Устройства отображения информации

Глава 3

Устройства отображения информации стали неотъемлемым атри­бутом жизни современного общества во всех сферах деятельности. Это крупноформатные устройства отображения: информационные табло, уличные видеоэкраны («городской телевизор») и т. п., домашние и офис­ные телевизоры и панели, компьютерные мониторы и дисплеи, а также малоформатные устройства: дисплеи цифровых фотоаппаратов, мобиль­ных телефонов, часов, калькуляторов и т. д. Рынок устройств отображе­ния информации сегодня динамично развивается и характеризуется жесткой конкуренцией между значительным числом производителей.

Современные устройства отображения могут быть

по режиму отображения:

— символьными, отображающими только алфавитно-цифровую информацию и псевдографические символы («бегущая строка», табло курсов обмена валют, табло вызова клиентов, табло электронных часов, калондарей, термометров, дисплеи кассовых аппаратов, спортивные табло, информационные табло для транспорта и др.);

— графическими, предназначенными для отображения изобрази­тельной информации, в т. ч. и текста (телевизоры, мониторы, видео­экраны),

по способу воспроизведения изображения:

— растровыми;

— векторными,

по количеству воспроизводимых цветов:

— одноцветными (монохромные) — черно-белыми;

— двухцветными;

— цветными (полихромные),

по количеству градаций:

— воспроизводящими две градации: элемент изображения — фон (например, алфавитно-цифровые и векторные дисплеи);

— воспроизводящими полутоновое изображение, по мерности воспроизводимого изображения:

— воспроизводящими плоское (двухмерное) изображение;

— объемное (трехмерное) изображение.

По принципу действия большая часть устройств для отображения информации — это эмиссионные устройства, являющиеся источниками оптического излучения:

— на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ);

— с автоэлектронной эмиссией;

— электролюминесцентные газоразрядные (плазменные);

— светодиодные.

Другая часть устройств использует различные принципы управле­ния потоком излучения источника подсветки или внешнего света:

— жидкокристаллические;

— с микроэлектромеханическими системами.

Кроме того, устройства отображения информации могут быть по месту формирования изображения:

— устройствами с непосредственным формированием изображе­ния на экране;

— проекционными — с оптическим формированием изображе­ния на выносном экране;

— проекторами видеоизображения на сетчатку глаза (виртуальный ретинальный монитор),

по конструктивному исполнению:

— одноэкранными;

— составными (модульного типа),

до характеру интерактивности (степени взаимодействия) пред­назначенными:

— для вывода информации (линейное взаимодействие);

— для ввода/вывода информации (реактивное взаимодействие) — сенсорные экраны.

Информационным элементом устройств отображения информа­ции является экран — поверхность, на которой собственно и воспроиз­водится изображение. Изображение на экране воспроизводится, как правило, растровым способом.

В ртом способе изображение описывается посредством отдельных однородных (одинаковых между собой) элементов — элементов изобра- жения. Элементы изображения, воспроизводимые на экране, называют пикселами (pixel, здесь и далее англ.) — в отличие от элементов изображе­ния, воспроизводимых устройствами для вывода изображения на мате­риальный носитель (принтеры, фотовыводиые устройства, рекордеры), где элементы изображения называют точками (dot), или для полиграфи­ческих технологий, где их называют растровыми элементами или лини­ями (line). Происхождение термина «пиксел» обусловлено связыванием двух слов picture element — элемент изображения, а сам термин перво­начально использовался исключительно для обозначения высвечива­ющегося на экране элемента. (В настоящее время его используют шире: пикселом также называют элемент изображения, описанного растровым способом в цифровом виде, например в компьютерных технологиях.)

Размер элементов изображения достаточно мал, поэтому их также можно называть микроэлементами. Совершенно очевидно, что чем меньше размер элементов изображения, тем выше точность его описания.

Растровый способ предполагает формирование изображения по принципу: «элемент за элементом», «строка за строкой». Каждый элемент изображения (пиксел) окрашивается в один из допустимых цветов, среди которых всегда присутствует цвет фона.

В двухградационныхустройствах отображения пикселы имеют два допустимых цвета (например, черный и зеленый), при этом один из цве­тов всегда цвет фона (черный цвет фона экрана).

