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.

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. 4.6.

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.

Рис. 4.7. Принцип действия полисиликонового мультимедийного проектора просветного типа

Рис. 4.6. Принцип действия мультимедийного TFT-проектора просветного типа

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. 4.7, 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.

Цветоделительная система полисиликонового проектора, со­стоящая из двух дихроичных (D₁, D₂) и одного обычного (N₁,) 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, D₄) и одного отражающего (N₂) зеркал и служит для получения цветного изображения путем наложения одного на другой трех монохромных изображений, создаваемых соответствующими ЖК‑матрицами.

Рис. 4.8. Схема трехматричного отражательного мультимедийного проектора

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.

ЖК-проекторы отражательного типа предназначены для рабо­ты в больших аудиториях и отличаются по принципу действия: модуляции подвергается не проходящий, а отраженный световой поток.

В настоящее время наиболее используемой в конструкциях ЖК‑проекторов отражательного типа является технология DMD/DLP, разработанная фирмой Texas 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 пиксель 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 ´ 600 = 508 800 микрозеркал, что превосходит SVGA-разрешение (800×600 = 480 000 пикселей).

Для получения цветного изображения используются проекто­ры двух вариантов: с тремя или одной DMD-матрицей. Трехмат-ричный проектор, схема которого дана на рис. 4.8, по способу формирования цветного изображения аналогичен полисиликоно­вому (см. рис. 4.7).

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. 4.9). 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‑проекто-ров следует отнести заметное мелькание кадров.

 

Рис. 4.9. Схема одноматричного отражательного мультимедийного проектора

 

4.3. Устройства формирования объемных изображений

Устройства формирования объемных (трехмерных) изображе­ний появились в качестве весьма дорогостоящих и недостаточно совершенных элементов системы виртуальной реальности. Одна­ко в настоящее время эти устройства интенсивно совершенству­ются, постепенно превращаясь в непременный атрибут домашне­го мультимедийного ПК, поскольку объемный характер изобра­жения имеет важнейшее значение для создания у пользователя подсознательного ощущения реальности наблюдаемой сцены.

По своей конструкции такие устройства принципиально отли­чаются от традиционных мониторов, поскольку в их основе ле­жит способ формирования трехмерных изображений, основанный на эффекте бинокулярного зрения, или стереозрения.

Особенности восприятия человеком объемных изображений определяются следующими факторами: первичными (врожденны­ми), основанными на использовании бинокулярного зрения, и вторичными, основанными на накопленном человеком опыте ориентации в пространстве и позволяющими оценить глубину наблюдаемого объекта по косвенным признакам, доступным при монокулярном зрении.

Важнейшими, безусловно, являются вторичные факторы. По­этому в данной главе рассмотрим устройства отображения, осно­ванные именно на этом свойстве, т.е. использующие бинокуляр­ное зрение человека.

Объемное восприятие объектов возможно как при бинокуляр­ном, так и при монокулярном зрении, поэтому иллюзию трех­мерности изображения можно создать при помощи традицион­ных двухмерных устройств отображения (телевизора, монитора). Например, фотоснимок сам по себе является двухмерным, плос­ким изображением, однако при его просмотре человек подсозна­тельно оценивает его особенности, благодаря чему создается дос­таточно четкое представление о форме и пространственном поло­жении изображенных объектов.

Особенности объемного изображения (тени, взаимное поло­жение и т.д.) можно создавать на искусственных моделях вирту­ального компьютерного мира. Сегодня бурно развивается новая технология, которую принято называть трехмерной графикой, или 3D. В основе этой технологии лежит такой подход: все объекты компьютерного мира описываются в трехмерной системе коорди­нат. Имея математическое описание трехмерного объекта, можно корректно рассчитать его двухмерную проекцию на плоскость эк­рана, которая будет обладать всеми свойствами трехмерного объекта. Поскольку объем вычислений, необходимый для расчета трех­мерной сцены, исключительно велик, эту работу выполняют спе­циализированные графические процессоры, называемые ускорителями трехмерной графики, или 3D-акселераторами, которые подробнее будут рассмотрены в подразд. 4.4. Ярким примером 3D-графики являются многочисленные трехмерные компьютер­ные игры.

