена для развития телекоммуникационных сетей в северных районах России, богатых залежами нефти и газа. Все системы глобальной спутниковой связи предлагают следующий набор услуг:

  • передача речи;

  • передача факсимильных сообщений;

  • передача данных;

  • персональный радиовызов (пейджинг);

  • определение местоположения абонента;

  • глобальный роуминг.

Для организации персональной спутниковой связи применяются переносные персональные спутниковые терминалы (массой около 700 г) и мобильные терминалы (массой около 2,5 кг). Данные терминалы способны устанавливать связь между абонентами за 2 с, как и в системе сотовой связи. Промышленные образцы спутниковых терминалов не столь многочисленны, как радиотелефоны, и находятся в стадии постоянного совершенствования. Например, спутниковый телефон системы Iridium представляет собой малогабаритную конструкцию со встроенной антенной и массой несколько сот грамм. Сопряжение спутникового телефона с сетями сотовой связи обеспечивает дополнительное устройство — SIM-карта.

Аппаратная реализация. Классификация топологических элементов сетей. Локальные сети состоят из конечных устройств и промежуточных устройств, соединенных кабельной системой. Определим некоторые основные понятия. Узлы сети – конечные устройства и промежуточные устройства, наделенные сетевыми адресами. К узлам сети относятся компьютеры с сетевым интерфейсом, выступающие в роли рабочих станций, серверов или в обеих ролях; сетевые периферийные устройства (принтеры, плоттеры, сканеры); сетевые телекоммуникационные устройства (модемные пулы, модемы коллективного использования); маршрутизаторы. Кабельный сегмент – отрезок кабеля или цепочка отрезков кабелей, электрически (оптически) соединенных друг с другом, обеспечивающие соединение двух или более узлов сети. ^ Сегмент сети (или просто сегмент) – совокупность узлов сети, использующих общую (разделяемую) среду передачи.  Сеть (логическая) – совокупность узлов сети, имеющих единую систему адресации третьего уровня модели OSI. Примерами могут быть IPX-сеть, IP-сеть. Каждая сеть имеет свой собственный адрес. Этими адресами оперируют маршрутизаторы для передачи пакетов между сетями. Сеть может быть разбита на подсети, но это чисто организационное разделение с адресацией на том же третьем уровне. Сеть может состоять из множества сегментов, причем один и тот же сегмент может входить в несколько разных сетей. Облако – коммуникационная инфраструктура с однородными внешними интерфейсами, подробностями организации которой не интере­суются. Примером облака может быть городская – междугородная – международная телефонная сеть, так как в любом ее месте можно подключить телефонный аппарат и связаться с любым абонентом. По способу использования кабельных сегментов различают: 

  • двухточечные соединения – между двумя (и только двумя!) узлами. Для таких соединений в основном используются симметричные электрические (витая пара) и оптические кабели;

  • многоточечные соединения – к одному кабельному сегменту подключается более двух узлов. Типичная среда передачи – несимметричный электрический кабель (коаксиальный кабель), возможно применение и других кабелей, в том числе и оптических. Соединение устройств отрезками кабеля друг за другом называется цепочечным. Возможно подключение множества устройств и к одному отрезку кабеля – методом прокола. 

Связь между конечными узлами, подключенными к различным кабельным и логическим сегментам, обеспечивается промежуточными системами –активными коммуникационными устройствами. Эти устройства имеют не менее двух портов (интерфейсов). По уровням модели OSI, которыми они пользуются, эти устройства классифицируются следующим образом: 

  • повторитель – устройство физического уровня, позволяющее преодолевать топологические ограничения кабельных сегментов. Информация из одного кабельного сегмента в другой передается побитно, анализ информации не производится;

  • мост – средство объединения сегментов сетей, обеспечивающее передачу кадров из одного сегмента в другой (другие). Кадр, пришедший из одного сегмента, может быть передан в другой или отфильтрован. Решение о продвижении (передаче в другой сегмент) или фильтрации (игнорировании) кадра принимается на основании информации 2-го уровня:

  • мост МАС-подуровня позволяет объединять сегменты сети в пределах одной технологии;

  • мост LLC-подуровня, он же транслирующий мост, позволяет объединять сегменты сетей и с разными технологиями. 

Для узлов сети мост может быть «прозрачным», присутствие такого моста никак не отражается на действиях узлов. Мост сам определяет, требуется ли передача кадра из одного сегмента в другой и в какой именно. В противоположность прозрачным, существуют и мосты с маршрутизацией от источника. Для использования этих мостов источник кадра должен указать трассу его передачи. В пересылаемом кадре мост может модифицировать информацию только второго уровня, третьим уровнем он не интересуется. На основании информации второго уровня мост может выполнять фильтрацию по правилам, заданным административным способом. Мост может быть локальным, удаленным или распределенным. ^ Локальный мост – устройство с двумя или более интерфейсами, к которым подключаются соединяемые сегменты локальных сетей. Удаленные мосты соединяют сегменты сетей, значительно удаленные друг от друга, через линию связи. Для связи удаленных сегментов мосты устанавливают парами, по устройству на каждом конце линии. Распределенный мост представляет собой совокупность интерфейсов некоторого коммуникационного облака, к которым подключаются сегменты соединяемых сетей. Коммутатор второго уровня (MAC и LLC) выполняет функции, аналогичные функциям мостов, но используется для сегментации – разбивки сетей на мелкие сегменты с целью повышения пропускной способности. Интеллектуальные коммутаторы используются для построения виртуальных локальных сетей (ВЛС). В случае микросегментации (к каждому порту подключается микросегмент, содержащий всего один узел) коммутатор должен передавать в другой порт (порты) каждый кадр, принятый каждым портом, что предъявляет высокие требования к его производительности. Маршрутизатор (router) работает на 3-м уровне и используется для пере­дачи пакетов между сетями. Маршрутизаторы ориентируются на конкретный протокольный стек (TCP/IP, IPX/SPX, AppleTalk); мультипротокольные маршрутизаторы могут обслуживать несколько протоколов. Согласно правилам используемого протокола, маршрутизатор в пересылаемых пакетах модифицирует некоторые поля заголовка 3-го уровня. Маршрутизатор выполняет фильтрацию на основе информации 3-го уровня (и выше). В отличие от повторителей и мостов или коммутаторов, присутствие маршрутизатора известно узлам сетей, подключенных к его интерфейсам. Каждый порт маршрутизатора имеет свой сетевой адрес, на этот адрес узлы посылают пакеты, предназначенные узлам других сетей. ^ Коммутатор третьего уровня решает задачи, близкие задачам маршрутизаторов, и ряд других (построение виртуальных локальных сетей) с более высокой производительностью.  ^ 2. Топология, методы доступа к среде. Каждая сетевая технология имеет характерную для нее топологию соединения узлов сети и метод доступа к среде передачи. Эти категории связаны с двумя нижними уровнями модели OSI. Различают физическую топологию, определяющую правила физических соединений узлов (прокладку реальных кабелей), и логическую топологию,определяющую направления потоков данных между узлами сети. Логическая и физическая топологии относительно независимы друг от друга. Физические топологии – шина, звезда, кольцо, дерево, сетка – иллюстрирует рис. 8.4. Рис. 8.4. Разновидности топологии сетей:а – шина, б – звезда, в – кольцо, г – дерево, д - сетка В логической шине информация (кадр), передаваемая одним узлом, одновременно доступна для всех узлов, подключенных к одному сегменту. Передачу считанных данных на вышестоящий уровень (LLC-подуровень) производит только тот узел (узлы), которому адресуется данный кадр. Логическая шина реализуется на физической топологии шины, звезды, дерева, сетки. Метод доступа к среде передачи, разделяемой между всеми узлами сегмента, – вероятностный, основанный на прослушивании сигнала в шине, или детерминированный, основанный на определенной дисциплине передачи права доступа. В логическом кольце информация передается последовательно от узла к узлу. Каждый узел принимает кадры только от предыдущего и посылает только последующему узлу по кольцу. Узел транслирует дальше по сети все кадры, а обрабатывает только адресуемые ему. Реализуется на физической топологии кольца или звезды с внутренним кольцом в концентраторе. Метод доступа – детерминированный. Современный подход к построению высокопроизводительных сетей переносит большую часть функций МАС-уровня (управление доступом к среде) на центральные сетевые устройства – коммутаторы. При этом можно говорить о логической звезде, хотя это название широко не используется. Методы доступа к среде передачи делятся на вероятностные и детерминированные. При вероятностном методе доступа узел, желающий послать кадр в сеть, прослушивает линию. Если линия занята или обнаружена коллизия (столкновение сигналов от двух передатчиков), попытка откладывается на некоторое время. Общий недостаток вероятностных методов доступа – неопределенное время прохождения кадра, резко возрастающее при увеличении нагрузки на сеть, что ограничивает его применение в системах реального времени. При детерминированном методе узлы получают доступ к среде в предопределенном порядке. Последовательность определяется контроллером сети, который может быть централизованным (его функции может выполнять, например, сервер) или (и) распределенным (функции выполняются оборудованием всех узлов). Основное преимущество метода – ограниченное время прохождения 1 кадра, мало зависящее от нагрузки. Сети с большой нагрузкой требуют более эффективных методов доступа. Один из способов повышения эффективности – перенос управления доступом от узлов в кабельные центры. При этом узел посылает кадр в коммуникационное устройство. Задача этого устройства – обеспечить прохождение кадра к адресату с оптимизацией общей производительности сети и обеспечением уровня качества обслуживания, требуемого конкретным приложением.

