Глава 2.6. Видеоподсистема. Основные характеристики видеокарт и мониторов

Видеоподсистема состоит из монитора (дисплея) – основного устройства вывода графической информацию и его адаптера – видеокарты. Ввиду того, что видеоподсистема является важнейшей частью современного ПК мы ее рассмотрим отдельно от других устройств ввода/вывода информации.

Мониторыразличаются по принципу действия, по размеру, по техническим характеристикам и по стандарту безопасности.

На экране монитора любого типа изображение формируется в виде набора цветных точек, называемых пикселями.В зависимости от принципа действия монитора пиксели формируются по-разному.

По принципу действия мониторы подразделяются на мониторы с электронно-лучевой трубкой, жидкокристаллические мониторы и плазменные мониторы.

В мониторах с электронно-лучевой трубкой(ЭЛТ), называемых такжеCRT(CathodeRayTube) изображение формируется с помощью зерен люминофора – вещества, которое светится под воздействием электронного луча. Различают три типа люминофоров в соответствии с цветами их свечения: красный, зеленый и синий. Цвет каждой точки экрана определяется одновременным свечением трех разноцветных точек (красной, зеленой и синей), объединенных в триады. Каждая триада образует одно цветное зерно, представляющее один пиксель. Яркость соответствующего цвета меняется в зависимости от мощности электронного пучка, попавшего в соответствующую точку.

Управление пучком электронов осуществляется отклоняющей и фокусирующей системой, которые состоят из набора катушек и пластин, воздействующих на электронный пучок с помощью магнитного и электрического полей. В соответствии с сигналами развертки, подаваемыми на электронную пушку, электронный луч побегает по каждой строчке экрана, последовательно высвечивая соответствующие точки люминофора. Дойдя до последней точки, луч возвращается к началу экрана.

ЭЛТ – это наиболее старый тип мониторов, его историю можно отсчитывать с создания первых электронно-лучевых трубок для телевизоров в 40-х годах 20 века. В течение нескольких десятков лет ЭЛТ-мониторы были единственным типом устройств вывода видеоинформации. За это время технология создания таких мониторов была отработана и доведена до совершенства, поэтому выпускающиеся сейчас ЭЛТ-мониторы отличаются хорошим качеством и невысокой ценой. Однако у таких мониторов есть существенный принципиальный недостаток: из-за необходимости использования ускоренного электронного луча неизбежно рентгеновское излучение, опасное для здоровья человека. Кроме того, конструкция электронно-лучевой трубки не позволяет сделать толщину монитора существенно меньше его поперечных размеров, в связи с чем ЭЛТ-монитор является весьма громоздким и массивным устройством.

Жидкокристаллические мониторы(ЖК-панели), называемые такжеLCD-панелями (Liquid Crystal Display) – наиболее распространенный в настоящее время и наиболее быстро развивающийся тип мониторов. Принцип отображения на жидкокристаллических мониторах основан на поляризации света. Источником излучения здесь служат лампы подсветки, равномерно освещающие слой жидких кристаллов (жидкокристаллическую матрицу). Свет от источника света однородным потоком проходит через слой жидких кристаллов. В зависимости от того, в каком состоянии находится кристалл, проходящий луч света поляризуется в том или другом направлении. Далее свет проходит через специальное покрытие, которое пропускает свет только определенной поляризации. Там же происходит цветовая селекция, обеспечивающая цветное изображение. Состояние каждого жидкого кристалла устанавливается подачей на него соответствующего электрического импульса, эти импульсы вырабатываются управляющей схемой монитора в соответствии с сигналами, поступающими от видеокарты.

Жидкокристаллические мониторы имеют малую толщину (всего несколько сантиметров), поэтому они являются весьма компактными устройствами по сравнению с ЭЛТ-мониторами. Только после появления ЖК-панелей стало возможно появление переносных и карманных компьютеров. Вторым преимуществом ЖК-мониторов является абсолютно плоский экран без краевых искажений изображения ( ЭЛТ-мониторы со сравнительно плоским экраном удалось создать только в результате очень сложных конструкторских ухищрений). Наконец, ЖК-панели практически не производят вредного для человека излучения. Перечисленные преимущества обуславливают постепенное вытеснение ЭЛТ-мониторов ЖК-панелями. Однако у ЖК-мониторов есть некоторые недостатки, которые еще предстоит преодолеть. Во-первых, ЖК-панели несколько дороже ЭЛТ-мониторов такого же размера, хотя цена на ЖК-панели неуклонно снижается со временем. Во-вторых, у ЖК-монитора ограничен угол обзора, если смотреть на него под углом, изображение сильно искажается. Наконец, из-за инерционности процесса переполяризации жидких кристаллов в ЖК-мониторах трудно получить высокую частоту смены изображения – а это один из наиболее важных технических параметров, определяющий комфортность работы с монитором. Впрочем, нет сомнений, что перечисленные недостатки будут со временем преодолены, т.к. технические параметры ЖК-мониторов очень быстро улучшаются, а цена – падает.

