Устройства ввода-вывода информации

4.1. Устройства ввода информации

Основным устройством ввода информации являетсяклавиатура. Это устройство представляет собой совокупность датчиков, воспринимающих давление на клавиши и замыкающих определенную электрическую цепь. Внутри корпуса клавиатуры помимо датчиков клавиш расположены электронные схемы дешифрации нажатых клавиш и микроконтроллер клавиатуры, передающий на системную плату соответствующие сигналы.

Наряду с клавиатурой важнейшими устройствами управления и ввода информации являются различные типы так называемых манипуляторов-указателей. Наиболее популярный манипулятор-указатель – устройство типа «мышь». «Мышь» передает информацию о своем перемещении по плоскости и нажатии кнопок (двух или более). «Мышь» делает удобным манипулирование такими широко распространенными графическими объектами, как окна, меню, кнопки, пиктограммы и т. п. Традиционная компьютерная «мышь» реализует оптико-механический принцип кодирования перемещения. С поверхностью стола соприкасается тяжелый шарик сравнительно большого диаметра. Ролики, прижатые к поверхности шарика, установлены на перпендикулярных друг другу осях с двумя датчиками. Датчики, представляющие собой оптопары (светодиод–фотодиод), располагаются по разные стороны дисков с прорезями. Порядок, в котором освещаются фоточувствительные элементы, определяет направление перемещения мыши, а частота приходящих от них импульсов – скорость. Более точного позиционирования курсора позволяет добиться оптическая «мышь». Современные оптические «мыши» имеют встроенный видеодатчик, процессор которого обрабатывает получаемое изображение. Такая «мышь» ориентируется на оптические «неровности» любой поверхности. Манипулятор-указатель типа трекбол (trackball – «шариковая дорожка») представляет собой как бы перевернутую «мышь», шарик которой вращают пальцами. Иногда его встраивают в клавиатуру (чаще в портативных компьютерах). Трекболу не требуется площадка для движения (которая необходима «мыши»), так как позиция курсора рассчитывается исключительно по вращению шарика.В последнее время все большее применение в качестве компактных манипуляторов-указателей (главным образом в мобильных компьютера), находят сенсорные панели, чувствительные к прикосновению пальца пользователя. Популярными игровыми манипуляторами является так называемые джойстики(joystick – «игровая палочка»), которые имеют разнообразное конструктивное исполнение, разный уровень сложности, наличие рычагов или руля и многочисленных функциональных кнопок.

Графический планшет, или дигитайзер (digitizer– «оцифровыватель»), – это кодирующее устройство, позволяющее вводить в компьютер двумерное, в том числе и многоцветное изображения в виде растрового образа. Графические планшеты применяют при работе в области компьютерной графики. Другая область их применения – ввод данных в системах автоматизированного моделирования и проектирования. В состав графического планшета входят специальные устройства указания – курсор или перо с кнопками и датчиками. Собственный контроллер посылает импульсы по сетке проводников, расположенной под поверхностью планшета. Получив два таких сигнала, контроллер преобразует их в координаты, которые передает в компьютер, а компьютер переводит эту информацию в координаты точки на экране монитора, соответствующие положению указателя на планшете. Планшеты, предназначенные для рисования, обладают чувствительностью к силе нажатия пера, преобразуя эти данные в толщину или оттенок линии. Для устройств рукописного ввода информации характерна такая же схема работы, только введенные образы букв дополнительно преобразуются в буквы при помощи специальной программы распознавания. Устройства перьевого ввода часто используются в сверхминиатюрных компактных ПК, в которых нет полноценной клавиатуры.

Универсальным устройством ввода текстовой и графической информации является сканер, который преобразует видеоинформацию на бумаге или другом носителе (текст, рисунки, фотографии, слайды и т. п.) в электрический сигнал и передает его в компьютер. Принцип действия сканера заключается в следующем. Свет, идущий от источника освещения, попадает на оригинал и, отразившись от него, улавливается оптической системой сканера. Она состоит из зеркал и объектива (иногда роль оптической системы может играть просто призма). Оптическая система фокусирует свет на фотопринимающем элементе (фотоприемнике), роль которого – преобразование интенсивности падающего света в электрический сигнал. После аналогово-цифрового преобразования сигнал в цифровом виде через аппаратный интерфейс подается в компьютер, где его получает и анализирует программа работы со сканером. В сканерах большинства типов используется не один фотопринимающий элемент, а линейка или матрица из большого количества фотоприемников. Это дает возможность сканировать не по одной точке исходного изображения, а сразу получать информацию о полосе изображения, что ускоряет процесс сканирования. В этом случае подсвечивается сразу же полоса оригинала на всю его ширину.

Основными типами фотоприемников современных сканеров являются фотоприемники на основе ПЗС («приборов с зарядовой связью» – Couple-Charged Device, CCD) и фотоприемники на основе КДИ(«контактных датчиков изображения» – Contact Image Sensor, CIS). Преимуществами фотоприемников на основе ПЗС являются относительно высокая чувствительность и широкий спектральный диапазон, а недостатками – ограниченность разрешения, существование «фотонных шумов» (вносящих искажения в результаты сканирования), так называемое «растекание» заряда (приводящее к расплывчатости ярких деталей изображения). Положительными сторонами КДИ-сканеров являются более простое конструктивное исполнение, меньшие габариты и потребляемая мощность, чем у ПЗС-сканеров, большая равномерность качества получаемого изображения, меньшая чувствительность к внешним условиям работы.

Для ввода в компьютер изображения цветного оригинала в современных сканерах используются либо три фотопринимающие линейки, на которые попадает свет соответствующего спектра после разложения его по составляющим в специальной призме оптической системы сканера, либо специальная ПЗС-матрица, имеющая покрытие, которое фильтрует цвет по составляющим и состоит из нескольких слоев фотоэлементов, каждый из которых воспринимает свою составляющую цветовой гаммы.

В сканерах, работающих «на просвет» оригинала (например, слайдов) источник освещения и фотоприемник находятся по разные стороны от оригинала.

Самым распространенным видом сканеров являются планшетные сканеры. Оригинал в планшетном сканере лежит неподвижно, а считывание (в большинстве случаев в отраженном свете) производится считывающей головкой, перемещающейся вдоль сканируемого изображения. Считывающая головка представляет собой при этом матрицу или линейку фотоприемников.