Механизм бинокулярного зрения связан с явлением одновре­менного раздражения светом горизонтально расположенных не­симметричных точек сетчатки глаз. Асимметрия этих точек обус­ловлена тем, что оба глаза, расположенные один от другого на расстоянии 6-7 см по горизонтали, видят один и тот же объект под разными углами. Благодаря этому проекции объекта на глаз­ном дне каждого глаза оказываются смещенными в горизонталь­ном направлении. Головной мозг анализирует эти проекции, в результате чего у человека создается ощущение объемности объекта. Практический способ формирования стереоизображения заклю­чается в том, что два изображения одного и того же предмета, как показано на рис. 4.10, проецируемые на каждый глаз, разворачи­ваются в горизонтальной плоскости один относительно другого на небольшой угол, образуя так называемую стереопару. Такой стереоскоп позволяет видеть объемное изображение за счет раз­дельного наблюдения каждым глазом двух почти одинаковых плос­ких изображений, образующих стереопару.

 

Рис. 4.10. Принцип формирования стереопары

 

Принцип действия стереоскопа реализуется во всех современ­ных устройствах формирования объемных изображений. Однако используемые в них конкретные способы формирования стерео­пары отличаются между собой. Чтобы каждый глаз мог видеть толь­ко одну половину стереопары, существуют два основных способа:

• использование для каждого глаза отдельного экрана (двухэкранный способ);

• проецирование двух изображений, составляющих стереопа­ру, на общий экран с последующей селекцией элементов стерео­пары, обеспечивающей их раздельный показ каждому глазу (одноэкранный способ).

Двухэкранные устройства основаны на использовании в каче­стве двух экранов миниатюрных ЭЛТ, с помощью которых удается получить весьма высокое разрешение (до 1280×1024 на каждом экране), однако все устройство отображения получается весьма тяжелым и громоздким, поэтому для его крепления около глаз используют специальную штангу. Такие устройства относят к типу BMD (Boom Mounted Display — дисплей, закрепленный на штанге). Они весьма дороги и применяются в составе профессиональных тренажеров-симуляторов.

Громоздкость двухэкранных устройств была преодолена путем использования компактных ЖК-экранов. Появились и непрерыв­но совершенствуются удобные устройства отображения в виде шлемов, биноклей или специальных очков. Их принято называть устройствами типа HMD (Head Mounted Display — дисплей, за­крепленный на голове). Именно они являются в настоящее время основными устройствами формирования объёмных изображений и широко используются в системах виртуальной реальности. Наи­более распространенным устройством отображения типа HMD является шлем виртуальной реальности, или VR-шлем. Термин «виртуальная реальность» может быть переведен как воображае­мый, кажущийся, даже «поддельный» мир.

Существует также группа устройств типа HHD (Hand Held Display — дисплей, удерживаемый в руках). Типичным представи­телем устройств типа HHD являются подключаемые к PC бинок­ли, в которые вмонтированы две ЖК-матрицы. Бинокли имеют значительно меньший вес и габариты по сравнению с устрой­ствами типа BMD, поэтому они находят все более широкое при­менение в сфере мультимедиа.

Одноэкранные устройства обеспечивают показ частей трехмер­ного изображения на одном экране. Однако при этом использует­ся специальное оборудование для разделения (селекции) изобра­жений, составляющих стереопару. Существует несколько спосо­бов селекции.

• Одновременный (метод поляризационной селекции). На один эк­ран одновременно проецируются два изображения, образующие стереопару, причем каждое изображение имеет различную поля­ризацию световой волны. В поляризационные очки наблюдатель может видеть стереоскопическое изображение. Такой способ при­меняется в стереокино, а также в мультимедийных 3D-проекто-рах. В последнем случае одновременно используются два проекци­онных аппарата, изображения от которых должны быть тщатель­но совмещены на экране.

