2. Разновидности устройств ввода-вывода графической информации

С ростом производительности компьютеров и увеличением объёма оперативной и внешней памяти появилась возможность обработки огромных массивов информации в приемлемое для пользователя время как при вводе, так и при выводе графической информации.

В практику использования больших и малых ЭВМ вошли графические периферийные устройства – графопостроители (плоттеры), оцифровщики данных (дигитайзеры), читающие автоматы, сканирующие устройства (сканеры). Появление этих устройств заставило создать различные технологии ввода и вывода графической информации, языки программирования и управления этими устройствами так как подготовка данных для ввода вручную весьма трудоёмка, а кодирование рисунков и чертежей для ввода в ЭВМ требует объёмных программных средств.

Первыми из графических устройств, пришедших в цифровую технику, были читающие автоматы, которые наряду с графическими данными вводили в ЭВМ и текст. За ними появились графопостроители, во многом повторившие конструктивные основы аналоговых устройств, выводящих на носитель кривые и графики, получаемые в аналоговых вычислительных машинах (АВМ).

Затем были разработан ряд устройств – оцифровщиков данных (дигитайзеров), которые использовали различные физические принципы оцифровки данных, положенных в основу их конструкций.

И, наконец, с появлением новых элементов преобразования графических величин в код появились сканирующие устройства – сканеры.

Появление периферийных устройств, перечисленных выше, создало предпосылку для развития Систем Автоматизированного Проектирования (САПР). Графические периферийные устройства, таким образом, обеспечили совместно с графическими дисплеями:

1. Возрастание производительности труда проектировщиков;

2. Повышение точности съёма и скорости ввода графики;

3. Повышение скорости вывода графической информации;

4. Включение ЭВМ в технологический процесс подготовки конструкторской документации;

5. Улучшение эргономических характеристик труда проектировщиков;

6. Повышение качества конструкторских документов, получаемых в САПР.

Кроме того, появление этих устройств создало предпосылки для возникновения нового раздела компьютерной науки – машинной графики.

3. Дигитайзеры

Дигитайзеры производят оцифровку графических изображений, то есть преобразуют графические элементы изображения (примитивы) – точки, линии различного типа, окружности, дуги прямоугольники и т.п. в цифровые данные и формируют так называемый графический файл – последовательность цифровых данных, считывая которые ЭВМ воспринимает графическое изображение как некоторую последовательность кодов, обрабатывая которые ЭВМ получает данные о графическом изображении в целом.

Дигитайзер относится к числу полуавтоматических устройств, в процессе работы которого принимает непосредственное участие пользователь. Процесс ввода графического изображения (ГИ) в коды состоит из 4-х этапов:

1. Поиск графического примитива на носителе (бумаге, плёнке и т.п.);

2. Выделение элемента изображения, подлежащего кодированию;

3. Преобразование яркости, цветности, типа и координат графического примитива в цифровую форму;

4. Формирование графического файла и передача его в ЭВМ.

В дигитайзерах этапы 1 и 2 выполняются с участием пользователя, остальные – автоматически, то есть непосредственно ЭВМ.

В дигитайзерах описание исходных данных в виде чертежей, эскизов или рисунков, выполненных на бумаге или кальке, производится на графическом языке, который позволяет (в отличии от устройств автоматического типа – сканеров) избежать ввода каждой точки изображения, что требует огромной памяти. Графические изображения задаются в виде признаков основных элементов чертежа: отрезков прямой (векторов), дуг, окружностей, их координат и размеров, а также в виде типовых элементов чертежей и схем (элементы электронных схем, микросхемы, транзисторы, резисторы и т.п.) с указанием их координат в виде базовых точек, размеров и других признаков. На рисунке 3.1 приведена схема транзисторного элемента, в которой транзистор, резистор и заземление заданы в виде типовых элементов электронных схем ТЭ1, ТЭ2 и ТЭ3, а остальные – в виде отрезков прямых и ломаных линий.