Понятие системы передачи. Параметры качества. В условиях постоянного роста информационных потоков практически невозможно взаимодействие фирм, банковских структур, государственных предприятий и организаций без современных технических средств дистанционной передачи информации. Электронные коммуникации приобретают в современном мире все большее значение. ^ Система передачи информации — совокупность средств, служащих для передачи информации. В автоматизированных системах обработки информации и управления используются системы автоматизированной передачи информации — системы административно-управленческой связи. На рис. 8.1 представлена обобщенная структурная схема автоматизированной системы передачи информации. Рис. 8.1. Обобщённая структурная схема автоматизированной системы передачи информации. Источник и потребитель информации, в качестве которых могут быть ЭВМ, системы хранения информации, различного рода датчики и исполнительные устройства, а также отдельные пользователи, являются абонентами системы передачи. Передатчик преобразует поступающие от абонента сообщения в сигнал, передаваемый по каналу связи. Приемник выполняет обратное преобразование сигнала в сообщение, поступающее абоненту. При передаче информации по каналам связи на сигнал воздействует ряд помех, что может привести к несоответствию между передаваемым и получаемым сообщениями, т. е. к недостоверной передаче информации. Важнейшим параметром качества системы передачи информации является ее пропускная способность. ^ Пропускная способность системы передачи информации — наибольшее теоретически достижимое количество информации, которое может быть передано по системе за единицу времени. Пропускная способность системы связана со скоростью преобразования информации в передатчике и приемнике и допустимой скоростью передачи информации по каналу связи, зависящей от физических свойств канала связи и сигнала. Скорость передачи дискретной информации по каналу связи измеряется в бодах. Один бод — это скорость передачи одного бита в секунду: 1 бод = 1 бит/с. Соответственно 1 Кбод = 103 бит/с; 1 Мбод= 106 бит/с. ^ 2. Каналы связи. Каналы связи (КС) служат для передачи сигнала и являются общим звеном любой системы передачи информации. По физической природе каналы связи подразделяются на механические, используемые для передачи материальных носителей информации, акустические,оптические и электрические, передающие соответственно звуковые, световые и электрические сигналы. Электрические и оптические каналы связи в зависимости от способа передачи сигналов можно подразделить на проводные, использующие для передачи сигналов физические проводники (электрические провода, кабели, световоды), и беспроводные, использующие для передачи сигналов электромагнитные волны (радиоканалы, инфракрасные каналы). По форме представления передаваемой информации каналы связи делятся на аналоговые, по которым информация передается в непрерывной форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины, и цифровые, передающие информацию, представленную в виде цифровых (дискретных, импульсных) сигналов различной физической природы. В зависимости от возможных направлений передачи информации каналы связи подразделяются на симплексные, позволяющие передавать информацию только в одном направлении; полудуплексные, обеспечивающие попеременную передачу информации как в прямом, так и в обратном направлениях;дуплексные, позволяющие вести передачу информации одновременно в прямом и обратном направлениях. Каналы связи бывают коммутируемые, которые создаются из отдельных участков (сегментов) только на время передачи по ним информации, а по окончании передачи такой канал ликвидируется (разъединяется), и некоммутируемые (выделенные), создаваемые на длительное время и имеющие постоянные характеристики по длине, пропускной способности, помехозащищенности. Широко используемые в автоматизированных системах обработки информации и управления электрические проводные каналы связи различаются по пропускной способности: низкоскоростные, скорость передачи информации в которых от 50 до 200 бит/с. Это телеграфные каналы связи, как коммутируемые (абонентский телеграф), так и некоммутируемые; среднескоростные, использующие аналоговые (телефонные) каналы связи; скорость передачи в них от 300 до 9600 бит/с, а в новых стандартах V.32 — V.34 Международного консультативного комитета по телеграфии и телефонии (МККТТ) и от 14400 до 56 000 бит/с; высокоскоростные (широкополосные), обеспечивающие скорость передачи информации свыше 56 000 бит/с. Для передачи информации в низкоскоростных и среднескоростных КС физической средой обычно являются проводные линии связи: группы либо параллельных, либо скрученных проводов, называемых витая пара. Она представляет собой изолированные проводники, попарно свитые между собой для уменьшения как перекрестных электромагнитных наводок, так и затухания сигнала при передаче на высоких частотах. Для организации высокоскоростных (широкополосных) КС используются различные кабели:

  • экранированные с витыми парами из медных проводов;

  • неэкранированные с витыми парами из медных проводов;

  • коаксиальные;

  • оптоволоконные.

STP-кабели (экранированные с витыми парами из медных проводов) имеют хорошие технические характеристики, но неудобны в работе и дороги. UTP-кабели (неэкранированные с витыми парами из медных проводов) довольно широко используются в системах передачи данных, в частности в вычислительных сетях. Выделяют пять категорий витых пар: первая и вторая категории используются при низкоскоростной передаче данных; третья, четвертая и пятая — при скоростях передачи соответственно до 16,25 и 155 Мбит/с. Эти кабели обладают хорошими техническими характеристиками, сравнительно недороги, удобны в работе, не требуют заземления. ^ Коаксиальный кабель представляет собой медный проводник, покрытый диэлектриком и окруженный свитой из тонких медных проводников экранирующей защитной оболочкой. Скорость передачи данных по коаксиальному кабелю довольно высокая (до 300 Мбит/с), но он недостаточно удобен в работе и имеет высокую стоимость. ^ Оптоволоконный кабель (рис. 8.2) состоит из стеклянных или пластиковых волокон диаметром несколько микрометров (свето-ведущая жила) с высоким показателем преломления пс, окруженных изоляцией с низким показателем преломления n0 и помещенных в защитную полиэтиленовую оболочку. На рис. 8.2, а показано распределение показателя преломления по сечению оптоволоконного кабеля, а на рис. 8.2, б — схема распространения лучей. Источником излучения, распространяемого по оптоволоконному кабелю, является светодиод или полупроводниковый лазер, приемником излучения — фотодиод, который преобразует световые сигналы в электрические. Передача светового луча по волокну основана на принципе полного внутреннего отражения луча от стенок световедущей жилы, за счет чего обеспечивается минимальное затухание сигнала.  Рис. 8.2. Распространение лучей по оптоволоконному кабелю: а — распределение показателя преломления по сечению оптоволоконного кабеля; б — схема распространения лучей Кроме того, оптоволоконные кабели обеспечивают защиту передаваемой информации от внешних электромагнитных полей и высокую скорость передачи до 1000 Мбит/с. Кодирование информации осуществляется с помощью аналоговой, цифровой или импульсной модуляции светового луча. Оптоволоконный кабель достаточно дорогой и используется обычно лишь для прокладки ответственных магистральных каналов связи, например, проложенный по дну Атлантического океана кабель связывает Европу с Америкой. В вычислительных сетях оптоволоконный кабель используется на наиболее ответственных участках, в частности, в Internet. По одному толстому магистральному оптоволоконному кабелю можно одновременно организовать несколько сотен тысяч телефонных, несколько тысяч видеотелефонных и около тысячи телевизионных каналов связи. Высокоскоростные КС организуются на базе беспроводных радиоканалов. Радиоканал — это беспроводный канал связи, прокладываемый через эфир. Для формирования радиоканала используются радиопередатчик и радиоприемник. Скорости передачи данных по радиоканалу практически ограничиваются полосой пропускания приемопередающей аппаратуры. Радиоволновый диапазон определяется используемой для передачи данных частотной полосой электромагнитного спектра. В табл. 8.1 представлены диапазоны радиоволн и соответствующие им частотные полосы. Для коммерческих телекоммуникационных систем чаще всего используются частотные диапазоны 902 — 928 МГц и 2,40 — 2,48 ГГц. Беспроводные каналы связи обладают плохой помехозащищенностью, но обеспечивают пользователю максимальную мобильность и быстроту реакции. ^ Телефонные линии связи наиболее разветвлены и распространены. Они осуществляют передачу звуковых (тональных) и факсимильных сообщений. На базе телефонной линии связи построены информационно-справочные системы, системы электронной почты и вычислительных сетей. На базе телефонных линий могут быть созданы аналоговые и цифровые каналы передачи информации. В аналоговых телефонных линиях телефонный микрофон преобразует звуковые колебания в аналоговый электрический сигнал, который и передается по абонентской линии в АТС. Требуемая для передачи человеческого голоса полоса частот составляет примерно 3 кГц (диапазон 300 Гц —3,3 кГц). Передача сигналов вызова производится по тому же каналу, что и передача речи. В цифровых каналах связи аналоговый сигнал перед вводом дискретизируется — преобразуется в цифровую форму: каждые 125 мкс (частота дискретизации равна 8 кГц) текущее значение аналогового сигнала отображается 8-разрядным двоичным кодом. Таблица 8.1  Диапазоны радиоволн и соответствующие им частотные полосы