Основной характеристикой сканеров является разрешение (resolution) – это совокупность параметров, характеризующих минимальный размер деталей изображения, который сканер в состоянии считать. Принято различать оптическое разрешение, механическое разрешение и интерполяционное разрешение.

Оптическое разрешение характеризует минимальный размер точки по горизонтали, которую сканер в состоянии распознать. Эта характеристика определяется отношением количества элементов в линии матрицы к ширине рабочей области сканирования.

Механическое разрешение – это количество шагов, которое делает сканирующая каретка, поделенное на длину пройденного ею пути. Этот параметр определяет минимальный размер точки по вертикали, которую сканер может распознать.

Поскольку матрица не может сканировать с разрешением по горизонтали больше оптического, для добавления недостающих точек используются математические методы интерполяции. Интерполяционное разрешение – это разрешение, искусственно увеличенное с помощью математических методов.

Разрешение сканера обычно измеряется в пикселах на дюйм (pixel per inch – ppi).

Важной характеристикой сканеров является разрядность или глубина цвета – параметр, характеризующий количество цветов или оттенков серого цвета (в зависимости от цветности сканера). Разрядность означает, сколько бит используется сканером для представления цвета одной точки изображения.

Сканеры характеризуются таким параметром, как оптический (динамический) диапазон, который определяет способность сканера воспроизводить плавные тоновые изменения и выражает различие между самыми светлыми и самыми темными тонами, которые могут быть зафиксированы с помощью сканера.

Максимальный формат оригинала, который планшетный сканер в состоянии обработать, называют рабочей областью сканирования.

Современные распространенные образцы планшетных сканеров обеспечивают оптическое разрешение 1200 х 2400 ррi, глубину цвета – от 36 до 48 бит, оптический диапазон – до 5 единиц.

К области узкоспециализированных профессиональных сканеров относятся так называемые барабанные сканеры. В них оригинал (в виде гибкого листа) закрепляется на вращающемся барабане. Применяются эти сканеры, как правило, в высококачественной полиграфии, так как позволяют обеспечить высокое оптическое разрешение, достигающее 24 000 ppi. Такие характеристики достигаются благодаря уникальной технологии, применяющейся в барабанных сканерах, которая основана на использовании в качестве светочувствительных элементов так называемых фотоэлектронных умножителей (ФЭУ).

Для сканирования больших объемов информации применяют быстродействующие листопротяжные(роликовые)сканеры, в которых оригинал протягивается с помощью роликов сквозь сканер и считывается неподвижной линейкой фотоприемников.

Одним из первых и ранее наиболее распространенных типов сканеров является так называемый ручной сканер. В настоящее время модификации таких сканеров используются в основном для считывания товарных штрих-кодов.

Производятся и другие типы сканеров, являющиеся модификациями или комбинациями вышеописанных типов.

Популярные современные цифровые фото- и видеокамеры также могут быть отнесены к компьютерным устройствам ввода информации. По принципу действия они практически не отличаются от сканеров. В общих чертах в дополнение к обычным сканерам эти устройства имеют лишь оптические объективы для фокусирования светового потока от удаленных объектов.

4.2. Компоненты видеоподсистемы вычислительных машин

Основными компонентами видеоподсистемы вычислительных машин являются видеомонитор(дисплей или просто монитор) как устройство визуального отображения информации на экране и видеоадаптер (синоним – видеокарта), функциями которого являются преобразование и передача видеосигнала на монитор.

Видеоадаптер выполняет роль интерфейса между компьютером и устройством отображения информации. Этот интерфейс был единственным назначением первых видеоадаптеров. Однако по мере развития компьютеров на видеоадаптер стали возлагаться дополнительные обязанности: аппаратное ускорение 2D- и 3D-графики, обработка видеосигналов, прием телевизионных сигналов и ряд других. Для решения этих задач в состав видеоадаптера стали включать дополнительные элементы, в результате чего современный видеоадаптер превратился в мощное универсальное графическое устройство.

Видеоадаптер представляет собой чрезвычайно важный элемент видеоподсистемы и определяет следующие ее характеристики: максимальное разрешение и частоты разверток (совместно с монитором); максимальное количество отображаемых оттенков цветов; скорость обработки и передачи видеоинформации, определяющую производительность видеоподсистемы в целом.

Разрешение является важнейшим параметром, характеризующим работу в графической среде. Для количественного описания этого параметра используется понятие так называемого пиксела(минимального элемента изображения). Разрешение определяется количественно произведением пикселов, укладывающихся по горизонтали и вертикали экрана. При этом, как правило, принимается стандартный ряд значений (режимов работы видеоадаптера): 640х480 (VGA – Video Graphical Adapter), 800х600 (SVGA – Super VGA), 1024х768 (XGA – eXtra VGA), 1280х1024 (SXGA – Super eXtra VGA), 1600х1200 (UXGA – Ultra eXtra VGA).

Кроме видеосигнала, видеоадаптер формирует сигналы горизонтальной и вертикальной синхронизации, используемые при формировании растра на экране монитора. Параметры этих сигналов должны соответствовать возможностям монитора, работающего совместно с данным видеоадаптером.

В самом общем случае видеоадаптер включает в себя следующие основные элементы:

– видеопамять, предназначенную для хранения цифрового изображения;

– набор микросхем, реализующий все необходимые функции

обработки цифрового изображения и преобразования его в видеосигнал, подаваемый на монитор;

– схемы интерфейса с шиной ввода/вывода ВМ;

– память ROM Video BIOS, в которой хранится расширение BIOS, предназначенное для управления видеоподсистемой ВМ;

– цифро-аналоговый преобразователь, выполняющий преобразование цифровых данных, хранящихся в видеопамяти, в аналоговый видеосигнал;

– тактовые генераторы.

При передаче цветного изображения обычно используется трехканальный цифроаналоговый преобразователь (по одному каналу для каждого цветового компонента) и три видеосигнала определяют интенсивность соответствующего электронного луча, отвечающего за формирование одного их трех основных цветов (см. далее RGB-модель аддитивного смешения цветов).