Плазменные панелииспользуются в качестве больших выносных экранов

Принцип работы плазменной панели заключается в следующем. Пространство между двумя плоскими поверхностями, расположенными на небольшом расстоянии друг от друга, заполнено газом. Первая поверхность - прозрачный экран, на второй поверхности размещена матрица из очень тонких коротких проводников, расположенных перпендикулярно поверхности. При подаче потенциала на любой из этих проводников вблизи его острия возникает разряд, видный через экран как светящаяся точка. Каждая такая точка является пикселем изображения. Соответственно, изображение состоит из сотен тысяч таких элементов. Плазменная панель, также как и ЖК-панель – это плоское устройство небольшой толщины. Кроме того, плазменные панели лишены таких недостатков ЖК-панелей как малый угол обзора и инерционность. Однако есть один существенный недостаток – трудно обеспечить малый размер разрядной ячейки и, соответственно, малый размер пикселя. В этой связи плазменные панели выпускаются обычно в виде широкоформатных телевизоров (добавление схемы телевизора лишь незначительно удорожает панель, зато существенно увеличивает потребительскую привлекательность товара). Размеры выпускающихся плазменных панелей – от 40” до200” по диагонали. С ПК плазменная панель обычно используется в качестве дополнительного экрана для показа изображения большой аудитории.

Основными техническими характеристиками мониторовявляются размер экрана, размер зерна, максимальное разрешение и частота обновления экрана.

Размер экрана- это длина диагонали экрана, выраженная в дюймах (1” = 2,54см). Наиболее распространенными размерами для экрана монитора являются 15", 17", 19", 20", 21". При работе с монитором прослеживается очень простая закономерность: чем больше монитор, тем комфортнее за ним работа. На экране большего размера можно увидеть более крупный фрагмент документа или одновременно открыть большее число окон. С другой стороны, чем больше монитор, тем больше места он занимает на столе (особенно, если это ЭЛТ-монитор). Для нормальной работы за компьютером минимальный размер экрана - 15 дюймов для ЖК или 17 дюймов для ЭЛТ. Для работы с графикой или версткой желательно выбирать монитор от 19 дюймов и выше.

Размер зерна– это размер цветной точки, т.е.минимальный размер пикселя. Чем меньше размер зерна, более четкое и контрастное изображение можно получить на мониторе. Нормальный размер зерна современных мониторов составляет 0,22 – 0,24 мм, у качественных профессиональных мониторов с обычным размером экрана размер зерна составляет 0,12 – 0,14 мм. В широкоформатных мониторах (с размером экрана более 30”) размер зерна увеличивается. Это оправдывается тем, что такие мониторы предназначены для обзора с большого расстояния.

Максимальное разрешение - это общее число цветных точек, т.е. максимально возможное число пикселей, выражаемое как произведение количества пикселей по ширине и высоте экрана. Например, разрешение 1024x 768 означает, что изображение формируется из 1024768 = 786432 пикселей, составляющих 768 горизонтальных рядов по 1024 пикселя в каждом ряду. Максимальное разрешение монитора определяется размером экрана и размером зерна: если ширину экрана разделить на размер зерна, то получится максимальное разрешение по ширине, если высоту экрана разделить на размер зерна, то получится максимальное разрешение по высоте. Следует отметить, что максимальное разрешение, обеспечиваемое видеоподсистемой, определяется не только характеристиками монитора, но и параметрами видеокарты. Для реализации очень высокого разрешения необходим не только высококачественный монитор, но и соответствующая видеокарта. Впрочем, ситуация, когда видеокарта не обеспечивает доступное монитору разрешение, встречаются редко.

Частота обновления экранавыражается в герцах (Гц,Hz) и обозначает количество перерисовок экрана в секунду. Это один из наиболее важных параметров монитора, определяющих степень его вредного воздействия на глаза. В настоящее время гигиенически допустимый минимум частоты обновления экрана считается равным 80 Гц, у профессиональных мониторов этот параметр составляет 120 - 150 Гц. Особенно важна высокая частота обновления экрана при работе с ЭЛТ монитором, т.к. изображение на таком мониторе прорисовывается последовательно – пиксель за пикселем. В ЖК – мониторах все пиксели изменяют свое состояние одновременно, поэтому для них допустимо чуть более низкое значение этого параметра. Для различных типов мониторов значение частоты обновления определяется разными факторами. В ЭЛТ мониторах можно повысить частоту обновления, понизив разрешение, т.к. в таких мониторах при изменении режима произведение этих параметров остается примерно постоянным. В ЖК мониторах частота обновления определяется инерционностью жидких кристаллов, поэтому для таких мониторов часто используют обратную величину –время отклика, выражаемое в миллисекундах.