В дигитайзерах использовались различные физические принципы и приёмы оцифровки элементов визуального сообщения. К настоящему времени находят применение два основных принципа – электромеханический (дигитайзеры с рабочим полем (оцифровываемая площадь) размером до 1200 х 1500 мм) и электромагнитный (несколько меньшим и даже небольшим рабочим полем). Технические характеристики дигитайзеров некоторых зарубежных фирм приведены в Приложении 1.

Кинематическая схема электромеханического дигитайзераприведена на рис.3.2; цифрами на рисунке обозначены следующие узлы дигитайзера:

1. Рабочее поле дигитайзера (планшет), на котором крепится носитель с визуальным сообщением (чертежом, схемой, рисунком);

2. Визирное устройство (визир, съёмник координат кодируемых точек), которое жёстко крепится на подвижной каретке «Y» и вместе с ней перемещается по осиY. Визир представляет собой оптическое устройство – лупу с визирным перекрестием;

3. Подвижная каретка «Y», реверсивно перемещающая визир по осиY(с помощью пользователя);

4. Кнопка съёма, при нажатии которой фиксируются координаты кодируемой точки чертежа;

5. Траверса (направляющая), по которой перемещается каретка «Y» (вручную пользователем);

6. Подвижная каретка «X», выполняющая те же функции, что и каретка «X», но по осиX;

7. Траверса (направляющая), по которой перемещается каретка «X» также с помощью пользователя;

8. Поле задания признаков кодируемых элементов чертежа (точка, линия, окружность, дуга и т.д. или каких либо команд – удалить, переместить и т.п.) В литературе это поле часто называют «таблеттой». Фрагмент поля приведён на рис. 3.3.

Работа по «оцифровке» чертежа или эскиза (часто этот процесс называют «скалыванием», а дигитайзер «сколкой») заключается в следующем:

1. Оператор закрепляет на рабочем поле (планшете) носитель с чертежом;

2. После включения питания дигитайзер сбрасывает «на нуль» содержимое своих регистров, счётчиков и буферной памяти и посылает звуковой сигнал о готовности к работе;

3. Оператор устанавливает визир на изображение вводимого элемента (примитива) на соответствующую клетку таблетты и нажимает кнопку съёма данных. Этим самым в заголовок графического файла вводится номер кадра и признак вводимого примитива;

4. Визир подводится к скалываемому примитиву (например, к линии) и последовательно вводятся координаты правого и левого конца линии. Координаты концов линии вводятся в буфер дигитайзера, в котором формируется графический файл;

5. Если следующим элементом чертежа является окружность, то в таблетте активизируется ячейка «окружность», а затем вводятся центр окружности и одна точка, лежащая на окружности.

На рисунке 3.4 приведён фрагмент графического файла.

1 2 3 4 5 6

Номер кадра	Признак элемента (линия)	Xн	Yн	Xк	Yк
Признак элемента (окружн.)	Xц	Yц	Xок	Yок	…..

7 8 9 10 11

.

.

.

i i+1.n-3n-2 n-1 n

….

….

Признак элемента (символ)

W

Признак конца кадра

Код конца

Xо,Yо,Xн,Yк – координаты начала (н) и конца (к) линии;

Xц,Yц,Xок,Yок – координаты центра (ц) и точки на окружности (ок).

Рис. 3.4

Собственно преобразование координат центра визира в код (оцифровка координат кодируемой точки) осуществляется с помощью кодирующих линеек или кодирующих устройств в виде кодирующих дисков (преобразователи «угол поворота-код»). Тип кодирующего устройства зависит от конструкции дигитайзера. На рисунке 3.5 приведена конструкция кодирующей линейки.

Кодирующая линейка представляет собой пластинку из прозрачного материала, на которую нанесен рисунок в виде многоразрядного двоичного кода (на рисунке приведены только 5 разрядов). Элементы пластинки могут быть 2-типов – прозрачные и непрозрачные. Прозрачный элемент соответствует двоичной единице, непрозрачный – двоичному нулю. Каждый вертикальный ряд элементов освещается индивидуальным источником света, который воспринимается фотоприёмниками, расположенными с противоположной стороны. Источники света и фотоприёмники жёстко связаны с непрозрачной рамкой и перемещаются вдоль кодирующей линейки. В свою очередь рамка механически связана с подвижными каретками (кареткой «Х» и кареткой «Y»). Перемещая каретки над поверхностью чертежа, пользователь перемещает рамки над неподвижными кодирующими линейками по координате Х иY. При этом при нажатии кнопки съёма на каретке Х осуществляется съём двоичных кодов с фотоприёмников и занесение их в регистры Х иY(на схеме не приведены).