Главным усовершенствованием видеоадаптеров стало превращение их сначала в так называемые графические ускорители (когда они были снабжены специальными блоками обработки данных и на них была переложена часть типовых функций центрального процессора по обработке графики), а затем и в графические процессоры, когда таких функций стало много и по вычислительной мощности они приблизились к мощности центрального процессора.

Одно из главных отличий графического ускорителя (видеоакселератора) от классического видеоадаптера заключается в том, что он оперирует не пикселами, а объектами более высокого иерархического уровня – так называемыми графическими примитивами (например, отрезок прямой, треугольник, прямоугольник, многоугольник, дуга, эллипс и т. п.). Используя графические примитивы, реализуемые на аппаратном уровне видеоакселератора, можно конструировать сложные изображения значительно быстрее и проще, чем при модификации отдельных пикселов.

Радикальное повышение быстродействия видеоподсистемы и компьютера в целом при использовании графического ускорителя достигается за счет:

– аппаратной реализации набора графических функций, выполнение которых осуществляется всего за несколько тактов работы акселератора;

– использование акселератором высокоуровневых команд для работы с графическими примитивами, которые центральный процессор посылает акселератору, что разгружает шину обмена данными;

– освобождения центрального процессора от необходимости выполнения множества элементарных операций с содержимым видеопамяти.

Использование графического ускорителя является отступлением от классической архитектуры ВМ (когда всей работой управляет центральный процессор) и представляет собой определенный прогрессивный шаг на пути создания распределенной вычислительной структуры. Взамен пассивного устройства – графического контроллера – видеоадаптер получил специализированный вычислитель – графический акселератор, который самостоятельно манипулирует содержимым видеопамяти точно так же, как центральный процессор – содержимым оперативной памяти ВМ.

По некоторым оценкам за последние годы темпы технологического развития графических микросхем сравнялись с темпами развития центральных процессоров. Так же как и в производстве центральных процессоров, переход на новые проектные нормы означает увеличение допустимой максимальной тактовой частоты и количества логических элементов, что, в свою очередь, дает возможность реализовывать более мощные архитектурные решения. Современные поколения графических микросхем изготавливаются по 0,15-мкм проектным нормам и содержат более 60 млн транзисторов, рабочие частоты достигли 300 МГц и выше. Графические адаптеры на базе этих микросхем комплектуются быстрой памятью DDR SDRAM с суммарным объемом 128 Мбайт и более.

Традиционными и пока наиболее распространеннымивидеомониторами являются мониторы на основе электронно-лучевых трубок – ЭЛТ-мониторы (англоязычный аналог – CRT, Cathode Ray Tube). Изображение на экране таких мониторов получается в результате облучения люминофорного (на основе светящегося под действием облучения фосфора) покрытия внутренней поверхности экрана монитора пучком электронов, разогнанных в вакуумной колбе. Для получения цветного изображения на поверхность экрана наносятся миниатюрные точки или полоски фосфора трех различных составов, каждый из которых при облучении испускает красный, зеленый или синий свет. Исторически наиболее распространенной технологией является технология, когда три разных электронных луча попадают на соответствующие им точки и, изменяя интенсивность облучения, формируют цвет и яркость точки на экране монитора. Группы из трех точек (так называемые триады), излучающие свет различной окраски, расположены очень компактно, и для глаза человека создается впечатление единой цветовой точки. В результате смешения трех основных цветов (красный – Red(R), зеленый – Green(G), синий – Blue(B)) формируется любой цвет из всей возможной гаммы цветов. Это так называемая RGB-модель аддитивного смешения цветов.

Чтобы на экране все три луча сходились каждый в свою точку, и изображение при этом было четким, перед экраном устанавливают цветоделительную маску – панель (металлический щит) с регулярно расположенными отверстиями или щелями. Эта панель и является «маской» для трех электронных лучей, соответствующих трем основным цветам. Каждый луч чаще всего управляется собственной электронной системой. Благодаря маске луч, отвечающий за формирование определенного основного цвета, попадает только в соответствующие участки экрана.

Другой основной технологией, применяемой в производстве ЭЛТ, является технология так называемой апертурной решетки. Принципиальное отличие этой технологии – вместо перфорированного листа используются вертикально натянутые проволочные струны. Фосфор при этом наносится не в виде точек, а в виде вертикальных линий. Поверхность экрана в этом случае – цилиндрическая или практически плоская, что существенно уменьшает блики на экране. Преимущества технологии апертурной решетки – возможность получения более яркого и контрастного изображения.

Важнейшим параметром монитора является шаг точки (Dot Pitch) или, как принято его называть, размер «зерна» экрана. Шаг точки – это расстояние между соседними светящимися точками или полосками экрана одного цвета. Чем меньше этот параметр, тем четче и точнее полученное изображение. Этот параметр измеряется в долях миллиметра и для современных мониторов приемлемым считается шаг точки 0,28–0,24 мм и менее.

Для формирования изображения электронный луч сканирует по экрану слева направо и сверху вниз. Совокупность точек экрана, формирующих изображение, представляет собой так называемый растр. Когда луч достигает правого края экрана, он гаснет и возвращается налево. Когда луч доходит до нижнего правого края экрана, он гаснет и возвращается в левый верхний угол. Таким образом за некоторое время формируется изображение всего экрана. Важным параметром монитора является так называемая частота регенерации (обновления) изображения, которая измеряется количеством раз полной смены изображения экрана в секунду (устаревший термин – «частота кадров»). Этот параметр зависит не только от монитора, но и от свойств и настроек видеоадаптера, но предельные возможности определяет монитор. Измеряется частота регенерации в Гц. Чем она выше, тем меньше заметное глазу мерцание экрана. На сегодняшний день приемлемыми (комфортными) значениями этого параметра являются частоты от 85 Гц и выше. Очевидна связь между разрешением и частотой регенерации.

На величину максимального разрешения непосредственно влияет так называемая частота горизонтальной развертки (измеряемая в кГц). Значение горизонтальной развертки монитора показывает, какое предельное число горизонтальных строк может прочертить электронный луч на экране монитора за секунду. Чем выше эта величина, тем большее разрешение может поддерживать монитор при приемлемой частоте регенерации («частоте кадров»).