• Последовательный (затворный метод). Элементы стереопары отображаются на экране монитора по очереди, при этом между каждым глазом и экраном располагается специальное устройство в виде «шторки», или «затвора» (shutter), которое синхронно со сменой элементов стереопары становится непрозрачным, пере­крывая поле зрения одному глазу. Наиболее часто в качестве таких «шторок» используются специальные электронно-управляемые очки (Shutterglasses — очки затворного типа). В качестве управляю­щего сигнала для таких очков, называемых также активными по­ляризационными очками, используется выходной сигнал видео­адаптера PC.

• Комбинированный метод. Отличается от затворного метода тем, что позволяет использовать простые (пассивные) поляризацион­ные очки вместо более дорогих активных.

 

4.3.1. Шлемы виртуальной реальности (VR-шлемы)

Шлемы виртуальной реальности (VR-шлемы), называемые так­же кибершлемами, являются в настоящее время наиболее совер­шенными устройствами формирования трехмерных изображений. Помимо наличия двух индивидуальных экранов для каждого глаза VR-шлемы, благодаря своей конструкции, обеспечивают отсече­ние поля периферийного зрения человека, что усиливает эффект проникновения в виртуальный компьютерный мир.

В VR-шлемах используются миниатюрные экраны, выполнен­ные на основе активных ЖК-матриц. Каждая из ЖК-матриц фор­мирует цветное изображение, которое, благодаря особой конст­рукции шлема, видит только один глаз. Помимо экранов VR-шлем снабжен стереофоническими головными телефонами и микрофо­ном. Узел шлема, объединяющий в себе эти матрицы и органы регулировки, называют визором. Визор дает возможность ре­гулировать расстояние между матрицами по горизонтали, кото­рое должно соответствовать расстоянию между зрачками пользо­вателя, называемому IPD (Inter Pupil Distance). Визоры некоторых моделей шлемов оборудованы специальной оптической системой автоматического определения IPD, исключающей необходимость в индивидуальной настройке шлема.

Основным недостатком VR-шлема является недостаточно высо­кое разрешение стереоскопического изображения. Это обусловлено ограниченным количеством элементов ЖК-матрицы и малым рас­стоянием между глазом и визором, что делает зернистость ЖК-матриц заметной.

Важнейшей особенностью VR-шлемов является наличие так называемой системы виртуальной ориентации (СВО) (Virtual Orientation System — VOS),которая отслеживает движение голо­вы и в соответствии с ним корректирует изображение на экра­нах. В случае поворота головы в одну сторону панорамное изобра­жение «прокручивается» через ЖК-матрицы в противоположном направлении. В результате у пользователя возникает иллюзия ста­бильности наблюдаемой картины, ощущение реальности изобра­жения. В зависимости от принципа действия и типа используемого Поля различают магнитные, ультразвуковые и инерциальные СВО.

Магнитные СВО распространены наиболее широко. В них ис­пользуются миниатюрные магнитные датчики (катушки индук­тивности). Магнитная СВО включает в себя блок внешних непо­движных передатчиков, выполняющих роль радиомаяков; датчик-приемник, расположенный на шлеме; системный электронный блок, который формирует электрические сигналы, поступающие на передатчик, и обрабатывает сигналы, принятые приемником. Интенсивность и фаза принятых сигналов зависят от расстояния между передающими и приемными катушками, а также от их вза­имной ориентации. Обрабатывая передаваемые и принимаемые сигналы, системный электронный блок вычисляет пространствен­ные координаты приемника относительно передатчика. Результа­ты вычислений передаются в PC через стандартный последова­тельный интерфейс RS-232 с частотой 50‑60 Гц.

В ультразвуковых СВО вместо магнитных используются мало­габаритные пьезокерамические преобразователи, выполняющие функции передатчиков и приемников. Обычно используются три передатчика и приемника, размещенные в шлеме. Системный блок посылает на передатчики электрический сигнал и регистрирует ультразвуковой сигнал. Измеряя временную задержку между по­сланным и принятым сигналом, а также зная скорость распрост­ранения звуковой волны (около 330 м/с), можно достаточно точ­но определить расстояние между передатчиком и приемником. Путем обработки результатов измерений расстояния между тремя парами датчиков рассчитывают положение и ориентацию шлема (головы пользователя) в пространстве.