В основу дигитайзеров второго типа–электромагнитных– положен принцип взаимодействия электрического проводника с током и катушкой индуктивности.

Если по проводнику распространяется импульс тока, то в катушке индуктивности, расположенной вблизи проводника, в течение действия импульса тока возникает ЭДС, величина которой зависит от силы тока и расстояния центра катушки от провода:

ej = ρf(i,lk) (*),

где: ρ – константа, определяемая параметрами катушки (добротность катушки и её геометрия, сопротивление провода и т.п.);

i – величина тока в импульсе;

lк – расстояние центра катушки от проводника;

ej – величина ЭДС, наведённой в катушке.

При постоянстве силы тока в импульсе выражение (*) примет вид функции от одной переменной:

ej=F(lk) (**).

Если катушку вначале разместить так, чтобы её центр располагался точно над проводом, а затем смещать катушку вправо, то зависимость величины наведённой в катушке ЭДС от расстояния центра катушки от проводника будет иметь вид, приведённый на рис.3.6. Линейную часть этой зависимости, таким образом, можно использовать для построения электромагнитного дигитайзера, так как линейная часть зависимости (**) по сути дела представляет собой функцию преобразования величины ЭДС в катушке в расстояние катушки от проводника

Но ввиду того, что наведённая в катушке ЭДС достаточно мала при разумных величинах тока в проводнике, необходимо иметь, во-первых, достаточно большое количество проводников, которые располагаются на рабочем поле (планшете) на некотором расстоянии друг от друга и, во-вторых, эти проводники должны возбуждаться импульсами тока последовательно, начиная с первого, так чтобы в каждый момент времени был возбуждён только один проводник. При этом усиленная по амплитуде ЭДС преобразуется в двоичный код – координату, которая пропорциональна расстоянию центра визира (катушки) от первого проводника на рабочем поле дигитайзера.

На рисунке 3.7,а приведён фрагмент рабочего поля электромагнитного дигитайзера (планшета), под плоским полем которого уложены n вертикальных (1) иm горизонтальных (2) проводников (шин) с шагомΔx иΔy,соответственно. Обычноn=m и Δx=Δy. Центр визира (катушки индуктивности 3) расположен между 2-й и 3-й шинами.

Рассмотрим, что будет наводиться в катушке индуктивности визира при последовательной подаче на вертикальные шины импульсов тока.

При подаче импульса тока на шину № 1 в катушке возникнет ЭДС в виде импульса напряжения 1 (см. рис.3.7, б). Аналогично, при подаче импульса на шину № 2 в катушке визира возникнет ЭДС 2. Амплитуда импульса напряжения 2, при этом, будет больше, так как возбуждённая шина № 2 приблизится к центру катушки визира. Далее, при возбуждении шины № 3 в катушке визира возникнет отрицательный импульс, так как возбуждённая шина будет находиться уже справа от центра визира. И так будет происходить до момента возбуждения последней шины. Если соединить вершины наведённых в катушке индуктивности импульсов, получим ломаную, которая пересекает ось x в точкеА. Эту ломаную линию называютАмплитудно-Координатной Характеристикой (АКХ) дигитайзера.

Положение точки А на оси определяет точное расстояние центра визира (кодируемой точки) от края планшета.

Если передвигать визир между шинами 2 и 3, то при приближении центра визира к шине 2 амплитуда импульса 2 будет расти, а амплитуда импульса 3 уменьшаться. При движении визира в обратную сторону (к шине 3) произойдёт обратное – амплитуда импульса 3 будет расти, а импульса 2 уменьшаться.