Естественно, что для пользователя прежде всего важным является размер экрана монитора, который традиционно определяется длиной диагонали экрана и измеряется в дюймах (1 дюйм 2,54 см). Видимый размер для ЭТЛ-мониторов примерно на 1 дюйм меньше, чем тот размер диагонали, который указан в паспортных данных.

На качество изображения и цену монитора влияют такие характеристики, как степень сходимости цветов монитора, линейность, яркость, контрастность, сфокусированность, стабильность и отсутствие искажений изображения.

Все большее практическое применение находят так называемые плоскопанельные мониторы матричного типа с цифровым управлением, т. е. индивидуальной адресацией элементов изображения. К настоящему времени предложено несколько технологий реализации таких мониторов, среди которых можно выделить технологии, которые достигли массового или опытного производства. К таковым могут быть отнесены следующие:

1) LCD (Liquid Crystals Display) – жидкокристал­лический (ЖК) дисплей;

2) PDP (Plasma Display Panel) – плазменная дисплейная панель;

3) OLED (Organic Light Emitting Diodes) – органиче­ские светоизлучающие диоды;

4) PLED ( Polimer Light Emitting Diodes) – полимерные светоизлучающие диоды.

Каждая из перечисленных технологий обладает свои­ми достоинствами и недостатками. На сегодняшний день реальной альтернативой электронно-лучевой трубке пока смогли стать ЖК-дисплеи, которые в течение последних нескольких лет развиваются бурными темпами. Впервые жидкие кристаллы как вещество были открыты еще в конце XIX столетия. Они представляют со­бой практически полностью прозрач­ные вещества, обладающие свойства­ми, присущими как жидкостям, так и твердым телам. Свет, проходя через жидкие кристаллы, приобретает поля­ризацию в соответствии с ориентацией молекул, что является свойством, при­сущим твердым веществам – кристал­лам. А в 1960-х годах было об­наружено, что при приложении к жид­ким кристаллам электрического напря­жения меняется ориентация их молекул – типичное свойство жидкости.

Появившиеся в начале 1970-х годов жидкокристаллические индикаторы нашли широкое приме­нение во множестве областей, где есть необходимость отображения инфор­мации.

Большинство жидких кристаллов – это органические вещества, состоящие из длинных, стержнеподобных моле­кул. Эти молекулы расположены так, что их оси параллельны друг другу. На­правлением осей молекул жидких кри­сталлов можно управлять, нанося на поверхность, к которой они прилегают, множество мельчайших параллельных желобков. Таким образом, поместив жидкий кристалл между двумя стеклами, же­лобки на которых развернуты под уг­лом 90°, можно получить такое его со­стояние, при котором молекулярные слои постепенно меняют свое направ­ление на угол от 0° (внизу) до 90° (ввер­ху). При этом плоскость поляризации света, следуя вдоль направления слоев молекул, также повернется на 90°. Если оба стекла снабдить поляризаторами, углы которых также будут развернуты на 90° относительно друг друга, то та­кой набор элементов будет пропускать свет. При пода­че электрического напряжения поперек слоя жидкого кристалла молекулы ме­няют ориентацию, выстраиваясь вдоль направления электрического поля. При этом поворот плоскости поляризации в жидком кристалле меняется до 0°. Свет, про­шедший первый поляризатор, не может пройти сквозь второй, и система теряет прозрачность.

В отличие от электронно-лучевой трубки, ЖК-панель не излучает свет, а лишь пропускает или поглощает излу­чение от источника подсветки. В настоящее время большинство ЖК-па­нелей для вывода компьютерных изоб­ражений выполнены по технологии TFT-AM (Thin Film Transistor-Active Matrix – «тонкопленочный транзистор-активная матрица»). При этом каждый элемент подключен к матрице электродов через тонкопле­ночный транзистор.

Для обеспечения возможности работы с цветным изображением каждый пиксел состоит из трех элементарных ячеек, причем каждая ячейка снабже­на индивидуальным светофильтром – красным, зеленым и синим. Для дости­жения полноценного цветного изобра­жения необходимо уметь создавать промежуточные значения степени пропускания света между полной про­зрачностью и полной непрозрачностью.

В настоящее время нишу рынка плоскопанельных мониторов с диагональю более 30 дюймов начинают уверенно занимать так называемые плазменные дисплейные панели.

Принцип работы плазменной пане­ли похож на процесс, протекающий у обычной лампы так называемого «дневного света», в кото­рой свет излучает разреженный инертный газ, находящийся в состоянии «холодной» плазмы. В плазменной пане­ли такой газ распределен не по всей поверхности панели, а в специальных «колбочках». Излучение возникает при элект­рическом разряде в среде сильно разреженного газа. При таком раз­ряде между электродами с управля­ющим напряжением образуется проводящий «шнур», состоящий из ионизированных молекул газа (плазмы). Структурным элементом, формирую­щим отдельную точку изображения, является группа из трех подпикселов, ответственных за красный, зеленый и синий цвета. Каждый подпиксел пред­ставляет собой миниатюрный куб, стенки которого покрыты флюорес­цирующим веществом одного из главных цветов. Ультрафиолетовые лучи возбуждают лю­минофор, который и излучает видимый свет.

Достоинствами плазменной технологии являются высокие светотехнические параметры плазменных панелей (яркость изображе­ния свыше 300 кд/м² при контра­стности не менее 350:1 и угле обзора до 160 градусов) и долговечность (технический ресурс их составляет не менее 30000 часов, а у традиционных ЭЛТ – не более 15000 – 20000 часов). Недостатки плазменных панелей – относительно большое энергопотребление и относительно высокая цена, которая однако имеет явную тенденцию к снижению.