^ Диапазон волн

Полоса частот

Сверхдлинные

3-30 кГц

Длинные

30-300 кГц

Средние

300-3000 кГц

Короткие

3-30 МГц

Ультракороткие

30-300 МГц

Сверхвысокочастотные

300 МГц-30 ГГц

Миллиметровые

30-300 ГГц

Субмиллиметровые

300-6000 ГГц

Скорость передачи данных по базовому каналу 64 Кбит/с. Для создания более скоростных каналов несколько каналов объединяют в один — мультиплексируют. Мультиплексирующие, например, 32 базовых канала обеспечивают пропускную способность 2048 Кбит/с. Цифровые каналы — базовые или мультиплексированные — используются повсеместно в современных магистральных системах, а также для подсоединения к ним офисных цифровых АТС. В последние годы стал развиваться и цифровой абонентский доступ, при котором дискретизация звукового сигнала выполняется уже в абонентской телефонной системе, содержащей интерфейсный цифровой адаптер. Наиболее развивающейся является международная цифровая сеть с интеграцией услуг Integrated Serviced Digital Network (ISDN), использующая цифровые абонентские каналы. Скорости передачи данных, реализуемые сетью, — 64 Кбит/с, 128 Кбит/с, 2 Мбит/с. Сеть ISDN должна стать глобальной цифровой магистралью, соединяющей как офисные, так и домашние компьютеры, предоставляя их владельцам высокоскоростную передачу данных и объединяя в единое целое различные виды связи (видео-, аудио-передачу данных), чтобы одновременно беседовать по видеотелефону и во время разговора выводить на экран компьютеров различную информацию. Основными преимуществами цифровых коммуникаций по сравнению с аналоговыми являются надежность, целостность каналов связи, возможность эффективнее внедрять механизмы защиты данных, основанные на их шифровании. ^ 3. Обмен информацией через модем Модем (Модулятор—Демодулятор) — устройство прямого (модулятор) и обратного (демодулятор) преобразования сигналов к виду, принятому для использования в определенном канале связи. Модем, используемый для обмена информацией между компьютерами через телефонную линию, на первом этапе производит модуляцию цифровой информации для передачи через аналоговый канал в виде тональных посылок звукового диапазона частот (цифроаналоговое преобразование). На втором этапе происходит обратный процесс демодуляции аналоговых сигналов в цифровые значения (аналого-цифровое преобразование), которые может воспринимать компьютер на другом конце линии связи. Модемы в системах телекоммуникаций не только выполняют функции модуляции и демодуляции, но и обеспечивают прием и передачу факсимильных сообщений, автоматическое определение номера вызывающего абонента (АОН), выполняют функции автоответчика, электронного секретаря, служат для оцифровки голоса и обратной операции восстановления оцифрованного голоса. Рис 8.3. Структурная схема модема. В связи с этим модем представляет собой достаточно сложное устройство, структурная схема которого представлена на рис. 8.3. Адаптеры портов ввода/вывода предназначены для обмена данными между модемом и телефонными линиями, а также между модемом и ЭВМ. Цифровой сигнальный процессор DSP выполняет функции модуляции и демодуляции сигналов и обеспечивает соответствующие протоколы передачи данных. Контроллер осуществляет управление сигнальным процессором DSP, а также обработку команд и буферизацию данных. Программа управления модемом «прошита» в микросхеме ROM. Установки модема в момент включения сохраняются с помощью микросхемы ERPROM. Оперативной памятью модема является микросхема RAM. По такой классической схеме изготовляются высококачественные модемы. Во внутренних модемах могут отсутствовать отдельные компоненты. Например, в так называемых «софт-модемах» (Softmodem) отсутствует микросхема контроллера: ее функции выполняет центральный процессор ПК. В «вин-модемах»(Winmodem) отсутствует цифровой сигнальный процессор DSP, функции которого выполняет специальное программное обеспечение, предназначенное для работы под операционной системой Windows. Модемы можно классифицировать по признакам:

  • по конструктивному исполнению — внешние (автономные)и внутренние (встраиваемые в аппаратуру);

  • типу обработки данных — полноценные и программные. В программных модемах (Softmodem или Winmodem) работу по поддержке протоколов связи или коррекции ошибок выполняет центральный процессор ПК;

  • назначению — собственно модемы, используемые для системпередачи только данных, и факс-модемы для систем передачиданных и факсов. В настоящее время производители предпочитаютвыпускать факс-модемы;

  • скорости передачи — в соответствии со стандартом скоростейпередачи данных;

  • в зависимости от интерфейса с каналом связи — контактныеи бесконтактные.

Имеются определенные различия при подключении, обслуживании и управлении внешним и внутренним модемами. ^ Внутренний модем представляет собой съемную карту расширения, на которой размещены все компоненты, обеспечивающие обмен данными. Он устанавливается в слот материнской платы так же, как и любая другая дополнительная карта. На внешней стороне карты модема находятся гнезда для подключения кабеля телефонной линии. Преимуществом внутреннего модема является отсутствие на рабочем месте дополнительного периферийного устройства. Однако при использовании внутреннего модема возникает необходимость вскрытия корпуса системного блока для перенастройки модема. Внешний модем — это самостоятельное устройство, оснащенное блоком питания, разъемами для подключения к аппаратуре (к последовательному порту компьютера — разъем RS-232), телефонному каналу (разъем RJ-11) и панелью с индикаторами. Индикаторы дают информацию о режимах работы модема, например: MR (Modem Ready) — модем включен в сеть; ОН (Off Hook) — модем «поднял трубку»; АА (Auto Answer) — модем отвечает на звонок телефона; CD (Carrier Detect) — модем определил другой модем в линии; DC (Data Compression) — выполняется процедура сжатия данных; ЕС (Error Control) — выполняется процедура контроля ошибок и др. По состоянию светодиодных индикаторов имеется возможность следить за состоянием внешнего модема. Благодаря размещению всех компонентов внутри собственного корпуса, который соединен с ЭВМ только кабелем данных, внешний модем более удобен. Модемы, изготовленные по стандарту PCMCIA, предназначены для портативных компьютеров и позволяют работать в системах телекоммуникаций и в компьютерных сетях. Такие модемы имеют размер пластиковой карты и устанавливаются в специальный разъем PCMCIA. Модем такого типа имеет массу около 30 г, а по показателям скорости передачи данных не отличается от модемов обычного исполнения. Модемы PCMCIA, поддерживающие протокол ММР 10, обеспечивают работу портативных ПК с электронной почтой и с Internet через мобильный радиотелефон. Преимущества программных модемов: низкая стоимость, легкость установки, возможность модернизации модема путем замены программы, а также адаптация модема к российским телефонным линиям. Недостатки программных модемов: задействование дополнительных ресурсов ПК, привязанность к определенной операционной системе, необходимость наличия качественной телефонной связи. Многие типы модемов обеспечивают весьма разнообразные сервисные возможности. Например, модемы серии ZyHEL, оснащенные фирменным программным обеспечением Zvoice, весьма эффективно выполняют в автоматическом режиме функции факса, автоответчика и АОН. Так, в ответ на телефонный звонок факс-модем «поднимет трубку», определит номер абонента, высветит его на экране; затем как автоответчик воспроизведет свое приветствие и проанализирует, кто с ним соединился. Если он услышит приветствие факса, примет факс и при наличии подключенного принтера распечатает его. Если позвонит абонент, передающий данные, факс-модем примет их и загрузит в подсоединенный к нему почтовый ящик (конечно, если таковой подключен). Если же позвонит по телефону человек, речевое сообщение может быть записано на магнитный диск и прослушано позже через телефон. При автоматической рассылке факсов модем, если для него заранее подготовлен текст и список телефонов рассылки, самостоятельно будет обзванивать клиентов и отправлять им факсы, причем если трубку снимет человек, факс-модем вежливо, «по-человечески» попросит его принять факс. Для обмена информацией с помощью модема используются различные протоколы передачи данных, т.е. совокупность правил, регламентирующих формат данных и процедуры их передачи в канале связи. В протоколе указываются способы модуляции данных с целью ускорения и защищенности их передачи; выполнения соединения с каналом и подавления действующего в канале шума; обеспечения достоверности передачи данных. Протоколы передачи данных для модемов установлены МККТТ — Международным консультативным комитетом по телеграфии и телефонии (французская аббревиатура — CCITT), переименованным позже в Международный институт телекоммуникаций (ITU — International Telecommunication Union). На практике используются следующие протоколы:

  • V. 34, позволяющий принимать данные со скоростью до 33 600бит/с;

  • V.90, х2 и k56flex, поддерживающие работу со скоростью в57 600 бит/с. Протокол V.90 является универсальным, поддерживается модемами разных фирм, позволяет передавать данные соскоростью 28 800 бит/с;

  • V.92 обеспечивает скорость передачи данных 57 600 бит/с.

Протокол V.34 выполняет тестирование канала связи, позволяющее определить оптимальный для него режим работы модемов (несущая частота, полоса пропускания, скорость передачи, уровень передаваемого сигнала). В соответствии с этим стандартом начальное соединение осуществляется на минимальной скорости 300 бит/с — такая связь возможна даже на линиях самого низкого качества. В дальнейшем происходит идентификация модемов на обоих концах канала связи, определяется возможность поддержки протоколов коррекции ошибок и сжатия данных, тип используемой модуляции и выбирается эффективная скорость передачи данных. В протоколах передачи используются сложные методы кодирования данных, при которых в каждый момент времени элемент данных представлен не двумя, а большим количеством значений модулируемого параметра сигнала. Благодаря этому повышается скорость передачи данных, но ухудшается помехозащищенность сигналов. ^ Протоколы коррекции ошибок разработаны для повышения помехозащищенности сигналов, коррекции ошибок, возникающих при передаче данных на большие расстояния через телефонную линию невысокого качества. Протоколы семейства MNP (Microcom Network Protocol), используемые в большинстве современных модемов, основаны на использовании корректирующих кодов с обнаружением и исправлением ошибок. Этими же протоколами предусмотрено дальнейшее совершенствование модемов, связанное с внедрением в них функции сжатия данных, позволяющей существенно поднять скорость передачи. Принцип сжатия данных основан на анализе потоков данных, замене часто встречающихся в передаваемом блоке символов двоичными кодами меньшей длины, чем коды, используемые для кодирования редко встречающихся символов, а также в определении повторяющихся последовательностей символов и передаче взамен их коротких блоков-описателей. На смену протоколам семейства NMP-1 — NMP-10 в последние годы пришли протоколы LAPM (Link Access Procedure for Modem), V.42, V.42bis, позволяющие более эффективно выполнять коррекцию ошибок и сжатие данных. Протоколы передачи файлов дополнительно регламентируют процедуры разбиения информации на блоки, использования кодов с автоматическим обнаружением и исправлением ошибок, повторной пересылки неверно принятых блоков, восстановления передачи после обрыва. К наиболее распространенным протоколам этой группы следует отнести протоколы Xmodem, Ymodem, Kermit, Zmodem. Причем Zmodem является наиболее распространенным протоколом передачи файлов. ^ При выборе модема необходимо принимать во внимание:

  • наличие сертификата Минсвязи РФ, что гарантирует работу на российских низкокачественных линиях связи и с российскими форматами управляющих сигналов;

  • соответствие фирмы —производителя модема фирме провайдера, если подключение к компьютерной или иной сети производится через провайдер;

  • качество линии связи, к которой будет подключаться модем, поскольку при низком качестве линии модем, не имеющий хорошей защиты от помех, будет работать на пониженной скорости.

В век развития информационных технологий модем стал неотъемлемой частью любого комплекса на базе PC, что позволяет значительно расширить информатизационное пространство пользователя. ^ Электронная доска объявлений (Bulletein Board System — BBS) представляет собой компьютер, снабженный одним или несколькими модемами, на котором выполняется специальное программное обеспечение, дающее возможность удаленным пользователям связываться с этим компьютером по телефонным линиям и осуществлять обмен файлами и сообщениями. Большинство станций BBS объединено в FidoNet — международную некоммерческую сеть пользователей компьютеров. Управляющая программа BBS организует диалог с пользователем, позволяет ему получить сообщения (почту), отправить почту другим пользователям BBS или FidoNet, если данная BBS входит в эту сеть. Кроме того, пользователь BBS получает возможность просматривать архивы файлов BBS, переписывать интересующие его файлы, передавать на BBS свои файлы. ^ Электронная почта является одной из самых привлекательных возможностей использования модемов. Использование электронной почты возможно в том случае, если компьютер оснащен модемом, подключен к глобальной сети и имеется специальное программное обеспечение для обмена почтой. Письмо, отправляемое по электронной почте, представляет собой обычный файл, содержащий текст письма и специальный заголовок, в котором указано, от кого письмо направлено, кому предназначено, тема письма и дата его отправления. Отправленное письмо через несколько минут или дней (в зависимости от расстояния и других причин) попадает на компьютер получателя, который имеет возможность просмотреть почту и отправить ответ в любое удобное время. Пользователи ПК, оснащенных модемами, имеют возможность участвовать в телеконференциях, представляющих собой, по сути, обмен информацией с помощью BBS, но с гораздо большими возможностями. Телеконференции в зависимости от тематики делятся на несколько групп новостей (Newgroup).Абонент сети может «подписаться» на интересующие его конференции, что дает ему возможность отправлять свои сообщения по тематике данной телеконференции и получать новые сообщения по этой теме, отправленные другими пользователями сети. Пользователи компьютеров с модемами имеют возможность доступа не только в FidoNet, но и в Internet — совокупность всемирных компьютерных сетей. В Internet включены самые различные компьютерные службы: электронная почта, телеконференции Usenet, система передачи файлов FTP, система Gopher, WWW (World Wide Web — Всемирная паутина) и др. Наибольшее развитие и широкую популярность среди пользователей получила Всемирная паутина. Миллионы пользователей, от корпоративных до индивидуальных, разместили здесь свои Web-страницы. ^Факсимильная связь Факсимильная связь — процесс дистанционной передачи неподвижных изображений и текста. В основном факсимильная связь используется для отправления документов (текстов, чертежей, рисунков, схем, фотоснимков) на бумажные носители получателей. Фактически факсимильный способ передачи информации заключается в дистанционном копировании документов. Термин «факсимильная связь» относится к системам передачи как полутоновых, так и штриховых документов. В основу факсимильной связи положен метод передачи временной последовательности электрических сигналов, характеризующих яркость отдельных элементов передаваемого документа. Основными этапами факсимильной передачи информации являются:

  • сканирование передаваемого изображения и преобразованиеего в последовательность электрических сигналов;

  • передача электрических сигналов по каналу связи;

  • прием электрических сигналов и преобразование их в ту илииную форму, необходимую для воспроизведения изображения;

  • воспроизведение изображения.

Для организации факсимильной связи используются факсимильные аппараты (телефаксы) и каналы связи: чаще всего телефонные, реже цифровые и радиоканалы связи. ^ Факсимильные аппараты являются многофункциональными устройствами, содержащими, как правило, три компонента:

  1. сканер, обеспечивающий считывание информации с оригинала и преобразование ее в последовательность электрическихсигналов;

  2. приемно-передающее устройство (модем), выполняющеефункции передачи сигнала по каналу связи и прием сигналов отдругих абонентов;

  3. принтер, воспроизводящий принятое изображение оригинала путем печати на бумаге.

