Анимационные устройства ввода-вывода — КиберПедия 

Историки об Елизавете Петровне: Елизавета попала между двумя встречными культурными течениями, воспитывалась среди новых европейских веяний и преданий...

Автоматическое растормаживание колес: Тормозные устройства колес предназначены для уменьше­ния длины пробега и улучшения маневрирования ВС при...

Анимационные устройства ввода-вывода

2019-11-28 163
Анимационные устройства ввода-вывода 0.00 из 5.00 0 оценок
Заказать работу

 

Необходимость использования специализированных технических средств для компьютерной графики и анимации (т.е. воспроизведения движущихся изображений) объясняется высокими требованиями к си­стемам отображения информации, к качеству воспроизводимого изоб­ражения. При воспроизведении статических изображений повышение качества связано с увеличением разрешающей способности экрана и улучшением цветопередачи, что, в свою очередь, требует значитель­ного увеличения видеопамяти и емкости внешних ЗУ. Необходимость работы в реальном масштабе времени при демонстрации фильмов (т.е. динамических изображений) предъявляет высокие требования к производительности ЭВМ, причем не только к производительности цен­трального процессора, но и к скорости обмена с внешними устрой­ствами. Дополнительные трудности возникают и вследствие того, что в качестве внешних устройств приходится использовать видео- и аудиоаппаратуру, в которой реализованы иные принципы представ­ления информации: информацию приходится перекодировать, что так­же требует дополнительных временных, аппаратных и программных ресурсов. Кроме того, редактирование видеоинформации, переко­дирование ее, создание видеоэффектов часто связаны с вычислитель­ной обработкой, а следовательно, с дополнительными затратами времени.

Таким образом, при использовании ЭВМ для создания и демонст­рации компьютерной графики и анимации требуются: высокая произ­водительность всего технического комплекса, специализированные преобразователи информации, технические средства для высокока­чественного отображения, ввода-вывода и хранения больших объе­мов информации.

Производительность технического комплекса определяется, с од­ной стороны, производительностью его составных частей, а с дру­гой — согласованностью составных частей, отсутствием их просто­ев из-за ожидания друг друга, совмещением во времени различных операций.

Технический комплекс (микропроцессорный комплект + интерфейс ввода-вывода + устройства ввода-вывода) представляет собой пос­ледовательно соединенную систему с параллельными ветвями со сто­роны УВВ. Производительность такой системы зависит от быстро­действия микропроцессорного комплекта, пропускной способности интерфейса ввода-вывода, производительности и способа подклю­чения УВВ, наличия специальных «ускорителей» в различных уст­ройствах, а также от принятой в системе технологии обмена инфор­мацией между отдельными частями технического комплекса (при этом нужно учитывать, что одним из элементов этого комплекса может являться человек — оператор, воспринимающий выводимую информацию и обладающий определенными параметрами, напри­мер, такими, как «время реакции» — величиной, несопоставимой с временем выполнения операций электронной частью комплекса, или «время восприятия информации», «инерционность зрения», к которым приходится подстраивать программно-технические комп­лексы.

Поскольку высококачественное изображение требует очень боль­ших объемов памяти для хранения каждого кадра изображения, для воспроизведения фильмов необходимо выводить на экран не менее 24 кадров в секунду (чтобы устранить мелькание изображения), а чело­веку необходимо для восприятия изображения не менее 30 с, для хра­нения фильмов реальной длительности в цифровом виде нужны запо­минающие устройства очень большого объема. Это удорожает такие системы и приводит к поиску способов сжатия информации, для чего нашли широкое распространение как программные, так и аппарат­ные преобразователи.

Обилие разновидностей обрабатываемой в системах компьютер­ной графики и анимации информации приводит к необходимости ис­пользования различных устройств ввода: клавиатур, систем координатного ввода, оптических читающих устройств, устройств ввода акустической информации, анимационных устройств ввода и др. и соответствующих устройств вывода информации: дисплеев, графи­ческих экранных станций, синтезаторов речи, акустических систем, анимационных устройств вывода и др.