Перспективными современными технологиями построения мониторов нового поколения являются технологии так называемых светоизлучающих диодов. В настоящее время работы по созданию мониторов на базе самолюминисцирующих (самоизлучающих) материалов ведутся параллельно по нескольким направлениям. Основное их различие заключается в структу­ре используемых светоизлучающих материалов: в случае OLED – это молекулярные органические вещества, а в случае PLED (LEP) – по­лимеры. В зависи­мости от способа активации ячеек све­тоизлучающих элементов OLED- и LEP-дисплеи подразделяются на активно-матричные и пассивно-матричные. В пассивно-матричном дисплее актива­ция нужной ячейки экрана производит­ся подачей напряжения на соответству­ющие анод и катод. В дисплее с актив­ной матрицей управление работой яче­ек осуществляется при помощи интег­рированных электронных компонентов, в частности тонкопленочных транзисторов. Значительное улучшение эффектив­ности таких дисплеев достигается путем добав­ления в вещество светоизлучающего слоя некоторого количества инородных молекул с ярко выраженными электролюминес­центными свойствами. В настоящее время наиболее актуальными проблемами, стоящими перед разработчиками полноцветных OLED-дисплеев, являют­ся достижение более широкого цветово­го охвата, стабильности спектральных характеристик и увеличение срока рабо­ты излучающих материалов. Что касается LEP-дисплеев, то важным шагом на пути создания их полноцветных образцов стало получение высокоэффектив­ных полимерных материалов, излучаю­щих свет первичных цветов аддитивной RGB-модели – красного, зеленого и синего.

OLED- и LEP- дисплеи обладают целым рядом достоинств по сравнению с широ­ко используемыми в настоящее время технологиями – ЭЛТ, ЖК и плазменной. Главное преимущество новых технологий – это использование для формирования изображения самоизлучающих ве­ществ. Благодаря тому, что отпадает необходимость в применении лампы подсветки (как в ЖК-устройствах), такие мониторы отличаются чрезвычайно малой толщиной и весом, потребляют меньше электроэнергии и практически не выде­ляют тепла. Кроме того, подобная кон­струкция позволила добиться значи­тельного улучшения качества изображе­ния, обеспечить очень широкий угол об­зора (не менее 160 градусов), а также повысить яркость и контрастность изображения до уровня, недостижимого для современ­ной ЖК-технологии. Использование люминесцирующих материалов позволяет сделать эффективная площадь пиксела практически равной его полной площади, чего в принципе невозможно добиться в случае ЖК-технологии. Дополнитель­ным преимуществом OLED- и LEP-дисплеев является чрезвычайно малое вре­мя реакции (не превышающее единиц миллисекунд).

На современном этапе развития OLED- и LEP-технологий уже возможно создание как монохромных, так и пол­ноцветных мониторов с высоким разреше­нием экрана. За счет довольно простой конструкции (по сравнению с ЖК- и плаз­менными панелями) OLED- и LEP-дисплеи при массовом производстве должны обла­дать более низкой себестоимостью. Таким образом, OLED- и LEP-технологии име­ют все шансы для того, чтобы стать сле­дующей (за ЖК-технологией) ступенью в эволюции массовых средств визуально­го отображения информации.

К современным устройствам визуального отображения информации относятся также устройства, ориентированные на решение презентационных и мультимедийных задач: проекционные аппараты, устройства формирования объемных (стереоскопических) изображений (различного рода 3D-очки, 3D-мониторы и проекторы, «шлемы виртуальной реальности» и т.п.). Их рассмотрение выходит за рамки данного учебного пособия

4.3. Компоненты аудиоподсистемы вычислительных машин

АудиоподсистемаВМ – это комплекс программно-аппаратных средств, предназначенный для следующих целей:

– записи звуковых сигналов, поступающих от внешних источников, например микрофона или магнитофона (в процессе записи входные аналоговые звуковые сигналы преобразуются в цифровые и далее могут быть сохранены в устройстве хранения информации ВМ);

– воспроизведения записанных ранее звуковых данных с помощью внешней акустической системы или головных телефонов (наушников) (при воспроизведении звуковой сигнал считывается с носителя информации, преобразуется из цифровой формы в аналоговую и направляется к акустической системе);

– микширования (смешивания) при записи или воспроизведении сигналов от нескольких источников;

– одновременной записи и воспроизведения звуковых сигналов;

– обработки звуковых сигналов (редактирования, объединения или разделения фрагментов сигнала, фильтрации, изменения уровней и т. п.);

– генерирования с помощью синтезатора звучания музыкальных инструментов, человеческой речи и любых других звуков;

– воспроизведения звуковых компакт-дисков, а также решения ряда других специальных профессиональных задач.

Аудиоподсистема (звуковая подсистема) выполняется либо в виде самостоятельного звукового адаптера (карты), устанавливаемого в разъем системной платы, либо в виде специальной микросхемы (части микросхемы) системной платы (то есть интегрированой в системную плату).

Акустическая система является последним звеном звуковоспроизводящего тракта, непосредственно преобразующим звуковой электрический сигнал в акустические колебания и, тем самым, в значительной степени влияет на качество звука.

Интерфейс MIDI (Musical Instrument Digital Interface – «цифровой интерфейс музыкальных инструментов») регламентируется специальным стандартом, включающим спецификации на аппаратный интерфейс (типы каналов, кабели, порты), а также описание протокола обмена информацией между MIDI-устройствами. Этот протокол позволяет электронным музыкальным инструментам обмениваться информацией и работать совместно.

4.4. Печатающие устройства

Печатающие устройства (принтеры) служат для вывода данных, хранимых в памяти ВМ, на бумагу или иной носитель.

Наиболее важным классифицирующим признаком принтера является технология печати, то есть технология нанесения изображения на носитель. Основные технологии печати представлены далее.

При ударной технологии печати нанесение изображения на бумагу или иной носитель производится посредством удара литерой или набором специальных иголок через красящую ленту.

Основные преимущества такой технологии – возможность печати на самых разнообразных материалах (вплоть до картона) и низкая стоимость расходных материалов. Основными недостатками принтеров этого типа являются высокий уровень шума и относительно низкая скорость печати. Две основные разновидности принтеров этой группы (различающиеся конструкцией печатающей головки) – это принтеры со шрифтоносителями и матричные принтеры.

Принтерысо шрифтоносителями в печатающей головке содержат набор литер, которые, ударяя по красящей ленте, наносят изображение на носитель. Преимуществом таких принтеров является высокое качество печати, приближающееся к типографскому. Основной недостаток, ограничивающий развитие этих принтеров, – невозможность или значительная техническая сложность оперативной смены шрифта и распечатки графических данных (набор символов зависит от установленного шрифтоносителя).