Для описания цвета элемента изображения в данном случае требу­ется 1 бит информации, который может принимать значение 0 или 1. Если значению 0 присвоить в соответствие черный цвет фона, а 1 — напри­мер, зеленый цвет элемента изображения, то, используя для описания каждого пиксела один бит информации, можно описать изображение, содержащее два уровня градаций. Глубина битового представления такого изображения равна 1.

В одноцветных (например, черно-белых) устройствах, воспроизво­дящих полутоновое изображение, каждый пиксел имеет 256 возможных уровней яркости. Это позволяет отобразить на экране изображение с визуально непрерывным изменением яркости его деталей.

Число 256 выбрано по двум причинам. Во-первых, для создания эф­фекта плавно непрерывно изменяющегося тона изображения человеку достаточно в среднем около 200 уровней тонов. При воспроизведении изображения требуется некоторое количество дополнительных уров­ней, чтобы компенсировать неизбежные потери на различных стадиях воспроизведения и при вычислительных операциях. Во-вторых, это связано с особенностями представления и кодирования информации.

В данном случае глубина битового представления равна 8. Восемь битов информации дают возможность описать 256 (2", от значения О до значе­ния 255) уровней градаций серого: от белого до черного.

В цветных устройствах отображения для воспроизведения цвет­ного изображения используется аддитивный синтез цвета: все много­образие цветов получают смешением соответствующих количеств трех основных излучений (стимулов) — красного, зеленого и синего. Здесь каждый пиксел состоит из трех субпикселов — субэлементов изобра­жения, способных генерировать или преобразовывать излучения соот­ветственно красного, зеленого и синего цветов. При этом каждый из субпикселов имеет 256 возможных уровней яркости, а цвет пиксела в целом определяется взаимным отношением уровней яркостей, состав­ляющих его красного, зеленого и синего субпикселов — RGB-описание (red — красный, green — зеленый, blue — синий).

В данном случае глубина битового представления цветных изобра­жений равна 24. В 24-битных изображениях каждый элемент описыва­ется тремя 8-битными значениями для красной, зеленой и синей составля­ющих цвета. Таким образом можно описать около 16,8 млн (256x256x256) возможных цветов. Возможных потому, что не каждую из комбинаций RGB-описания зрительная система человека будет воспринимать как от­дельный цвет. Поданным ряда исследований, человек способен различать 150— 300 тыс. цветовых оттенков [55]. Кроме того, совершенно очевидно, что различные по принципу действия (различных производителей или модельных рядов) устройства отображения информации воспроизведут цвета, соответствующие одному и тому же RGB-описанию, отличающи­мися друг от друга. Поэтому правильнее говорить о воснрбизведении таких 16,8 млн комбинаций количеств RGB-излучений, которые в даль­нейшем будут восприняты как тот или иной цвет.

Количество элементов изображения, описанного или воспроизво­димого растровым способом, приходящихся на единицу линейного раз­мера, называют разрешением устройства. Разрешение указывают чаще всего в элементах изображения на дюйм.

Например, разрешение экрана 72, 96, 120 ppi — pixel per inch — пикселов на дюйм, разрешение лазерного принтера 300,600,1200 dpi — dot per inch—точек на дюйм. Для перевода разрешения в единицы мет­рической системы (пикселы и точки на сантиметр — ppcm, dpcm) сле­дует значения в ppi и dpi поделить на 2,54 (1 дюйм в Англии равен при­мерно 2,54 см). Разрешение экрана устройства, отображения показывает, какое количество пикселов физической конструкции экрана приходится на единицу его линейного размера.

Линейный размер экрана —это размер экрана по горизонтали и вер­тикали, выраженный в дюймах или сантиметрах. Стандартное соотно­шение указанных размеров составляет 4:3, а у экранов широкого фор­мата — 16:9 (16:10). В сложившейся практике в качестве линейного раз­мера чаще всего указывают размер диагонали экрана: например, размер экрана монитора компьютера 19 дюймов или 48(19x2,54) см.

Таким образом, максимально возможное количество элементов изображения, которое может быть отображено экраном (т. е. описыва­ющих полноэкранное изображение), определяется его линейным раз­мером и разрешением.

Разрешение экрана, как показано выше, определяется размером пиксела (размером зерна), который в свою очередь определяет четкость изображения на экране. Чем меньше размер пиксела, тем выше четкость. Наибольшую четкость воспроизводимого изображения обеспечивают мониторы: размер пиксела экранов современных графических монито­ров находится в интервале 0,30 — 0,125 мм. Наибольший размер имеют пик­селы крупноформатных устройств отображения, например в светодиод­ных видеоэкранах модульной конструкции — 30 —15 мм.