В состав анимационных устройств ввода-вывода входят: цифро­вая фотокамера, видеокамера, видеомагнитофон и телевизор, а так­же преобразователи видеосигналов.

Основой цифровой фотокамеры обычно является ПЗС — прибор с зарядовой связью (CCD — Charge Coupled Device), преобразующий световые волны в электрические сигналы. Приборы с зарядовой свя­зью выполнены в виде матриц, содержащих от 300 до 900 тыс. эле­ментов. От количества элементов зависит разрешающая способность (так, в камерах с разрешением 640x480 используется 350 тыс. ПЗС, в камерах с разрешением 1024x768 — 810 тыс. ПЗС).

Большинство современных цифровых фотокамер имеет жидкокри­сталлический дисплей, выполняющий две функции: просмотр содер­жимого памяти и дублирование оптического видоискателя. Кроме того, на дисплей выводится экранное меню, с помощью которого выбира­ются опции работы с изображением.

Цифровая фотокамера имеет запоминающее устройство для хра­нения отснятых изображений (фотографий). В качестве ЗУ использу­ются различные типы устройств, в том числе сменные Smart-Media-карты, объем которых составляет от 2 до 8 Мбайт. В среднем на та­кую карту емкостью 2 Мбайта умещается до 10 кадров с разрешением 1024x768 или до 40 кадров с разрешением 640x480. Количество от­снятых кадров зависит не только от разрешающей способности, но и от выбора - монохромное или цветное изображение, а также от пара­метров цветного изображения (количества одновременно отображае­мых цветов). Кроме того, отснятое изображение перед записью в ЗУ сжимается. Степень сжатия также оказывает влияние на количество размещаемых в памяти кадров.

С помощью меню можно просматривать на дисплее отснятые кадры, стирать их и воспроизводить на освободившееся место новую съемку.

Большинство цифровых фотокамер используют последователь­ный порт ЭВМ для переписи отснятых изображений в компьютер.

В основе цветного телевидения лежат особенности человеческого зрения: глаз имеет ограниченную разрешающую способность — две точки, угловое расстояние между которыми меньше одной минуты, воспринимаются глазом слитно; цветовое восприятие человека субъек­тивно: слабый фиолетовый сигнал воспринимается как к     расный; силь­ный (яркий) фиолетовый имеет серый оттенок.

Три цветные элементарные точки на экране образуют триаду. Для того чтобы триада воспринималась как одна точка, угловое расстояние между отдельными точками должно быть меньше одной минуты. При расстоянии от глаза до экрана в 1 м линейные размеры точек должны составлять доли миллиметра. При диагонали экрана 61 см общее число триад на экране должно быть около 500 000 (это эквива­лентно 1000 пиксел при 500 пикселных строках).

Стандарт телевидения — 525 строк на экране. При чересстрочной развертке частота смены полукадров — 50 герц. Для того чтобы ви­деосигнал мог перенести каждый элемент кадра (триаду), он должен иметь частоту (f):

f = N /2 T,

где: N — число элементов изображения (триад) на экране;

Т — время передачи одного кадра (1/25 с).

Тогда

f=500 000 / (2/25)=6 250 000=6,25 МГц.

Это достаточно большая частота, но для передачи видеосигнала от телецентра к телевизионному приемнику необходима радиочасто­та примерно в 10 раз большая. Поэтому диапазон частот телевеща­ния охватывает частоты от 48,5 до 230 МГц.

Несущая частота используется как энергия для переноса инфор­мации, когда на нее накладывается видеосигнал, образуются моду­лированные радиочастотные колебания. Сам процесс наложения ви­деосигнала на несущую частоту называется модуляцией.

Полный телевизионный сигнал должен нести информацию о яр­кости, цвете изображения и звуке. Для получения устойчивого изоб­ражения на экране прорисовка каждого кадра на передающей каме­ре в телецентре и в телевизионном приемнике должна начинаться в одно и то же время, т.е. синхронно. Поэтому полный телевизион­ный сигнал включает и синхроимпульсы кадровой и строчной раз­вертки.