Инерциальные СВО используются в VR-шлемах моделей, пред­назначенных в основном для профессионального применения. Свое название они получили благодаря использованию в них инерциальных датчиков — гироскопов и акселерометров, не требующих для своей работы магнитных или ультразвуковых полей. С их по­мощью создается независимая инерциальная система координат, в которой отслеживается положение головы пользователя.

В качестве входного сигнала для VR-шлема может использо­ваться либо видеосигнал от бытовой видеоаппаратуры, либо RGB-сигнал видеоадаптера ПК. VR-шлемы с визорами, способными обеспечить разрешение не хуже 640×480, обычно рассчитаны на подключение непосредственно к видеоадаптеру ПК.

Помимо визора VR-шлем оборудован высококачественной сте­реофонической аудиосистемой. Источником звука может быть либо телевизор (видеомагнитофон), либо звуковая карта компью­тера.

Модели VR-шлемов крайне разнообразны по техническим ре­шениям и возможностям и по праву считаются продуктами самых высоких компьютерных технологий. На российском рынке извест­ны такие модели, как VFX1 Headgear VR System, VFX3D, семейство шлемов I-Glasses фирмы I/o Display Systems, кибершлем V8 фирмы Virtual Research Systems. Конструкции шлемов постоянно совершенствуются: если первый из названных имел массу 1,3 кг, то последний — 821 г.

Шлемы виртуальной реальности в настоящее время являются наиболее удачными из всех устройств, основанных на использо­вании особенностей бинокулярного зрения. Однако качество изоб­ражения, получаемого с их помощью, недостаточно высокое вслед­ствие низкого разрешения. В связи с этим перспективы VR-шлемов неразрывно связаны с созданием новых ЖК‑матриц.

 

4.3.2. 3D-очки

3D-очки являются наиболее распространенными и доступными по цене устройствами формирования трехмерных изображений. Принцип их действия основан на использовании затворного ме­тода разделения элементов стереопары. 3D-очки используются в качестве дополнения к обычному монитору и могут подсоеди­няться к видеоадаптеру ПК при помощи гибкого провода длиной 2-3 м.

Принцип действия 3D-очков заключается в том, что при по­следовательном отображении на мониторе левой и правой час­тей стереопары синхронно меняется прозрачность стекол оч­ков. В результате каждый глаз видит только свою часть стереопа­ры, что обеспечивает стереоэффект. Чтобы стекла 3D-очков мог­ли «терять прозрачность» по командам компьютера, их выпол­няют по технологии ЖК-ячейки просветного типа, использую­щей эффект поляризации. Поэтому 3D-очки иногда называют поляризационными. Поскольку прозрачность стекол 3D-очков изменяется синхронно со сменой изображения на экране вслед­ствие управления сигналами видеоадаптера, их называют ак­тивными.

Таким образом, термины «активные поляризационные очки», «3D-очки» — синонимы; они обозначают устройства, работаю­щие на одинаковом принципе.

Между 3D-очками и шлемами виртуальной реальности есть принципиальные различия:

3D-очки изображения не создают, хотя также содержат ЖК-линзы, которые используются в качестве электронно-управляе­мого фильтра (затвора), поэтому качество формируемого изобра­жения определяется монитором;

3D-очки лишены системы виртуальной ориентации, поэтому изображение на экране монитора никак не корректируется в зависимости от положения головы наблюдателя. В связи с этим при ^Использовании 3D-очков нет смысла перекрывать зону периферий­ного зрения, поэтому они выполняются в форме обычных очков.

Подключение 3D-очков к ПК производится в большинстве слу­чаев с помощью дополнительного устройства — контроллера, ко­торый формирует синхросигнал для 3D-очков, управляющий по­очередным затемнением стекол, и преобразует (при необходимо­сти) выходной видеосигнал и синхросигналы видеоадаптера та­ким образом, чтобы обеспечить раздельный последовательный показ элементов стереопары на экране монитора.

В большинстве моделей 3D-o4kob контроллер выполняется в виде отдельного внешнего блока, хотя в настоящее время появи­лось много видеоадаптеров с интегрированными контроллерами для 3D-очков.