В символьных (алфавитно-цифровых) устройствах отображения и графических, работающих в текстовом режиме, экран разбивается (в графических — условно) на отдельные участки — знакоместа.

Количество текстовых строк и количество знакомест в них в алфа­витно-цифровых устройствах определяется назначением устройства и его габаритами. Например, в табло «бегущая строка»—это одна строка, количество знакомест в которой определяется длиной самого устройства. На дисплее микрокалькулятора 1 строка и 8 знакомест. В спортивном табло указанные количества определяются размерами табло и характе­ром отображаемой информации, например 13 и 30 соответственно для отображения результатов соревнований по лыжным гонкам. В графи­ческих устройствах, работающих в текстовом режиме, экран разбива­ется чаше всего на 25 строк по 80 знакомест.

Каждое знакоместо представляет собой прямоугольную матрицу из пикселов (сегментов) экрана. Количество строк и столбцов пикселов в составе знакоместа определяет качество графической прорисовки символа. Например, в дисплее радиотелефона матрица знакоместа может иметь размер 5x7 пикселов, а на графическом мониторе, работающем в текстовом режиме, 12x20 пикселов.

В каждое знакоместо может быть выведен один из максимум 224 заранее заданных символов (при 8-битовом кодировании возможно за­дать 2⁸ = 256 символов, однако первые 32 позиции кодовой таблицы отведены под служебные символы). В это число входят прописные и строч­ные латинские и кириллические буквы, цифры, специальные символы, а также псевдографические символы, используемые для вывода на экран таблиц и диаграмм, построения рамок вокруг участков экрана. Очевидно, что максимально возможный набор символов требуется не всегда: напри­мер, в табло курсов валют отображаются только цифры и ряд дополни­тельных символов, как и в дисплеях калькуляторов.

Для графических устройств важным параметром, характеризу­ющим воспроизводимое изображение, является дискретный размер — размер, выраженный в пикселах. Здесь следует различать дискретный размер экрана и дискретный размер режима отображения. Дискретный размер экрана определяется его линейным размером иразрешением (раз­мером пиксела). Это параметр физической конструкции экрана, показы­вающий максимально возможный дискретный размер воспроизводи­мого изображения. Например, дискретный размер экрана жидкокрис­таллического телевизора 1366x768 означает, что матрица экрана конст­руктивно содержит 1366 пикселов по горизонтали и 768 по вертикали. Дискретный размер режима отображения характеризует точность вос­произведения изображения на экране устройства и является регулиру­емым параметром. Так, монитор компьютера поддерживает ряд графи­ческих режимов отображения, например, с дискретными размерами 800x600,1024x768,1152x864,1280x768,1280x960,1600x1200 пикселов. Чем выше дискретный размер отображаемого изображения, тем выше точ­ность его графической прорисовки.

К важным характеристикам устройств отображения относят также: частоту обновления изображения на экране (частота смены кадров), угол обзора (угол наблюдения, при котором не нарушаются яркость, контраст и цветопередача), наличие плоского или выпуклого экрана, уровень высокочастотного радиоизлучения, наличие системы энергосбережения.

Другим способом описания изображения, используемым в устрой­ствах отображения информации, является векторный способ. В этом способе прорисовка изображения осуществляется посредством геомет­рических примитивов при его произвольном сканировании (т. е. вдоль линий изображения), в отличие от растрового способа, где изображение описывается последовательно элемент за элементом, строка за строкой.

В векторных дисплеях изображение прорисовывается от точки к точке по произвольно направленным отрезкам прямых, которые и на­зываются векторами. Таким образом'можно «рисовать» прямолинейные участки изображения и осуществлять кусочно-линейную аппроксима- цию кривых. Там, где кривая имеет малый радиус кривизны, отрезки прямых короче, чем в областях, где радиус кривизны относительно велик.

Изображение, как правило, является монохромным с несколькими градациями яркости.

Векторные дисплеи предназначены для получения статических и динамических изображений незначительного объема, их использование крайне Офаничено и относится к специальным областям науки и техники.

Векторные дисплеи работают на основе электронно-лучевой трубки, поэтому подробнее их устройство и принцип действия описаны в п. 3.1.