Видеокамера представляет собой устройство, преобразующее визуальное изображение в аналоговые электрические сигналы.

Основным блоком, воспринимающим изображение в видеокамере, является электронно-лучевой прибор, который по своему устройству напоминает электронно-лучевую трубку: в нем также имеются ка­тод, анод, сетка, отклоняющая и фокусирующая системы. Электрон­ный луч постоянно перемещается, формируя растровую развертку на специальном экране — мишени. Мишень выполнена из диэлектричес­кой пластинки (например, слюды), с одной стороны которой наклеена металлическая фольга, а с другой — напылен серебряно-цезиевый состав. Напыление производится так, что серебряно-цезиевый состав образует отдельные, электрически не связанные между собой пятна очень маленьких размеров (примерно 1000 пятен в строке и 625 строк на пластинке). Каждое такое пятно образует пиксел, т.е. наименьший элемент изображения.

В отличие от ЭЛТ мишень установлена под углом 45° к падающе­му на нее потоку электронов. Поток электронов формирует растр на поверхности мишени, покрытой серебряно-цезиевым составом. На ту же поверхность через оптическую систему проецируется изобра­жение.

Пятна серебряно-цезиевого состава с одной стороны мишени и фольга с противоположной ее стороны образуют электрические кон­денсаторы. При отсутствии изображения (вся мишень затемнена) элек­тронный луч заряжает эти конденсаторы. Когда на мишень попадает изображение, часть серебряно-цезиевых пятен засвечивается. Свет имеет электромагнитную природу: попадая на серебряно-цезиевые вкрапления, он способствует уходу из них электронов, вследствие чего соответствующие конденсаторы разряжаются, причем сила разряда пропорциональна яркости света. При повторном сканировании мишени электронный луч дозаряжает разряженные конденсаторы, в резуль­тате чего на противоположной обкладке конденсатора фиксируется возникновение электрического тока, величина которого пропорцио­нальна степени разряда элементарного конденсатора (которая, в свою очередь, зависит от яркости изображения, попавшего на этот пиксел). Сигнал, снятый с фольги на мишени, после усиления является носите­лем изображения и может быть записан на магнитный носитель или передан на приемник телевизионного изображения.

Если в таком приборе производится однократное считывание ин­формации, которое после оцифровки запоминается на магнитном но­сителе, то прибор является видеофотокамерой.

Видеомагнитофон это устройство, воспринимающее высоко­частотный телевизионный сигнал для записи его на магнитную лен­ту. После окончания записи телевизионный сигнал (хранящийся на видеокассете) может быть считан с магнитной ленты и воспроизве­ден на телевизионном устройстве.

Таким образом, видеомагнитофон — это запоминающее устрой­ство, специализирующееся на приеме, записи и воспроизведении дина­мической видеоинформации. Структурная схема видеомагнитофона приведена на рис. 9.2.

Для приема высокочастотного телевизионного сигнала служит тюнер приемник телевизионных сигналов.

Видеомагнитофон — устройство сложное и дорогое. Поэтому среди бытовой телевизионной аппаратуры появились специализированные устройства, выполняющие отдельные функции:

плеер устройство, позволяющее считывать информацию с ви­деокассеты для воспроизведения на телевизоре;

пишущий плеер устройство, позволяющее записывать видео­изображение с телевизора (который выполняет функцию тюнера) на видеокассету и считывать информацию с видеокассеты для вос­произведения ее на телевизоре.

 

Рис. 9.2. Структурная схема видеомагнитофона

 

Рис. 9.3. Принцип действия вращающихся магнитных головок

 

При записи на магнитную ленту осуществляется преобразование приходящего видеосигнала из временной формы в пространственную. Частотные характеристики сигнала при таком преобразовании долж­ны оставаться прежними. При ширине рабочего зазора магнитной го­ловки 0,4 микрона для записи видеосигнала с верхней граничной час­тотой 6 МГц скорость движения ленты относительно головки должна составлять 2,4 м/с. Видеокассеты с 250 м ленты при такой скорости хватит лишь на несколько минут.