Если прекратить возбуждение шин в тот момент, когда в катушке визира появится отрицательный импульс, и сосчитать поданные на шины импульсы, то расстояние центра визира от края планшета (координата Lx кодируемой точки) будет равно

Lx = nx Δx,

где:

nx - количество зафиксированных (сосчитанных) импульсов;

Δx– шаг (расстояние) между шинами.

Эта координата зафиксирована с погрешностью, численно равной расстоянию центра визира от шины 3. Погрешность можно скомпенсировать, если вычесть из Lx величину, равную отношению амплитуд импульсов 2 и 3, преобразованную в код. Тогда точное значение координаты Lx , будет равно

Lx = nxΔx – (e2/e3)Δx,

где: e2 и e3– амплитуды импульсов 2 и 3.

После завершения цикла определения абсциссы кодируемой точки дигитайзер переходит автоматически к циклу определения ординаты, который реализуется аналогично.

На рис.3.8 приведена несколько упрощенная схема дигитайзера. На схеме показаны основные узлы устройства, ответственные за определение абсциссы кодируемой точки. Кроме того, отсутствуют узлы, реализующие уточнение результата кодирования точки.

В состав схемы входят следующие узлы:

1. Планшет – прямоугольное рабочее поле дигитайзера с системой вертикальных и горизонтальных координатных шин;

2. Источник (генератор) импульсов тока, возбуждающих координатные шины;

3. Счётчики CчX CчY, управляющие дешифраторами ДшXи ДшYи накапливающие коды координат скалываемых точек чертежа;

4. Т – RS-триггер, управляющий схемой «И» (&);

5. К – ключ съёма данных (расположен на корпусе визира);

6. С – съёмник данных (визир);

7. Ф – формирователь импульсов.

Рассмотрим работу дигитайзера по координате Х.

1. При включении питания схемы дигитайзера сбрасываются в исходное состояние (обнуляются счётчики, RS-триггер переключается в нулевое состояние, ключ К размыкается и т.д.);

2. При установке визира на изображение кодируемого элемента на таблетте и нажатии кнопки на корпусе визира генерируется код признака элемента (линия, дуга, прямоугольник и т.п.);

3. Затем при установке визира на кодируемую точку, например, начало вектора, и нажатии кнопки съёма триггер переключается в состояние «1»;

4. Сигнал с выхода триггера поступает на схему И (&), и тактовые импульсы (ТИ) начинают поступать на счётчик СчХ;

5. Счётчик начинает через дешифратор ДшХ возбуждать координатные шины планшета;

6. Визир, улавливая электромагнитное поле от возбуждаемых шин, подаёт импульсные сигналы на формирователь (Ф). До тех пор пока импульсы с визира имеют положительную полярность, на выходе формирователя сигнал отсутствует;

7. Как только сигнал с визира станет отрицательным, на выходе формирователя генерируется сигнал, который переключает триггер и прекращает доступ тактовых импульсов на счётчик;

8. Схема управления (не приведена на рис.3.8) включает устройства, вычисляющие «точную» часть кода координаты, её преобразование и сбрасывает полный код в регистр координаты (на схеме не приведён);

9.Затем схема управления переключает дигитайзер на вычисление ординаты кодируемой точки, которое осуществляется аналогично;

10. В результате первого цикла работы в регистрах РгХ и РгYобразуются коды координат кодируемой точки, которые пересылаются в память ЭВМ, формируя последовательные кадры графического файла.

Рассмотренные выше принципы построения и функционирования дигитайзеров несколько упрощены для краткости изложения. Реальные дигитайзеры существенно сложней, так как дигитайзер и его работа содержит ряд технологических особенностей, важнейшие из которых следующие:

1. Дигитайзер работает на высокой частоте (частота тактовых импульсов составляет 900 и выше килогерц) На этой частоте электромагнитные поля возбуждённых шин рабочего поля являются источником помех для электронных схем дигитайзера;

2. Реальный размер катушки визира составляет около 5-6 сантиметров. Поэтому визир перекрывает не один десяток координатных шин, что усложняет процедуру вычисления «точной» части кода координаты (рассмотрено выше);

3. В силу этих обстоятельств в ряде моделей дигитайзеров процедура кодирования построена иначе – источником магнитного поля является курсор, в обмотку которого подаётся высокочастотный сигнал. Магнитное поле, возникающее при этом, наводит в координатных шинах ЭДС, которая по величине пропорциональна расстоянию шины от центра визира. Этот принцип реализован в дигитайзере СМ 6424 (см. Лабораторный практикум «Графические периферийные устройства»).