В матричных (игольчатых) принтерах изображение на бумагу или иной носитель наносится путем удара через красящую ленту специальными иголками, расположенными в виде ряда или прямоугольника (матрицы) и образующими таким образом печатающую головку. Для отображения на носителе нужной точки из печатающей головки выдвигается соответствующая иголка и ударяет по красящей ленте. Головка при печати движется вдоль строки. Благодаря тому, что изображение формируется непосредственно во время печати, возможно получение любых по начертанию и сложности шрифтовых и графических изображений.

Для получения цветного изображения в матричных принтерах используется многоцветная красящая лента, однако такое цветное изображение имеет крайне низкое качество по сравнению с цветными изображениями, получаемыми на струйных и лазерных принтерах.

Несмотря на указанные выше недостатки, присущие технологии ударной печати, матричные принтеры по-прежнему широко используются благодаря низкой стоимости расходных материалов, неприхотливости к качеству бумаги и относительно высокой надежности. Современные матричные принтеры применяются там, где к качеству распечатанного материала не предъявляется высоких требований, где требуется печать на носителях из таких материалов, на которых принтеры других типов печатать не могут. Достоинством матричного принтера также является возможность одновременной печати нескольких экземпляров «под копирку».

Качество печати матричного принтера характеризуется его разрешением, т.е. количеством точек, которое печатается на одном дюйме (dots per inch – dpi). Разрешающая способность наиболее распространенных современных матричных принтеров составляет до 360 dpi при скорости печати до 400 знаков в секунду.

При термоэлектрической технологии печати изображение получается на специальной бумаге, темнеющей под действием тепла. В печатающей головке термоэлектрического принтера устанавливаются один или несколько нагревательных элементов, которые нагревают нужные участки бумаги и вызывают их потемнение. Главный недостаток термопринтеров – печать только на специальной бумаге. В настоящее время такие принтеры применяются в основном в специальных целях, например, в составе факсимильных аппаратов.

При струйной технологии печати изображение формируется из капель или струй краски (чернил), каким-либо образом наносимых на бумагу или иной носитель. Основными видами технологии струйной печати являются:

– струйная печать с электростатическим управлением;

– термоэлектрическая струйная печать;

– пьезоэлектрическая струйная печать.

Струйная печать с электростатическим управлением является одной из первых предложенных технологий струйной печати. В основе ее лежит принцип электростатического управления траекторией заряженных капель чернил, выбрасываемых из резервуара. Устройство печатающей головки такой технологии печати во многом подобно устройству электронно-лучевой трубки. Указанная технология конструктивно относительно сложна, в настоящее время она интенсивно совершенствуется и является весьма перспективной.

Термоэлектрическая струйная печать в настоящее время является одной из наиболее распространенных технологий струйной печати. В основе работы термоэлектрической печатающей головки лежит эффект расширения пузырька пара в результате нагрева чернил. При образовании в сопле пузырьков пара внутри жидкости создается повышенное давление, за счет которого из сопла выталкивается некоторый объем чернил. Конструкция термоэлектрической печатающей головки относительно проста, в ней нет заряжающих и отклоняющих электродов как в печатающей головке с электростатическим управлением. Именно простота конструкции определяет широкое распространение термоэлектрической технологии. Качество работы термоэлектрической печатающей головки существенно зависит от конструкции, качества изготовления и материалов, а также от качества чернил и соответствия их свойств данному типу печатающей головки.

Пьезоэлектрическая струйная печатьосуществляется благодаря выбросу чернил на носитель за счет колебания специальных пьезоэлементов, находящихся в соплах печатающей головки. Принцип действия пьезоэлектрической печатающей головки заключается в следующем. При подаче на пьезоэлемент управляющего сигнала происходит изменение его формы, что создает давление на мембрану. Мембрана выгибается в направлении камеры с чернилами и вытесняет некоторое количество чернил через сопло. Регулируя напряжение, приложенное к пьезоэлементу (и, соответственно, изменение его прогиба), можно контролировать размер вылетающих из сопла капель.

Основными достоинствами пьезоэлектрической технологии является возможность точного контроля размера капель, что позволяет достичь высокого качества при печати полутоновых изображений, а также отсутствие при работе головки активных выделений тепла. Недостатком является относительно более высокая цена печатающей головки и чувствительность к наличию в чернилах пузырьков растворенного воздуха.

Очевидным преимуществом струйной технологии печати перед другими является легкость обеспечения цветной печати, так как для этого достаточно лишь использовать чернила разных цветов. При этом в отличие от цветных мониторов, в которых используется аддитивная модель смешения цветовRGB, при цветной печати используется субтрактивная модель смешения цветов, в которой для образования какого-либо оттенка надо вычесть из белого цвета «лишние» составляющие. Базовыми цветами в этой модели являются голубой(Cyan), пурпурный (Мagenta) и желтый (Yellow). Для получения истинно черного цвета к трем основным цветам добавляют черный (blacK). Такая расширенная модель называется CMYK(Cyan–Magenta–Yellow–blacK). Для повышения качества печати в дополнение к основным цветам используют светло-пурпурный и светло-голубой цвета, а иногда еще и светло-желтый.

Струйные принтеры позволяют получать высококачественное изображение при относительно высокой скорости печати. Некоторые современные модели струйных принтеров работают в режиме фотопечати, т. е. обеспечивать качество изображения, близкое к фотографическому. Возможна печать не только на бумаге, но и на прозрачных специальных пленках.

Чтобы повысить разрешение, производители принтеров располагают сопла печатающих головок как можно ближе друг к другу. Плотность дюз также повышают виртуально, выполняя печать в два прохода, причем при втором проходе точки ставятся между нанесенными при первом проходе. Для увеличения разрешения разработчики сокращают размер капель, а для повышения скорости печати увеличивают скорость вылета чернил из дюзы, например, до 20 тыс. капель в секунду.

Современные модели предлагаемых к продаже струйных принтеров имеют печатающие головки с несколькими сотнями штук сопел, достигают разрешения 2400 х 1200 dpi – 2880 х 720 dpi, обеспечивают максимальную скорость печати черно-белых изображений до 20 страниц в минуту и цветных – до 13.