Современный рынок 3D-очков достаточно разнообразен. Пре­имущественно используются беспроводные модели, обеспечива­ющие связь с ПК с помощью инфракрасного передатчика, ана­логичного телевизионному пульту управления.

4.3.3. 3D-мониторы

Одним из направлений получения стереоскопического изобра­жения является использование 3D-мониторов. Существуют устрой­ства двух типов, которые можно отнести к категории 3D-монито-ров:

· плоскопанельные 3D-мониторы на основе ЖК-экранов;

· мониторы на основе ЭЛТ, оборудованные поляризационным ЖК-фильтром.

Плоскопанельные 3D-мониторы основаны на свойстве избира­тельности ЖК-мониторов по отношению к поляризации прохо­дящего излучения. Стереопара в таких мониторах создается за счет того, что ЖК-ячейки нечетных строк экрана пропускают свет с одной поляризацией, например, с горизонтальной, а ячейки чет­ных строк — с вертикальной. Нечетные строки растра использу­ются для отображения левой части стереопары, а четные — пра­вой. Наблюдение стереоэффекта производится с помощью пас­сивных поляризационных очков. Примером устройства, основан­ного на этом свойстве, служит 3D-экран ПК типа Notebook Cyberbook.

Для работы с плоскопанельным.и мониторами другого типа 3D-очки не требуются. Принцип действия этого монитора основан на использовании двух разработок фирмы Sony: так называемого двой­ного расщепителя изображения и специальной фотодиодной сис­темы слежения за положением головы пользователя. Расщепитель изображения состоит из двух прозрачных пластин, между кото­рыми размещен ЖК-экран, как это показано на рис. 4.11. Благода­ря этому изображение на ЖК-экране может быть видно только под определенным углом. На экране одновременно отображаются оба элемента стереопары, причем пластины преломляют свет таким образом, что каждый глаз видит только один из элементов стереопары. Чтобы исключить нарушение стереоэффекта, кото­рый зависит от угла зрения, при изменении положения головы пользователя, применяется специальная система слежения за по­ложением, в которой в качестве датчиков используется линейка фотодиодов, расположенная над основным экраном. Эта система формирует электрический сигнал, связанный с изменением угла зрения пользователя, под действием которого изменяется коэф­фициент преломления панелей, обеспечивая устойчивый стерео­эффект. Такой принцип действия заложен в основу 15-дюймового 3D-экрана ЖК-монитора фирмы Sony. Оптимальное расстояние до экрана составляет около 60 см, а максимальное разрешение — 1024×768.

 

Рис. 4.11. Схема получения стереоизображения в плоскопанельном 3D-мониторе с «расщепителем» изображения

 

Мониторы с поляризационным фильтром обеспечивают форми­рование трехмерного изображения с помощью обычного монито­ра на основе ЭЛТ, оборудованного специальным внешним элек­тронно-управляемым поляризационным фильтром, например, Monitor Zscreen 2000 производства фирмы StereoGraphics. Этот фильтр используется вместе с пассивными поляризационными очками. Фильтром управляют сигналы специального контролле­ра, подключаемого к выходу видеоадаптера, подобно контролле­ру 3D-очков. Однако, в отличие от активных очков, у фильтра изменяется не прозрачность, а направление поляризации прохо­дящей через него световой волны.

Контроллер управляет фильтром таким образом, что нечетные Кадры оказываются поляризованными в одном направлении, а четные — в другом. В свою очередь, одно стекло пассивных очков пропускает свет с одним направлением поляризации, а другое —с другим. В результате один глаз видит только одну часть стереопа­ры, а второй — только вторую.

Таким образом, в фильтре реализован такой же, как и в актив­ных 3D‑очках, затворный метод разделения элементов стереопары. Достоинством данного устройства, по сравнению с активными 3D-очками, является возможность использования легких и удоб­ных пассивных очков.