Стандарт безопасностиопределяет допустимый уровень тех параметров, которые непосредственно влияют на здоровье человека. Это уровни излучений разных типов, уровень электробезопасности, яркость, контрастность, мерцание, наличие бликов и т.д. Стандарты безопасности периодически пересматриваются в сторону добавления и ужесточения, поэтому при покупке монитора необходимо убедиться, что он соответствует наиболее свежему стандарту. В настоящее время, как для монитора, так и для компьютера в целом, общепринятыми (и наиболее жесткими!) считаются принятые в Швеции стандартыMPR, MPR-II,TCO’92, TCO’95, TCO’99, TCO’03. В стандартахTCO цифрами обозначается год принятия. СтандартыMPR, MPR-II,TCO’92, TCO’95следует считать устаревшими. Для ЭЛТ мониторов в настоящее время достаточным можно считать стандартTCO’99, для ЖК мониторов следует ориентироваться на стандартTCO’03. Кстати последние стандарты устанавливают минимально допустимые нормы на все параметры монитора, включая разрешение при заданном размере экрана и допустимый угол обзора. Для стандартовTCO предполагается обновление раз в 4 года.

Видеокарта(видеоадаптер) – это устройство, выполняющее роль посредника между материнской платой и монитором. Видеокарта подключается к материнской плате через интерфейсAGP (Accelerated Graphics Port) илиPCIE (PCI Express). PCIE – наиболее мощный интерфейс, обеспечивающий очень высокую скорость передачи данных. Наиболее производительные видеоподсистемы используют именно этот интерфейс.

Современная видеокарта включает в себя, видеоконтроллер, обеспечивающий управление монитором и взаимодействие сRAM, видеопроцессор, выполняющий графические операции без участияCPU, собственную встроенную видеопамять и встроенный видеоBIOS.

Основное назначение видеокарты – извлекать из RAM данные и преобразовывать их во входные сигналы монитора, для отображения на экране. Однако такая схема привела бы к весьма медленной работы видеоподсистемы, т.е. к большим запаздываниям вывода изображения на экран. Для ускорения работы видеоподсистемы используются встроенный графический процессор и встроенная видеопамять.

Графический процессор, называемый такжеграфическим ускорителем(или графическим акселератором) состоит из 2-х частей: 2D-ускорителя (ускорителя двумерной графики) и 3D-ускорителя (ускорителя трехмерной графики).

Суть работы этих ускорителей рассмотрим на примере 2D-ускорителя. Пусть, на экране монитора необходимо изобразить окружность с центром в данной точке и данного радиуса. Если бы в видеокарте не было2D ускорителя, то для решения поставленной задачи необходимо было бы рассчитать (при помощиCPU) координаты всех точек, составляющих окружность, сформировать из этих координат массив данных вRAMи дать команду видеоконтроллеру, который должен взять эти данные изRAM и преобразовать их в управляющие сигналы монитора. При наличии видеопроцессора этого не потребуется – достаточно передать ему код команды изображения окружности, значения координат центра, радиуса и цвета – все остальное видеопроцессор сделает сам.

Аналогичная, только более сложная ситуация с 3D – графикой: 3D-ускоритель не только сам обрабатывает команды изображения сфер, параллелепипедов, пирамид и других 3-х мерных фигур, но и производит гораздо более сложные действия - удаление невидимых поверхностей, градиентное закрашивание, расчет освещения, фильтрацию, сглаживание, установку частичной прозрачности и т.д.

При обработке видеоизображений видеопроцессор использует встроенную видеопамять, но ее объема часто бывает недостаточно, поэтому видеопроцессору выделяется и часть оперативной памяти для хранения базовых массивов, так называемых текстур. Для обработки видеоизображений, работы с программами 3-х мерной графики и для современных компьютерных игр 3D-ускоритель совершенно необходим, для работы с офисными и вычислительными программами, его наличие не обязательно. Объем встроенной видеопамяти является одной из важнейших характеристик видеокарты. В современных видеокартах ее объем составляет от 128МБ до 1ГБ.

Для того чтобы эффективно пользоваться всеми функциями графического процессора (особенно, функциями 3D-ускорителя), необходимо чтобы прикладные программы могли к этим функциям обращаться. Такие возможности обеспечиваются соответствующими программными интерфейсами. В настоящее время действуют 2 типа таких интерфейсов –DirectX, разработанный фирмойMicrosoft, иOpenGL, разработанный фирмойSilicon Graphics. Для реализации этих интерфейсов в операционной системе должны быть установлены соответствующие библиотеки. Эти библиотеки постоянно дополняются и совершенствуются, появляются более новые их версии. Для нормальной работы программ с графикой необходимо, чтобы версия графической библиотеки, установленной в операционной системе, была не ниже версии библиотеки, использованной в программе. Например, если программа разработана с использованиемDirectX 9.0, а в операционной системе установленаDirectX 8.1, то такая программа может не запуститься или работать неправильно.

Видео BIOS – это набор низкоуровневых программ, обеспечивающих работу видеопроцессора и видеоконтроллера. Программы видеоBIOSзаписаны в специальном ПЗУ на видеокарте, являющимся обязательным компонентом всех современных видеокарт.