Основным недостатком струйных принтеров является относительно высокая стоимость расходных материалов.

Фотоэлектронная технология печати (иногданазываемая электрографическойтехнологией)основана на принципе освещения заряженной светочувствительной поверхности промежуточного носителя и формирования на ней изображения в виде электростатического рельефа, притягивающего частицы красителя, которые далее переносятся на основной носитель – бумагу, прозрачную пленку и т.п.

Важнейшим конструктивным элементом принтеров с фотоэлектронной технологией печатиявляется вращающийся барабан, с помощью которого производится перенос изображения на бумагу или другой носитель. Барабан представляет собой металлический цилиндр, покрытый фоточувствительной пленкой (промежуточный носитель). По поверхности барабана (фотобарабана) изначально равномерно распределяется статический заряд. В наиболее распространенных принтерах, работающих по этой технологии, – лазерных принтерах – для освещения поверхности промежуточного носителя используется полупроводниковый лазер. Источник лазерного излучения, управляемый микроконтроллером, генерирует тонкий световой луч, отражающийся от специального поворотного зеркала, которое обеспечивает построчную развертку луча (сканирование поверхности барабана). Под воздействием лазерного луча в фоточувствительном покрытии барабана происходит перераспределение электрических зарядов (изменение зарядов в точках облучения). Таким образом на фотобарабане возникает скрытая копия изображения. Для проявления скрытого изображения на поверхность фотобарабана наносится слой порошкообразного красителя (тонера). Под действием статического заряда фотобарабана частицы тонера притягиваются к его поверхности в точках, подвергшихся экспозиции лазерным лучом, и формируют таким образом изображение. Носитель изображения (бумага, пленка и т. п.) с помощью системы валиков перемещается к фотобарабану. Непосредственно перед фотобарабаном носителю сообщается статический заряд. Затем носитель прижимается валом к фоточувствительному покрытию барабана и притягивает (благодаря своему заряду) частички тонера от барабана. Для фиксации тонера на носителе последний пропускается между двумя нагревательными валами. При этом полимерная основа тонера расплавляется, проникает в поры носителя и хорошо закрепляется на нем.

Альтернативой лазерных принтеров, описанных выше, являются так называемые светодиодные или LED-принтеры (Light Emitting Diode – «диоды, испускающие свет»), которые также работают по фотоэлектронной технологии печати.В отличие от лазерных принтеров, в светодиодных принтерах изображение на фотобарабане формируется не лазерным лучом, построчно пробегающим по поверхности, а лучами неподвижной линейки большого числа светодиодов (светодиодной матрицы), высвечивающих сразу же целую строку на фотобарабане. Конструктивно и эксплуатационно светодиодные принтеры значительно проще лазерных принтеров, они имеют меньшую стоимость. Однако их разрешающая способность жестко ограничена числом и плотностью расположения светодиодов в линейке.

К новым типам принтеров, работающих по фотоэлектронной технологии печати, относятся так называемые принтерыс жидко-кристаллическим затвором. Источником света в них служит люминесцентная лампа. Свет этой лампы экспонируется через жидкокристаллический затвор (ЖК-панель), который управляется от ВМ и является своеобразным прерывателем света. Скорость печати такого принтера ограничена скоростью срабатывания жидкокристаллического затвора.

Для реализации цветной печати конструкция принтера с фотоэлектронной технологией печати существенно усложняется. В этом случае возможны два варианта конструктивного исполнения принтера. В первом варианте в цветном принтере изображение формируется на светочувствительной фотоприемной ленте последовательно для каждого цвета (Сyan, Magenta, Yellow, Black). Лист печатается за четыре прохода, в каждом из которых используется определенная емкость с тонером соответствующего цвета. В результате получается полноцветное изображение. Достоинством этого варианта является то, что необходим только один печатающий блок. К недостатком относится малая скорость печати из-за неоднократного прохода носителя через принтер, необходимость специального устройства возврата носителя на вход печатающего блока. Второй вариант конструктивного исполнения цветного принтера – применение нескольких печатающих блоков, установленных последовательно и заправленных красителями разных цветов. При этом лист носителя печатается за один проход, что ускоряет процесс печати, но конструкция принтера существенно усложняется и удорожается.

Современные образцы черно-белых лазерных принтеров обеспечивают разрешение до 1200 dpi и максимальную скорость печати до 40 страниц в минуту, цветные лазерные принтеры – до 1200 dpi и 12 страниц в минуту.

Технология твердокрасочной печати подразумевает печать не чернилами, а специальными восковыми красителями, расплавляемыми для нанесения на носитель. Твердокрасочныепринтеры являются оригинальным развитием струйной технологии печати. В твердокрасочном принтере, как и в струйном, используется печатающая головка с соплами. В этих принтерах применяются твердые восковые красители с низкой температурой плавления. Для получения изображения краситель расплавляется, после чего он из печатающей головки посредством специального вала переноса наносится на бумагу. Характерной особенностью твердокрасочного принтера является то, что печатающая головка имеет ширину, равную ширине листа бумаги. Это позволяет печатать сразу все точки строки и существенно увеличивает скорость печати. Твердокрасочные принтеры применяются в основном при больших объемах печати как черно-белых, так и цветных изображений. Они могут обеспечивать достаточно высокую разрешающую способность (до 1200dpi) и скорость печати (до 12 страниц в минуту). Твердокрасочные принтеры имеют высокую стоимость, но расходные материалы к ним относительно дешевы.

Технология сублимационной (термодиффузионной) печати заключается в том, что краситель, нанесенный на специальную ленту, нагревается в нужных точках и, испаряясь, переносится на специальную бумагу, способную адсорбировать (поглотить) этот пар. Сублимационные принтеры имеют низкое быстродействие, но позволяют получить очень высокое качество цветопередачи, поэтому используются для печати фотографических и других специальных изображений. Сублимационные принтеры имеют как собственную высокую стоимость, так и относительно дорогие расходные материалы и высокую стоимость специальной бумаги.

Следует выделить группу принтеров специального назначения. К этой группе принтеров обычно относят два типа специализированных принтеров:

– принтеры для портативных компьютеров;

– принтеры большого формата (плоттеры).