Учитывая значительное разнообразие таких компонентов факсимильных аппаратов, как сканер и принтер, следует понимать, что различные модели факсимильных аппаратов отличаются способом сканирования, воспроизведения изображения и разрешающей способностью. По способу воспроизведения изображения, определяемому типом используемого принтера, факсимильные аппараты делятся на термографические, струйные, лазерные, электрографические, фотографические, электрохимические, электромеханические. Наибольшее распространение получили факсимильные аппараты термографического типа, поскольку при относительно невысокой цене они обладают достаточно хорошими техническими характеристиками, чаще всего оборудуются модемом. Однако термографический способ печати требует применения специальной термобумаги, которая со временем желтеет. Электрографические и струйные факсимильные аппараты обладают несколько более высокой стоимостью, но позволяют использовать обычную бумагу. Лазерные факсимильные аппараты самые дорогостоящие. Они обеспечивают разрешение до 16 точек на 1 мм и 64 уровня серого цвета и оборудуются модемами со скоростью передачи информации до 14400 бит/с. Фотографические факсимильные аппараты лучше других передают полутона и имеют высокую разрешающую способность, но используют для воспроизведения дорогую фотографическую бумагу, что значительно ограничивает их применение. Электрохимические и электромеханические факсимильные аппараты не находят широкого применения. Электромеханические аппараты не передают полутонов, хотя и используют обычную бумагу, а в электрохимических факсимильных аппаратах используется специальная электрохимическая бумага. Конструктивно факсимильные аппараты, как и плоттеры, подразделяются на плоскостные и барабанные. В плоскостных аппаратах передаваемые документы ограничиваются размерами, а в барабанных — только шириной, что позволяет обеспечивать передачу документа в рулоне. Факсимильные аппараты имеют следующие сервисные функции:

  • режим копирования документов;

  • переключение в режим голосовой связи, в том числе и по дополнительному телефонному каналу, позволяющему одновременно с передачей факса вести разговор;

  • подключение факсимильного аппарата к компьютеру;

  • наличие оперативной памяти до нескольких Мбайт и внешней памяти в десятки Мбайт, что позволяет обеспечивать ряд функций, а именно: «память листов» (запоминание количества листов документа, изображение которых может быть записано в оперативную память телефакса при отсутствии или неожиданном окончании бумаги или для последующей передачи); «автоответчик» (передача в линию предварительно записанного сообщения, а также прием и сохранение сообщения для последующего прослушивания); «отложенная передача» (автоматическая передача в заданное время заранее подготовленного к передаче документа); «электронный справочник» определенного числа телефонных номеров; «память номеров», по которым наиболее часто отправляются документы;

  • наличие жидкокристаллического цифробуквенного индикатора (дисплея), на котором отображаются текущие режимы работы телефакса;

  • возможность сортировки факсов по конфиденциальным почтовым ящикам абонентов;

  • автоподача документов и бумаги и автоотрезка рулонной бумаги.

При приеме факсимильного сообщения после звонка по телефону с просьбой принять факс необходимо проверить наличие бумаги и включить аппарат. ^ При передаче факсимильного сообщения необходимо:

  1. согласовать размер передаваемого документа с возможностями передающего аппарата и принимающего факс-аппарата, т.е.либо уменьшить документ путем масштабного копирования, либо передавать по частям. Документы стандартного формата А4 принимаются практически любым телефаксом;

  2. положить подготовленный к передаче документ на входной лоток текстом вниз и установить на панели аппарата режимы качества передачи;

  3. связаться по телефону с абонентом, которому необходимо передать факс, и сообщить ему об этом. После появления в трубке сигнала факса нажать кнопку START и положить телефонную трубку.

^ Скорость передачи факсимильной информации по телефонным каналам связи 4800 — 28 800 бит/с (стандарт МККТТ V.34), а при использовании цифровых каналов возможно более высокое сжатие информации, и скорость передачи доходит до 64 000 бит/с. В общем случае время, необходимое на передачу одного листа документа, зависит от размеров этого листа, характера изображения на нем, скорости передачи и режима разрешающей способности. Факсимильные аппараты используют следующие режимы разрешающей способности: Standard— обычный, разрешающая способность 100 x 200 dpi; Fine (High) — качественный (высокий), разрешающая способность 200 х 200 dpi; Superfine (Superhigh) — высококачественный (сверхвысокий), разрешающая способность 400 х 200 dpi; Halftone (Photo) — полутоновый (фоторежим), до 64 градаций серого. Чем более качественный режим разрешающей способности используется, тем большее количество точек считывается с документа и тем большее время требуется на считывание всего документа. Передача данных в режиме Fine примерно удваивает время передачи по сравнению с режимом Standard, а режим Superfine увеличивает время в четыре раза; в режиме Halftone время передачи по меньшей мере в восемь раз больше, нежели в стандартном режиме. Факсимильная связь может применяться для ввода передаваемой информации непосредственно в ЭВМ при наличии факс-модема. Получили распространение радиофаксы, имеющие многоканальные системы подвижной радиофаксимильной связи, включающие стационарную базовую станцию, и подвижные радиофаксы, устанавливаемые в автомобилях. Для передачи рукописных сообщений используются телефонные факсимильные приставки, которые обеспечивают передачу выполняемых от руки схем, подписей. При передаче факса абонент специальным пером пишет на блокноте: таким образом осуществляется передача подписи ответственного лица. ^ Компьютерные факсимильные системы представляют собой сочетание компьютера с факс-модемом и компьютерных периферийных устройств. Для работы в таком режиме компьютеры оборудуются клавиатурой, на которой можно непосредственно набирать номер телефона абонента, а также видеокамерой и микрофоном, позволяющими параллельно с обменом факсимильным сообщением видеть абонента и разговаривать с ним. Для обмена информацией между ЭВМ (цифровыми устройствами), а также факсимильными аппаратами через телефонные сети (аналоговые каналы связи) используются модемы.