Мониторы с поляризационными фильтрами выпускаются в 17-и 21-дюймовом исполнении. К числу их недостатков следует отне­сти ограничение на частоту кадров, наличие ореолов на контурах объектов, приводящих к взаимным искажениям, а также прозрач­ность около 32 %, что значительно снижает яркость изображения.

 

4.3.4. 3D-проекторы

3D-проекторы предназначены для коллективного просмотра объемных изображений в больших аудиториях. Главными отличи­ями 3D-проекторов от мультимедийных являются сложная конст­рукция оптической системы и наличие специальных поляризаци­онных фильтров (встроенных или внешних), при помощи кото­рых производится селекция элементов стереопары.

Рис. 4.12. Конструкция 3D-проектора на основе ЭЛТ

Для реализации последовательного метода показа элементов стереопары частота кадров проектора должна быть в два раза выше обычной. Мультимедийные проекторы на основе ЖК-матриц не удовлетворяют этому требованию из-за инерционности молекул ЖК-вещества. Поэтому в качестве источника изображения в 3D-пpoекторах применяется электронно-лучевая трубка, как показано на рис. 4.12, экран которой покрыт люминофором, дающим высокую яркость свечения и малое время послесвечения (см. рис. 4.12, а). Вы­сокая яркость изображения, формируемого 3D-проектором на про­екционном экране, обеспечивается использованием трех монохром­ных ЭЛТ для каждого из основных цветов (R, G, В). На каждой ЭЛТ закреплен индивидуальный объектив. Проектор оснащен сложной электронной системой регистрации. Система автоматически опре­деляет расстояние от проектора до экрана и на основе полученных данных с высокой точностью совмещает три монохромных изоб­ражения, проецируемых тремя объективами. ЭЛТ и объектив пред­ставляют собой единый конструктивный узел (см. рис. 4.12, б).

Люминофор экрана светится очень ярко, поэтому для предот­вращения перегрева экран ЭЛТ охлаждают с помощью специаль­ной жидкости, находящейся между экраном ЭЛТ и линзой объек­тива. Специальные регулировочные винты служат для ручной юс­тировки объектива. Примером такого устройства является проек­тор BARCOGRAPHICS 1209s фирмы BARCO. Проектор способен отображать видеосигнал от различных источников: от видеомаг­нитофона формата VHS до профессиональных графических станций, работающих с разрешением 2500×2000. Высокое разрешение проецируемого изображения связано с отсутствием зернистости люминофора, поскольку в монохромных ЭЛТ, которыми осна­щен проектор, используется сплошное люминофорное покрытие.

Для создания стереоэффекта при проецировании изображения необходимо обеспечить раздельное наблюдение элементов стерео­пары левым и правым глазом. Для этого используются один или два проектора и поляризационные очки (активные или пассив­ные) для каждого зрителя. В зависимости от используемой комби­нации такого оборудования различают четыре схемы получения стереоскопической проекции.

Активная схема предполагает использование одного проектора на основе ЭЛТ, выполняющего последовательный показ элемен­тов стереопары, в то время как зрители пользуются беспроводны­ми активными поляризационными очками затворного типа.

Пассивная схема 1 строится с помощью одного проектора на основе ЭЛТ с внешним электронно-управляемым поляризацион­ным затвором, последовательно показывающим элементы стерео­пары с различной поляризацией. Зрители используют пассивные поляризационные очки.

Пассивная схема 2 предполагает использование двух проекто­ров на основе ЭЛТ, выполняющих одновременный показ эле­ментов стереопары. Каждый проектор оборудован внешним пас­сивным поляризатором, обеспечивающим различную поляриза­цию элементов стереопары, а зрители пользуются пассивными очками.

Пассивная схема 3 основана на использовании двух ЖК-проекторов, обеспечивающих одновременный показ элементов стерео­пары. Зрители пользуются пассивными очками.

 

4.4. Видеоадаптеры

Видеоадаптер (видеокарта) является компонентом видеосис­темы ПК, выполняющим преобразование цифрового сигнала, циркулирующего внутри ПК, в аналоговые электрические сигна­лы, подаваемые на монитор. По существу, видеоадаптер выпол­няет роль интерфейса между компьютером и устройством отобра­жения информации (монитором).