Для уплотнения информации на ленте и для более полного исполь­зования ее поверхности применяются вращающиеся магнитные голов­ки. Принцип действия вращающихся магнитных головок приведен на рис. 9.3, а.

На диаметрально противоположных сторонах вращающегося ба­рабана располагаются две магнитные головки, работающие по оче­реди. Барабан имеет направление вращения под углом 6° к магнит­ной ленте (рис. 9.3, б). Благодаря этому видеодорожки на магнитной ленте наносятся под углом (штрихами). Каждый штрих соответству­ет полукадру экрана. За один полный оборот барабана записывает­ся весь кадр. Вращение барабана синхронизировано с принимаемым сигналом. Такая система позволяет сократить линейную скорость движения ленты до 2,34 см/с. Барабан вращается со скоростью 1500 об./мин. Скорость ленты относительно головок на барабане состав­ляет 5 м/с.

Помимо приема, записи и считывания видеоинформации, видео­магнитофоны могут выполнять дополнительные функции, что рас­ширяет возможности их использования и позволяет реализовать раз­личные видеоэффекты.

К дополнительным функциям относятся:

1. Регулировка скорости и направления протяжки магнитной ленты:

• стандартная скорость — 2,34 см/с;

• половинная скорость (long play) — 1,17 см/с (позволяет при записи увеличить емкость кассеты в 2 раза (для кассеты Е-240 — до 8 ч), при воспроизведении — реализовать эффект замедленного движе­ния — slow motion);

• ускоренное воспроизведение (fast motion), которое может быть реализовано за счет записи на половинной скорости, а воспроизве­дения — на стандартной;

• стоп-кадр, который реализуется за счет остановки двигателя перемотки ленты: вращающиеся магнитные головки многократ­но считывают один и тот же кадр (этот режим называется супер-паузой);

обратное воспроизведение (reverse play).

2. Цифровые эффекты. В видеомагнитофоне может использовать­ся микропроцессорное управление, производиться оцифровка видео­сигнала, использоваться цифровая память для хранения в ней несколь­ких кадров. Это позволяет реализовать следующие эффекты:

• картинка в картинке — на экране телевизора кроме основного вы­водится один или несколько фоновых кадров. В фоновом кадре может находиться меню для управления видеомагнитофоном либо телевизором или сжатые примерно в 9 раз кадры из других теле­визионных программ. Фоновый кадр, называемый также кадром врезки, может быть выведен в любой части экрана. Есть возмож­ность быстро поменять местами фоновый и основной кадры (этафункция характерна только для видеомагнитофона и не может быть реализована в плеерах);

• воспроизведение стоп-кадров из цифровой видеопамяти (функция удобна для изучения движения, например, в спорте). Экран при этом может быть разбит на несколько частей, в каждой из которых де­монстрируется один из последовательных кадров;

• экстраэффекты — мозаика (изменение числа элементов изображе­ния на экране, например, укрупнение пиксел); соляризация (огра­ничение числа градаций уровня серого);

• цифровое шумоподавление — сопоставляются кадры, записанные на разных страницах цифровой памяти: полезные видеосигналы последовательных кадров коррелируют между собой, тогда как помехи — нет. Это позволяет очищать изображение от помех.

3. Наложение звука (audio dubbing) позволяет дублировать видео­информацию, накладывая на нее дополнительное звуковое сопровож­дение.

4. Поиск по индексу (index search) позволяет наносить на ленту специальные метки и легко находить их в режиме поиска или пере­мотки.

5. Таймер позволяет программировать видеомагнитофон на запись телепередачи в определенный момент времени (программируется мо­мент начала записи и ее продолжительность).

6. Редактирование вставкой (insert edit) позволяет сделать встав­ку в ранее записанный сюжет без образования шумов в местах сты­ков.