 Принципы работы струйных принтеров. В струйных принтерах в основном используются следующие методы нанесения чернил: пьезоэлектрический, метод газовых пузырей и метод «Drop-on-Demand». ^ Пьезоэлектрический метод основан на управлении соплом с использованием обратного пьезоэффекта, который, как известно, заключается в деформации пьезокристалла под действием электрического поля. Рис. 5.3. Принцип действия струйного принтера с пьезоэлементами Для реализации этого метода в каждое сопло установлен плоский пьезокристалл, связанный с диафрагмой, как показано на рис. 5.3. При печати находящийся в сопле пьезоэлемент, разжимая (см. рис. 5.3, а) и сжимая (см. рис. 5.3, б) сопло, наполняет его чернилами. Чернила, которые отжимаются назад, перетекают обратно в резервуар, а чернила, которые вышли из сопла в виде капли, оставляют на бумаге точку. Подобные устройства в основном выпускают компании Epson, Brother. Хотя струйный принцип печати известен уже давно, устройства с его использованием не нашли бы столь широкого применения, если бы не изобретение, ставшее основой для распространения струйной технологии. Первый и основной патент на нее принадлежит компании Canon. Hewlett-Packard также владеет рядом важных патентов в этой области, она создала первый струйный принтер с использованием пузырьковой технологии ThinkJet в 1985 г. Путем обмена лицензиями эти две компании получили подавляющее преимущество над конкурентами — сейчас им принадлежит 90 % европейского рынка струйных принтеров. ^ Метод газовых пузырей является термическим и называется методом инжектируемых пузырьков (Bubble-Jet), или пузырьковой технологией печати,которая проиллюстрирована на рис. 5.4.  Рис. 5.4. Принцип нанесения чернил с использованием пузырьково! (Bubble-Jet) технологии печати Каждое сопло печатающей головки принтера оборудовано нагревательным элементом в виде тонкопленочного резистора, который при пропускании через него тока за 7—10 микросекунд нагревается до высокой температуры. Температура, необходимая для испарения чернил, например, фирмы Hewlett-Packard, достигает примерно 330 "С. Возникающий при резком нагревании чернильный паровой пузырь (Bubble) стремится вытолкнуть через выходное отверстие сопла необходимую каплю жидких чернил диаметром менее 0,16 мм, которая переносится на бумагу. При отключении тока тонкопленочный резистор быстро остывает, паровой пузырь уменьшается в размерах, что приводит к разрежению в сопле, куда и поступает новая порция чернил. Последовательность нанесения чернил с использованием пузырьковой технологии печати показана на рис. 5.4, а — д. Эту технологию использует фирма Canon. Поскольку в механизмах печати принтеров, реализующих метод газовых пузырей, меньше конструктивных элементов, чем в тех, что используют пьезоэлектрическую технологию, такие принтеры обладают большей надежностью и ресурсом. Кроме того, использование пузырьковой технологии позволяет добиться более высокой разрешающей способности печати. Однако, обеспечивая высокое качество при прорисовке линий, данный метод имеет недостаток при печати областей сплошного заполнения, поскольку они получаются несколько расплывчатыми. Применение струйных принтеров, механизм печати которых основан на методе газовых пузырей, целесообразно при необходимости распечатки графиков, гистограмм и других видов графической информации без полутоновых графических изображений. Для получения более качественной печати следует выбирать струйные принтеры, реализующие метод Drop-on-Demand. ^ Метод Drop-on-Demand, разработанный фирмой Hewlett-Packard, использует, так же как и метод газовых пузырей, нагревательный элемент для подачи чернил из резервуара на бумагу. Однако в методе Drop-on-Demand для подачи чернил дополнительно применен специальный механизм, в то время как в методе газовых пузырей данная функция возложена исключительно на нагревательный элемент. Специальный механизм реализован на базе следующих физических явлений (Рис. 5.5). Как правило, в частицах жидкой фазы действует поверхностное натяжение, поддерживающее сферичность. У заряженных частиц чернил поверхностное натяжение снижается, что приводит к делению частицы на более мелкие. Свойство частиц расщепляться используется для получения туманообразных частиц чернил, которые поступают к выходным отверстиям сопел, управляемых электрическими сигналами. Рис 5.5. Метод drop-on-demand Технология Drop-on-Demand обеспечивает наиболее быстрое нанесение чернил, что позволяет существенно повысить качество и скорость печати. Цветное представление изображения в этом случае более контрастно. В данной технологии управление частицами чернил производится при постоянном отклоняющем поле путем регулирования их электрического заряда. Поэтому вылетающая из сопла каждая частица получает «свою» информацию в виде разной величины электрического заряда, что обеспечивает высокую скорость и качество печати. ^ 2. Основные параметры печати струйных принтеров. В цветной печати в настоящее время преобладает струйная технология. Печатающие головки могут быть цветными и иметь соответствующее число групп сопел. Для создания полноцветного изображения используется стандартная для полиграфии цветовая схема CMYK. Согласно этой схеме цветное изображение формируется при печати наложением один на другой трех основных цветов: зелено-голубой (Cyan), пурпурный (Magenta) и желтый (Yellow). Теоретически их наложение должно давать черный цвет, но на практике в большинстве случаев получается серый или коричневый. Поэтому в качестве четвертого основного цвета добавляют ведущий цвет Key — черный (Black). Такую цветовую модель называют CMYK (Cyan-Magenta-Yellow-Key). Оттенки различных цветов могут быть получены путем сгущения или разрежения точек соответствующего цвета в фрагменте изображения (аналогичный способ используется для получения различных оттенков серого цвета при выводе монохромных изображений). Качество струйной цветной печати таково, что полученный полноцветный плакат практически невозможно отличить от изданного в типографии. ^ Уровень шума, создаваемый только двигателем, управляющим головкой струйного принтера, значительно ниже, чем у матричных принтеров, и составляет около 40 дБ. Скорость печати струйного принтера, как и матричного, зависит от качества печати. При черновой печати струйный принтер по скорости значительно превосходит матричный. При печати в режиме с типографским качеством скорость значительно снижается. Цветная печать выполняется с еще меньшей скоростью. Отдельные модели струйных принтеров обеспечивают скорость до 15 страниц в минуту. Разрешение струйных принтеров при печати графики достигает 2400x1200 dpi. ^ Качество печати струйного принтера в сравнении с матричным значительно выше, особенно при выводе на печать шрифта. Для моделей струйных принтеров с большим числом сопел характерно достижение качества печати лазерного принтера. Большое влияние на качество струйной печати оказывает качество бумаги и чернил. Бумага для струйных принтеров с плотностью от 60 до 135 г/м2 позволяет получить достаточно высокое качество печати, причем может быть использована бумага для ксероксов (80 г/м2). В струйных принтерах, в отличие от матричных, бумага в рулоне не применяется, а несколько копий на струйном принтере можно получить только с помощью многократной печати одного и того же документа. Чернила, применяемые для заправки картриджа струйных принтеров, должны быть специальными, предназначенными именно для данной модели принтера. Только в этом случае можно получить высокое качество печати и не испортить печатающую головку. Для повышения качества печати за счет снижения растекания чернил используются различные технические решения. Например, в отдельных моделях, выпускаемых фирмой Hewlett-Packard, для быстрого высыхания чернил применяется подогрев бумаги. Основным недостатком струйных принтеров является засыхание чернил внутри сопла. В этом случае необходимо заменять печатающую головку. Принтеры некоторых типов нельзя выключать во время эксплуатации, поскольку в головке, оставшейся в промежуточной позиции, происходит интенсивное засыхание чернил. Многие модели струйных принтеров имеют режим парковки, при котором печатающая головка возвращается в исходное положение внутри принтера, что предотвращает засыхание чернил. В некоторых струйных принтерах имеются специальные устройства очистки сопел. Подключение струйных принтеров к ПК производится через LTP-порт или через порт USB, которым, как правило, оснащены все компьютеры с процессорами Pentium III, IV и Celeron. Данные по USB-шине передаются быстрее, что позволяет несколько увеличить скорость печати.