По мере развития ПК видеоадаптеры стали реализовывать ап­паратное ускорение 2D- и 3D-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 N×M 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 пикселя 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.

 

 

4.4.1. 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 N×M n-разрядных чисел) содержится код цвета соответствующего пикселя экрана. Разрешение экрана при этом также равно N×M . Адресуе­мым элементом экрана является минимальный элемент изобра­жения — пиксель. По этой причине графический режим называют также режимом АРА (All Point Addressable — все точки адресуемы). Иногда число n называют глубиной цвета. При этом коли­чество одновременно отображаемых цветов равно 2ⁿ, а размер кад­рового буфера, необходимый для хранения цветного изображения с разрешением N×M и глубиной цвета п, составляет N×M бит.

В текстовом (символьном) режиме, как и в графическом, изоб­ражение на экране монитора представляет собой множество пик­селей и характеризуется разрешением N×M . Однако все пиксели разбиты на группы, называемые знакоместами, или символьными позициями (Character boxes — символьные ячейки), размером р×q. В каждом из знакомест может быть отобра­жен один из 256 символов. Таким образом, на экране умещается M/q= M_t символьных строк по N/p- N_t символов в каждой. Типич­ным текстовым режимом является режим 80×25 символов.

Рис. 4.13. Схема представления символа «А» в текстовом режиме в матрице 8x8 и ячейке знакогенератора

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. 4.13 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.

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 N×М знакомест, то объем видеопамяти, необходимый для хранения изображения, составит N_t×М_t×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 (80×25 символов) размер видеостраницы состав­ляет 4000 байт, в режиме 40×25 — 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 пиксель, 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.

 

4.4.2. 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).

 

4.4.3. 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.).

Рис. 4.14. Каркасная модель тора, заданного координата­ми центра 0 (х, у, z), внутрен­ним радиусом R1, и радиусом сечения R2

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 соеди­няющих их линий. Полученная гео­метрическая модель представляет со­бой так называемую каркасную мо­дель объекта (Wireframe). На рис. 4.14 изображена каркасная модель тора, заданного координатами центра O (х, у, z), внутренним радиусом R₁ и ра­диусом сечения R₂.

2. Разбиение поверхности получен­ного объекта на элементарные плос­кие элементы (прямоугольники или треугольники) — тесселяция (Tessela-tion), или триангуляция. Это приво дит к тому, что поверхность объекта представляет собой совокуп­ность плоских граней — многоугольников, в частности треуголь­ников, как показано на рис. 4.15. Поверхность объекта воспроиз­водится точнее при увеличении числа и уменьшении размеров многоугольников (ср. рис. 4.15, а, б).

3.

Рис. 4.15. Тесселяция объекта с помощью раатичного числа треугольников: а – 420 треугольников; б – 2668 треугольников

Моделирование движения объекта: его перемещение, враще-шие и изменение размеров (формы) — трансформация (trans­formation) — сводится к стандартному преобразованию координат вершин отдельных граней в виде многоугольников и реализуется путем выполнения множества различных алгебраических опера­ций с использованием тригонометрических функций. На рис. 4.16 показана трансформация формы объекта путем изгиба и скручи­вания.

 

Рис. 4.16. Трансформация формы объекта путем изгиба и скручивания

 

4. 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. 4.17, а, применяют методы затенения, т.е. дополнительно про­изводят интерполяцию значений ос­вещенности, позволяющую плавно изменять освещенность каждой гра­ни и скрыть резкие переходы меж­ду ними (рис. 4.17, б).

 

Рис. 4.17. Изображение объекта, рассчитанное: а — без использования механизма интерполяции; б — с использованием метода затенения

 

5. Проецирование синтезированного трехмерного объекта на плоскость экрана, т. е. первое, предварительное преобразование трехмерного объекта в совокупность двухмерных. 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.

6. 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.

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

8. 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. 4.18, а) кар­касная модель как бы покрывается своеобразным покрытием — текстурой и становится похожей на реальный объект (рис. 4.18, б)-В процессе текстурирования каждый многоугольник, составляв­ший каркасную модель, заменяется на элемент текстуры, а зна­чение каждого пикселя 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 — мипмэппинг.