В телевидении используется только динамическая видеоинформа­ция. Поскольку зрение человека обладает определенной инерционно­стью, передаваемое изображение не обязательно должно быть непре­рывным, оно может состоять из отдельных кадров, сменяющих друг друга не реже 16 раз в секунду (телевизионный стандарт — 25 кад­ров/с). Воспринимается такое изображение как непрерывное. Но по­скольку телевизионное изображение для долгого хранения не предназ­начено, в телевизорах отсутствует видеопамять. Принимаемый сиг­нал направляется непосредственно на электронно-лучевую трубку, высвечивая необходимые точки экрана.

На передаваемый по радиочастотному каналу телевизионный сиг­нал действуют гораздо более сильные помехи, чем в видеотракте ПЭВМ. Поэтому при кодировании телевизионного сигнала применя­ются методы, отличные от методов кодирования сигнала изображе­ния в ЭВМ.

Для пересылки цветного изображения необходимо передавать три сигнала: R (red); G (green); В (blue). Они определяют яркость и цвет изображения. Но зрение человека более чувствительно к яркости, чем к цвету, а мелкие детали изображения по цвету почти не разли­чаются. Яркость (Y) образуется из яркостей трех основных цветов:

Y=R+G+B.

Незначительное искажение хотя бы одного из сигналов — R, G или В — приведет к изменению яркости, к которой глаз особенно чув­ствителен, а проверить, был ли искажен принятый сигнал при переда­че основных цветов, невозможно.

В телевидении с целью совместимости черно-белого и цветного изображений вместо сигналов R, G и В передаются другие три сигна­ла Y — яркость и цветоразностные сигналы — синий (В — Y) и крас­ный (R — Y). Причем эти сигналы передаются с помощью различных видов модуляции: Y — с помощью амплитудной модуляции, цвето­разностные сигналы — с помощью частотной модуляции.

В зависимости от того, как именно передаются цветоразностные сигналы, различаются две системы цветного телевидения — СЕКАМ (советско-французская) и ПАЛ (германская).

В системе СЕКАМ цветоразностные сигналы передаются через строку, поочередно, на разных несущих частотах. Причем полная информация о цвете передается в двух строках. В результате этого каждая пара строк оказывается одноцветной (но из-за чересстрочной развертки одноцветные строки не находятся рядом).

В системе ПАЛ цветоразностные сигналы передаются одновре­менно на одной поднесущей частоте со сдвигом фаз на 90°.

Преобразование телевизионных сигналов в компьютерные заклю­чается в выделении сигналов Y, B-Y, R-Y и синхроимпульсов, их очи­стке от сигналов звукового сопровождения и вычислении по ним сиг­налов R, G, В и адресов пиксел на экране. Преобразование осуществ­ляется видеоплатами (Video Blaster, Video Recorder, Video Converter), работающими с адаптером VGA или SVGA (адаптер дисплея должен иметь дополнительный внутренний разъем, к которому видеоплата подключается с помощью ленточного кабеля). Иногда видеоплаты (как, например, Tuner Blaster) имеют антенный вход, что позволяет обходиться без телевизионной аппаратуры.

Фирма Micro Computer AG выпускает полный набор аппаратно-программных средств для обработки телевизионных изображений, позволяющих записывать видеоизображение с ЭВМ на видеомагни­тофон (и считывать в память ЭВМ видеозаписи с магнитофона), вос­производить изображение из ЭВМ на телеэкране. Видеоконвертер Micro Movie позволяет оцифровывать телевизионные изображения, сохранять их в ЗУ ЭВМ для обработки графическим редактором, ис­пользования в публикациях, вставки их после редактирования и т.д.

Аппаратный набор видеоконвертера состоит из платы адаптера дисплея для IBM PC, которая объединяет возможности адаптера SVGA и адаптера Frame Grubber, оцифровывающего видеоизображение в реальном масштабе времени.


Поделиться с друзьями:

Архитектура электронного правительства: Единая архитектура – это методологический подход при создании системы управления государства, который строится...

История создания датчика движения: Первый прибор для обнаружения движения был изобретен немецким физиком Генрихом Герцем...

Своеобразие русской архитектуры: Основной материал – дерево – быстрота постройки, но недолговечность и необходимость деления...

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰)...



© cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!

0.041 с.