 Принцип действия лазерного принтера. Лазерные принтеры обеспечивают более высокое качество, чем струйные принтеры. Наиболее известными фирмами — разработчиками лазерных принтеров являются Hewlett-Packard, Lexmark. Принцип действия лазерного принтера основан на методе сухого электростатического переноса изображения, изобретенном Ч.Ф.Карлсоном в 1939 г. и реализуемом также в копировальных аппаратах. Функциональная схема лазерного принтера приведена на рис. 5.6. Основным элементом конструкции является вращающийся барабан, служащий промежуточным носителем, с помощью которого производится перенос изображения на бумагу.  Рис. 5.6. Функциональная схема лазерного принтера Барабан представляет собой цилиндр, покрытый тонкой пленкой светопроводящего полупроводника. Обычно в качестве такого полупроводника используется оксид цинка или селен. По поверхности барабана равномерно распределяется статический заряд. Это обеспечивается тонкой проволокой или сеткой, называемой коронирующим проводом, или коротроном. На этот провод подается высокое напряжение, вызывающее возникновение вокруг него светящейся ионизированной области, называемой короной. Лазер, управляемый микроконтроллером, генерирует тонкий световой луч, отражающийся от вращающегося зеркала. Развертка изображения происходит так же, как и в телевизионном кинескопе: движением луча по строке и кадру. С помощью вращающегося зеркала луч скользит вдоль цилиндра, причем его яркость меняется скачком: от полного света до полной темноты, и так же скачкообразно (поточечно) заряжается цилиндр. Этот луч, достигнув барабана, изменяет его электрический заряд в точке прикосновения. Размер заряженной площади зависит от фокусировки луча лазера. Фокусируется луч с помощью объектива. Признаком хорошей фокусировки считают наличие четких кромок и углов на изображении. Для некоторых типов принтеров в процессе подзарядки потенциал поверхности барабана уменьшается от 900 до 200 В. Таким образом, на барабане, промежуточном носителе, возникает скрытая копия изображения в виде электростатического рельефа. На следующем этапе на фотонаборный барабан наносится тонер — краска, представляющая собой мельчайшие частицы. Под действием статического заряда частицы легко притягиваются к поверхности барабана в точках, подвергшихся экспозиции, и формируют изображение уже в виде рельефа красителя. Бумага втягивается из подающего лотка и с помощью системы валиков перемещается к барабану. Перед самым барабаном корот-рон сообщает бумаге статический заряд. Затем бумага соприкасается с барабаном и притягивает благодаря своему заряду частички тонера, нанесенные ранее на барабан. Для фиксации тонера бумага пропускается между двумя роликами с температурой около 180 "С. После окончания процесса печати барабан полностью разряжается, очищается от прилипших лишних частиц для осуществления нового процесса печати. Лазерный принтер является постраничным, т. е. формирует для печати полную страницу. Процесс работы лазерного принтера с момента получения команды от компьютера до выхода отпечатанного листа можно разделить на несколько взаимосвязанных этапов, во время которых оказываются задействованными такие функциональные компоненты принтера, как центральный процессор; процессор развертки; плата управления двигателем зеркала; усилитель яркости луча; блок управления температурой; блок управления подачей листа; плата управления протяжкой бумаги; интерфейсная плата; блок питания; плата кнопок и индикации управляющей панели; дополнительные платы расширения ОЗУ. По сути, функционирование лазерного принтера подобно компьютеру: тот же центральный процессор, на котором сосредоточены главные функции взаимосвязи и управления; ОЗУ, где размещаются данные и шрифты, интерфейсные платы и плата управляющей панели, осуществляющие связь принтера с другими устройствами, узел печати, выдающий информацию на лист бумаги. ^ 2. Основные характеристики лазерного принтера. Цветное изображение с помощью лазерного принтера получается по стандартной схеме CMYK, используемой в струйных принтерах. В цветном лазерном принтере изображение формируется на светочувствительной фотоприемной ленте последовательно для каждого цвета. Имеются четыре емкости для тонеров и от двух до четырех узлов проявления. Лист печатается за четыре прохода, что существенно сказывается на скорости печати. Цветные лазерные принтеры оборудованы большим объемом памяти, процессором и, как правило, собственным винчестером. На винчестере располагаются разнообразные шрифты и специальные программы, которые управляют работой, контролируют состояние и оптимизируют производительность принтера. В результате цветные лазерные принтеры достаточно сложны и дорогостоящи. Таким образом, лазерный черно-белый принтер рекомендуется использовать для получения высококачественной черно-белой распечатки, а для цветного изображения оптимальным является применение цветного струйного принтера. ^ Уровень шума лазерного принтера составляет в среднем 40 дБ, причем в режиме off-line это значение меньше. Разрешение лазерного принтера по горизонтали и по вертикали зависит от следующих факторов. Вертикальное разрешение определяется шагом вращения барабана и в основном составляет 1/300— 1/600 дюйма (1 дюйм = 2,54 см). Горизонтальное разрешение определяется числом точек в одной строке и ограничено точностью фокусировки лазерного луча. Многие модели лазерных принтеров имеют «несимметричное разрешение», например, 2400 х 1200 dpi (горизонтальное разрешение х вертикальное разрешение). ^ Скорость печати лазерного принтера измеряется в страницах в минуту и зависит от двух факторов: времени механической протяжки бумаги и скорости обработки данных, поступающих от ЭВМ, при формировании растровой страницы для печати. Как правило, лазерный принтер оснащен собственным процессором. Скорость печати определяется не только работой процессора, но и существенно зависит от объема памяти, которой оснащен принтер. Память лазерного принтера, который обрабатывает информацию постранично, должна обеспечивать большое количество вычислений. Например, при разрешении 300 х 300 dpi на странице формата А4 насчитывается почти 9 млн точек, а при разрешении 1200 х 1200 — более 140 млн. В основном используют принтеры с памятью от 8 до 16 Мбайт, причем цветные лазерные принтеры обладают еще большей памятью. Сетевой лазерный принтер имеет еще и внешнюю память (винчестер). Интерфейс лазерных принтеров фирмы Hewlett-Packard выполнен в основном в виде USB-порта, а фирмы Samsung — еще и в виде LTP-порта. В отдельных моделях лазерных принтеров применяется беспроводный интерфейс на основе инфракрасных приемопередатчиков, который позволяет передавать файлы без кабеля. В основном лазерные принтеры используются для печати на бумаге формата А4 и только некоторые модели обеспечивают печать на бумаге формата A3. Некоторые модели лазерных принтеров используют для работы бумагу в рулоне, выполняют двухстороннюю печать, имеют возможность выборки листов из нескольких лотков и раскладки напечатанных листов по нескольким приемным карманам. Язык принтера является для него тем, чем для ПК операционная система, поскольку компьютер поставляет принтеру информацию лишь в виде бит, а дальнейшая ее обработка выполняется самим принтером. Пользователю достаточно знать общие команды и указания для принтера, чтобы, например, установить необходимое число копий распечатываемого документа или поля при печати. Набор команд языка принтера обычно содержится в ROM принтера и соответственно интерпретируется его CPU. Наиболее распространенным языком для лазерных принтеров является язык PostScript — стандартизованный язык описания страницы, который предполагает мощное аппаратное обеспечение. К числу его преимуществ относят математическую форму передачи информации, которую должен печатать принтер. Лазерный принтер в случае необходимости удобно использовать в качестве сетевого. Для рабочих групп, насчитывающих свыше пяти пользователей и большой объем печати (свыше 10 000 страниц в месяц), следует применять сетевые принтеры со скоростью печати 40 страниц в минуту, например модели Xerox N40. ^ Светодиодные принтеры, или LED-принтеры (Light Emitting Diode), основаны на том же принципе действия, что и лазерные. Конструктивное отличие в том, что барабан освещается не лучом лазера, развертка которого обеспечивается механически управляемыми зеркалами, а неподвижной диодной строкой, состоящей из 2500 светодиодов. Эта строка описывает не каждую точку, а целую строку. Светодиодные принтеры находят применение у отечественных пользователей. В принтерах с жидкокристаллическим затвором источником света служит люминесцентная лампа. Свет лампы экспонируется через жидкокристаллический затвор, своеобразный прерыватель света, управляемый от ПК. Скорость печати такого принтера ограничена скоростью срабатывания жидкокристаллического затвора. ^ 3. Термические принтеры Термические принтеры — цветные принтеры высокого класса — применяются для получения цветного изображения с качеством, близким к фотографическому. Их применение весьма ограничено. В термических принтерах используют три технологии цветной термопечати: 

  • струйный перенос расплавленного красителя (термопластичная печать); 

  • контактный перенос расплавленного красителя (термовосковая печать);

  • термоперенос красителя (сублимационная печать).

^ Термопластичная печать, или технология Phast Change Ink-Jet, основана на получении изображения нанесением на бумагу капель расплавленного воскообразного красителя. Для этого восковые стерженьки для каждого первичного цвета красителя постепенно расплавляются при температуре 90 °С специальным нагревательным элементом. Расплавленные красители попадают в отдельные резервуары, откуда подаются насосом в пьезоэлектрическую печатающую головку. Капли воскообразного красителя мгновенно застывают на бумаге, обеспечивая хорошее сцепление. Термопластичная печать исключает просачивание и растекание красителей, что позволяет получить высокое качество изображения, невысокую стоимость одной копии даже при двухсторонней печати. Однако скорость печати невысока. ^ Термовосковая печать, или технология Termal Wax Transfer, реализуется в принтерах с термопереносом. Принцип действия такого принтера в том, что термопластичное красящее вещество, представляющее собой краситель, растворенный в воске, наносится на тонкую лавсановую пленку толщиной 5 мкм. Пленка перемещается лентопротяжным механизмом, конструкция которого аналогична конструкции лентопротяжного механизма матричного принтера. На бумагу краситель переносится в том месте, где нагревательными элементами (аналогами сопел в струйных принтерах и игл в матричных) обеспечивается температура 70 — 80 °С. Для получения цветного изображения применяется метод CMYK, т.е. выполняются четыре прохода: по одному проходу для нанесения каждого первичного цвета и один — для черного цвета. В связи с этим скорость цветной печати принтеров с термопереносом 1...2 страницы в минуту. Стоимость выведенной на печать страницы с изображением выше, чем у струйных принтеров, поскольку используется специальная бумага. Преимуществом принтеров с термопереносом является получение высококачественных цветных изображений с воспроизведением до 16,7 млн цветов как на бумаге, так и на пленке. ^ Сублимационная печать основана на сублимации, т.е. на переходе вещества из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу. Технология сублимационной печати достаточно близка к технологии термопереноса. Принципиальным отличием является нагрев элементов печатающей головки до температуры 400 "С. Красящее вещество сублимирует с подложки и осаждается на бумаге или ином носителе. Комбинацией цветов красителей по методу CMYK достигается цветовая палитра фотографического качества. Широкое применение термических принтеров с сублимационной технологией ограничивается высокой стоимостью каждой копии изображения. К числу самых известных производителей сублимационных принтеров относят Mitsubishi, Toshiba, Sony. ^ 4. Рекомендации по выбору принтера. При выборе принтера следует принимать во внимание следующие факторы:

  • функциональные возможности, необходимые для решениязадач конкретного пользователя (объемы выполняемых работ,наличие нужных шрифтов, русифицированность);

  • формирование цветного изображения;

  • необходимое качество изображения, т.е. разрешающую способность;

  • производительность или скорость печати;

  • надежность и удобство эксплуатации;

  • стоимость;

  • эксплуатационные затраты, включающие стоимость носителя,расходных материалов, обслуживания, потребляемой энергии.