 

Рис. 4.18. Текстурированис объекта: а — текстура; б — каркасная модель после наложения текстуры

 

Рис. 4.19. Пример МIP-каскада

MIP-текстурирование, или мипмэппинг (MIP— Multum In Рсчуо — много в одном), применяется для устранения пикселизации при приближении к ЗО-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. 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 ЗО-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 про­ зрачности объектов и среды выполняется коррекция цвета пиксе­ лов — так называемое альфа-смешение (Alpha-blending)и затуманивание (Fogging).

10. Коррекция дефектов изображения путем сглаживания — ан- тиалиасинг (Anti-aliasing). Антиалиасинг применяется для устране­ ния дефектов изображения типа «лестничного» эффекта на наклонных линиях, муара. Различают краевой (Edge Anti-aliasing) и полный (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 пикселя. 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. На рис. 4.20 дана иллюст­рация техники взвешенного суммирования.

 

Рис. 4.20. Техника взвешенного суммирования, используемая при краевом антиалиасинге

 

Полный антиалиасинг, или субпиксельный 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 пиксель представляется состо­ящим из нескольких виртуальных субпикселей, над которы­ми производится антиалиасинг, как показано на рис. 4.21. После коррекции, когда цвета всех субпикселей определены, исходное раз­решение восстанавливается.

 

Рис. 4.21. «Виртуальное разрешение» при выполнении полного антиалиасинга

 

11.используется в том слу­чае, когда в текущем видеорежиме 3D-акселератора для кодирования цвета пикселя используется менее 24 бит (напри­мер, в режиме High Color при 16-бит­ном цвете).

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

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 — пикселей 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 (Application 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;

Direct Play 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‑совместимый 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.

OpenGL 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 ЗО-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-акселерации;

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.

 

 

4.4.4. 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 (frame per second — fps). В каждой трехмерной игре этот показатель будет различным.

Качество современного видеоадаптера можно считать удовлет­ворительным, если в игре Quake при разрешении 1600×1200 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. AGP4× — 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 (антиалиасинга, 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.

 

4.5. Средства обработки видеосигнала

Источником видеосигнала чаще всего является аналоговое уст­ройство — телевизионный тюнер, видеомагнитофон, видеокаме­ра. Для передачи на компьютер цифрового видео (например, сигнала цифровых видеокамер) используется специальный циф­ровой порт FireWire. Однако цифровые видеокамеры пока не по­лучили широкого распространения. Поэтому для компьютерной обработки сигналов аналоговых видеоустройств необходимо вы­полнить их оцифровку, т.е. преобразование из аналоговой в циф­ровую форму. Для этого нужны карты ввода/вывода, принимаю­щие входящий аналоговый видеосигнал и оцифровывающие его в Реальном времени, затем эти данные необходимо сохранить на Жестком диске. После сохранения оцифрованного изображения Выполняют его редактирование. Эти функции осуществляет уст­ройство захвата видеосигнала.

Устройство захвата видеосигнала — видеобластер (Video Blaster) представляет собой видеоплату, называемую также захватчиком изображений, устройством ввода видео, ТВ-граббером (Grab — захватывать), имидж-кепчерами (Image Capture — захват изобра­жения), и обеспечивает:

прием низкочастотного видеосигнала (от видеокамеры, маг­нитофона или телевизионного тюнера) на один из программно-выбираемых видеовходов;

отображение принимаемого видео в реальном времени в мас­штабируемом окне среды Windows (VGA-монитор можно исполь­зовать вместо телевизора);

замораживание кадра оцифрованного видео;

сохранение захваченного кадра на винчестере или другом до­ступном устройстве хранения информации в виде файла в одном из принятых графических стандартов (TIP, TGA, PCX, GIF и др.).

Обобщенная схема устройства такого типа дана на рис. 4.22.

 

Рис. 4.22. Обобщенная структурная схема видеобластера

 

Видеодекодер обеспечивает прием сигнала с одного из входов, его оцифровку, цифровое декодирование согласн