Принтеры для портативных мобильных компьютеров работают в достаточно жестких условиях и должны иметь низкое энергопотребление, малые размеры и массу, устойчивость к вибрациям и ударам, простоту в обслуживании надежность. С учетом традиционных требований по быстродействию и качеству печати при разработке и производстве таких принтеров приходится решать сложные задачи по удовлетворению жестких и, как правило, противоречивых требований. Чаще всего в портативных принтерах применяется струйная технология печати.

Отдельный класс принтеров занимают так называемые широкоформатные принтеры, которые рассчитаны на работу с носителями большого формата (чертежи, схемы, плакаты). За такими принтерами исторически закрепилось название плоттер(или графопостроитель). Первые плоттеры появились задолго до появления ВМ и изначально использовались для регистрации различных процессов в научных исследованиях. В них использовалась специальная каретка с закрепленным на ней пером (пишущим узлом), которая перемещалась в двух координатных направлениях по листу бумаги. Такие плоттеры получили название перьевых. Они в свою очередь делятся на планшетные(когда лист бумаги закрепляется неподвижно, а пишущий узел совершает движение в двух плоскостных координатах) и барабанныеилирулонные, (когда пишущий узел перемещается вдоль барабана, а бумага перемещается перпендикулярно ему посредством вращающихся валиков.

В качестве пишущих узлов в перьевых плоттерах применяются специальные фломастеры, рапидографы, шариковые и чернильные устройства. В результате замены пишущего узла специальным резаком получается так называемый режущийплоттер, позволяющий вырезать определенные геометрические фигуры, например выкройки материала, рекламные буквы или знаки и т. д.

В последнее время большое распространение в различных областях деятельности получили струйныеплоттеры, которые по принципу действия и устройству представляют собой традиционные, но широкоформатные струйные принтеры. Они применяются для печати чертежей, карт, схем, художественной и рекламной продукции. Известны широкоформатные плоттеры, построенные на принципах фотоэлектронной (электрографической) технологии печати.

Резюме

Основными устройствами ввода информации вычислительных машин являютсяклавиатура и манипулятор-указатель типа «мышь». Среди других типов манипуляторов-указателей наиболее популярны трекболы, сенсорные панели, джойстики. В системах компьютерной графики и автоматизированного проектирования находят применение графические планшеты (дигитайзеры). Универсальными устройствами ввода текстовой и графической информации являются сканеры различных типов.

Видеоподсистема вычислительной машины включает видеомонитор как устройство вывода информации (визуального отображения информации на экране) и видеоадаптер, функциями которого являются преобразование и передача видеосигнала на монитор.

Наиболее распространенными типами видеомониторов вплоть до настоящего времени являются мониторы на основе электронно-лучевых трубок. Изображение на экране таких мониторов получается в результате облучения люминофорного покрытия внутренней поверхности экрана пучком электронов, разогнанных в вакуумной колбе. На смену ЭЛТ-мониторам приходят плоскопанельные мониторы матричного типа с цифровым управлением. Массового производства и практического применения достигли плоскопанельные мониторы на жидкокристал­лических и плазменных дисплейных панелях. Перспективными современными технологиями построения мониторов нового поколения являются технологии органиче­ских и полимерных светоизлучающих диодов. Различные типы мониторов обладают свои­ми достоинствами и недостатками.

К устройствам ввода и вывода звуковой информации относятся компоненты аудиоподсистемы вычислительной машины.

Для вывода информации на бумагу или иной носитель служат печатающие устройства (принтеры). Практическое применение находят различные технологии печати (нанесения изображения на носитель), среди которых наиболее распространены ударная, термоэлектрическая, струйная и фотоэлектронная (электрографическая) технологии печати.

Специализированные типы принтеров для портативных мобильных компьютеров имеют низкое энергопотребление, малые размеры и массу, устойчивость к вибрациям и ударам. Для печати изображений большого формата используются широкоформатные принтеры, обычно называемые плоттерами или графопостроителями. Исторически первыми их типами были перьевые плоттеры. В последнее время наибольшее распространение получили струйныеплоттеры, которые по принципу действия и устройству аналогичны традиционным струйным принтерам.

Контрольные вопросы и задания

1. Перечислите и охарактеризуйте основные устройства ввода информации вычислительных машин.

2. Для чего предназначены и как устроены сканеры?

3. Приведите характеристики современных сканеров.

4.Какие функции выполняет видеоадаптер в ВМ?

5. Какие основные компоненты входят в состав видеоадаптера?

6. Какие характеристики монитора определяют качество изображения на его экране?

7. Опишите принцип действия жидкокристаллического дисплея.

8. Изложите принцип работы плазменной дисплейной панели.

9. Какими достоинствами обладают перспективные OLED- и LEP-дисплеи?

10. Для каких целей предназначена аудиосистема ВМ?

11. Какие компоненты входят в состав акустической системы?

12. Перечислите основные технологии печати.

13. Охарактеризуйте технологию ударной печати.

14. Каковы преимущества и недостатки принтеров ударной печати со шрифтоносителем?

15. Опишите принцип действия, основные характеристики и области применения матричных принтеров.

16. Как устроены и где используются термопринтеры?

17. Как работает термоэлектрическая печатающая головка?

18. Каков принцип действия пьезоэлектрической печатающей головки?

19. Назовите основные преимущества и недостатки технологии струйной печати.

20. Приведите основные технические характеристики современных моделей струйных принтеров.

21. Опишите устройство и принцип работы лазерного принтера.

22. Как устроены светодиодные принтеры, каковы их достоинства и недостатки по сравнению с традиционными лазерными принтерами?

23. Охарактеризуйте современный технический уровень лазерных принтеров, укажите их преимущества и недостатки по сравнению с другими типами принтеров?

24. Опишите технологию твердокрасочной печати, ее характеристики и области преимущественного применения.

25. В чем заключается технология сублимационной (термодиффузионной) печати, каковы ее характеристики, преимущества и недостатки?

26. Охарактеризуйте принтеры для портативных переносных компьютеров.

27. Приведите классификацию широкоформатных принтеров.

28. Какие устройства применяются в перьевых плоттерах в качестве пишущих узлов?

29. В чем различие между планшетными и барабанными плоттерами?