Экономическую целесообразность использования того или иного типа принтера и конкретной модели следует просчитать. Например, чтобы определить требуемый ресурс тонера, картриджа, чернил, следует представлять, что бизнес-письмо или лист представляет собой 1800 символов с 5%-ной заливкой черным. Максимальный ресурс матричных принтеров — 2000 страниц, струйных принтеров — более 8000 страниц, лазерных черно-белых принтеров — 10 000 страниц. Одна из современных тенденций совершенствования принтеров связана со встраиванием в них Web-сайтов. Это позволяет обращаться к принтеру через IP-адрес с помощью обычного браузера. На Web-сайте принтера можно найти полную информацию о его текущем состоянии и выполнить его настройку.

Планшетные и рулонные плоттеры. Конструктивно, в зависимости от вида носителя, плоттеры разделяются на планшетные и рулонные. В планшетных плоттерах носитель размещается неподвижно на плоскости, над которой располагается конструкция, позволяющая перемещать пишущий блок одновременно по двум координатам. Конструктивная схема планшетного плоттера показана на рис. 5.7.  Рис. 5.7. Конструктивная схема планшетного плоттера Пишущий блок укреплен на траверсе и перемещается в горизонтальном направлении относительно планшета, на котором закреплен носитель. В свою очередь, траверса с пишущим элементом перемещается в вертикальном направлении по другой траверсе. Перемещения осуществляются через блочно-тросовые системы, ходовые винты и зубчатые рейки двумя реверсивными двигателями, один из которых установлен на траверсе, а другой — на планшете. В рулонных плоттерах, как показано на рис. 5.8, носитель размещается на барабане, который приводится во вращение в обе стороны реверсивным двигателем, а пишущий блок, приводимый в движение шаговым двигателем, перемещается по направляющей вдоль оси барабана. Рис. 5.8. Конструктивная схема рулонного плоттера Несмотря на то что принципиально планшетные плоттеры могут обеспечивать более высокую точность вывода информации, на рынке больших плоттеров (формата АО и А1) преобладают рулонные плоттеры, поскольку их характеристики удовлетворяют требованиям большинства задач. Общий вид рулонного плоттера показан на рис. 7.8. Дополнительные преимущества рулонных плоттеров следующие: они более компактны и удобны, работают с чертежами очень большой длины (более 10 м) или выводят несколько десятков чертежей один за другим, автоматически отматывая и отрезая от рулона лист необходимого размера. Плоттеры малого формата (A3) обычно планшетные. Рис. 7.8. Общий вид рулонного плоттера ^ 2. Классификация плоттеров по типы пишущего блока. В зависимости от типа пишущего блока плоттеры подразделяются:

  • на перьевые, ПП (Pen Plotter);

  • струйные, СП (Ink-Jet Plotter);

  • электростатические, ЭП (Electrostatic Plotter);

  • прямого вывода изображения, ПВИ (DirectImaging Plotter);

  • лазерные, ЛП (Laser/LED Plotter).

Перьевые плоттеры являются электромеханическими устройствами векторного типа и создают изображение при помощи пишущих элементов, обобщенно называемых перьями. Пишущие элементы отличаются один от другого используемым типом жидкого красителя (одноразовые и многоразовые; шариковые, фибровые, пластиковые; с чернилами на водной или масляной основе; заполненные под давлением) и крепятся в держателе пишущего узла, который имеет одну степень свободы перемещения в рулонных плоттерах и две степени свободы перемещения в планшетных. Отличительной особенностью ПП является высокое качество получаемого изображения, в том числе цветного при использовании цветных пишущих элементов. С помощью ПП традиционно выводят графические изображения, получаемые в системах автоматизированного проектирования, например в AutoCAD. Скорость вывода информации в ПП невысока, поэтому производители плоттеров используют все более быструю механику, пытаясь одновременно оптимизировать процедуру рисования, количество перемещений пишущего узла и бумаги, число смен пера и остановок. Ведущие изготовители перьевых плоттеров: CalComp, Mutoh (карандашно-перьевые плоттеры), Summagraphics (Houston Instruments). Кроме перьевых плоттеров, которые являются векторными, все остальные типы плоттеров — растровые, т. е. используют дискретный способ создания изображения. ^ Струйные плоттеры являются устройствами вывода графической информации растрового типа, пишущие узлы которых используют струйную технологию печати. Из всего разнообразия струйных технологий печати наибольшее распространение в пишущих узлах плоттеров получила «пузырьковая». Существует три разновидности струйных плоттеров: монохромные, цветные (полноцветные) и с возможностью цветной печати (color capable). Струйные плоттеры с возможностью цветной печати позволяют выполнять чертежи с цветными линиями и однотонно закрашенными областями. Они являются струйным аналогом обычных перьевых плоттеров. Современные струйные плоттеры можно разделить на два класса: плоттеры для САПР и полноцветные (универсальные) плоттеры. Плоттеры для САПР ориентированы на печать векторной графики, прежде всего монохромных чертежей. Полноцветные плоттеры способны печатать любую графику — от чертежей до плакатов с фотографическим качеством изображения — и находят все более широкое применение, в том числе в САПР. В пишущих узлах полноцветных струйных плоттеров используется четыре группы сопел, в каждую из которых поступает краситель определенного цвета согласно технологии цветной печати CMYK. Приемлемая цена, высокое качество печати и большие возможности сделали струйные плоттеры серьезным конкурентом перьевых устройств. Однако данные устройства, как и перьевые плоттеры, не вполне устраивают пользователей с большими объемами выводимой графической информации. Для высокой производительности целесообразно применять плоттеры прямого вывода или лазерные. ^ Электростатические плоттеры основаны на технологии создания скрытого электрического изображения (потенциального рельефа) на поверхности носителя, представляющего собой специальную электростатическую бумагу, рабочая поверхность которой покрыта тонким слоем диэлектрика, а основа пропитана гидрофильными солями, позволяющими получить требуемую для нее влажность и электропроводность. Для записи информации используются пишущие узлы, представляющие собой блоки электродов. Потенциальный рельеф образуется при осаждении на поверхность диэлектрика свободных зарядов, образующихся при возбуждении электродов высоковольтными импульсами напряжения. Когда бумага проходит через проявляющий узел с жидким намагниченным тонером, его частички остаются на заряженных участках бумаги. Полная цветовая гамма получается за четыре цикла создания скрытого изображения и прохода носителя через четыре проявляющих узла с соответствующими тонерами согласно технологии CMYK. Отличительные особенности данного типа плоттеров — скорость, надежность, качество и производительность. Их применяют при высокой степени автоматизации проектных работ. Изображение, полученное на ЭП, весьма устойчиво и не выгорает под действием ультрафиолетовых лучей, а стоимость электростатической бумаги соответствует стоимости высококачественной типографской бумаги. Однако электростатические плоттеры отличаются высокой себестоимостью и необходимостью их тщательного обслуживания. ^ Плоттеры прямого вывода изображения, или термографические, используют в качестве носителя специальную термобумагу, темнеющую под воздействием тепла. Монохромное изображение создается миниатюрными нагревателями, сформированными в виде «гребенки», каждый из которых имеет самостоятельное управление. При перемещении термобумаги относительно «гребенки» ее цвет меняется в местах нагрева. Простота механизма печати обеспечивает скорость вычерчивания до 50 мм/с с разрешением до 800 dpi. Термобумага обычно подается из рулона. ПВИ применяются в крупных проектных организациях как для вывода проверочных копий, так и для изготовления окончательного пакета чертежей изделия. Лазерные плоттеры базируются на электрографической технологии, реализованной в лазерных принтерах. В качестве источника излучения в плоттерах применяются лазеры и полупроводниковые светодиодные матрицы (Light Emitted Diod — LED). LED-плоттеры относятся к классу растровых, когда каждой точке строки изображения соответствует свой светодиод (например, при разрешении 400 точек на дюйм линейка для формата А1 состоит из 9600 диодов). Лазерные и LED-плоттеры ввиду высокого быстродействия в первую очередь рекомендуются пользователям с большими объемами работ. Для повышения эффективности такие плоттеры чаще всего используются как сетевые устройства. К числу их преимуществ относится возможность работать на обычной бумаге, что сокращает удельные затраты при эксплуатации. LED-плоттеры становятся все более популярными, хотя по уровню стоимости находятся в высшей ценовой категории. Области применения LED-плоттеров: сложный технический дизайн, архитектура, документооборот, картография.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
Помощь Обратная связь Вопросы и предложения Пользовательское соглашение Политика конфиденциальности