На рис. 3.9 приведена полная схема дигитайзера. В схеме использованы следующие обозначения:

ПЛ– планшет, рабочее поле дигитайзера;

В– визир;

Г– генератор тактовых импульсов;

Кн– кнопка съёма данных;

СчВ– счётчик возбуждения, производит поочерёдное переключение дешифраторов ДШ-Х и ДШ-Y;

Дш-Х и Дш-Y– дешифраторы, управляющие формирователями токов ФТ-Х и ФТ-Y;

Кл-Х и КлY– ключевые схемы, подключающие координатные шины к формирователям токовФТ-Х и ФТ-Y;

УИ– устройство измерения;

УУ– устройство управления (МП);

К– электронный ключ;

СчИ– измерительный счётчик;

& - сборки логических схем «И»;

РгХ и РгY– регистры координат Х иY;

a, b, c,…n– цепи управления дигитайзером от УУ.

Схема работает следующим образом (по координате Х).

1. Перед началом цикла кодирования по любой из координат все узлы дигитайзера приводятся в исходное состояние.

2.Визир устанавливается на точку чертежа, координаты которой (Х и Y) необходимо закодировать и ввести в ЭВМ.

3.При нажатии кнопки КнП на корпусе визира схема начинает работать: тактовые импульсы поступают на СчВ, сигналы со счётчика

поступают на дешифратор ДшХ, который последовательно включает формирователи токов ФТ-Х и соответствующие ключи Кл-Х.

4. Одновременно RS-триггер (Т) открывает ключ К, и тактовые импульсы с генератора тактовых импульсов Г начинают поступать на счётчик СчИ.

5. При смене полярности сигнала, считанного катушкой визира на обратный, измерительное устройство (УИ) переключает триггер (Т), который закрывает ключ (К) и тем самым прекращает доступ тактовых импульсов в счётчик. В счётчике фиксируется «грубая часть» кода координаты Х – Lх гр.=ΔХ·Nх, гдеNх –количество импульсов, зафиксированных в счётчике.

6. Далее схема переключается в режим вычисления «точной части» кода (процедура описана выше). Таким образом, уточнённоё значение кода координаты будет равно:

Lх=Lх гр + Lх точн.

7. Код «сбрасывается» в регистр РгХ и схема переключается в ре- жим определения координаты Y, после чего коды координат из регистров РгХ и РгYпередаются в графический файл (память компьютера, см.рис. 3.4).

Ниже приведены характеристики дигитайзеров некоторых зарубеж-ных фирм:

Фирма производитель, тип	Число точек по Х и Y	Разре-шение мм	Оцифровы-ваемая пло-щадь, кв.мм	Точ- ность мм	Скорость передачи
Graph.Corp. KD3200 KD3300 KD4300 KD4600 KD 3800	2100 3050 2600 3100 3810 3810	0,1 0,1 0,1 0,1 0,1	297 х 210 305 х 305 380 х 260 460 х 310 381 х 381	0,025 0,025 0,025 0,025 0,025	150 поз/с 150 поз/с 150 поз/с 150 поз/с 150 поз/с
Olivetti-log. 9012 9236 9248 9260		100 лин/мм 39лин/мм 39 лин/мм 39 лин/мм	305 х 305 610 х 914 914 х 1219 1118 х 1524	0,254 0,254 0,254 0,254	200 коорд/c 200 коорд/c 200 коорд/c 200 коорд/c
BENSON 6301 6440		0,02 0,02	1300 х 870 305 х 305	0,005	100 точек/c 100 точек/c
Аристогрид CD200			650 х 900 1000 х 1500
GGT Accu Marc 300			1115 х 1520

Все устройства, приведённые в таблице, подключаются к компьютеру через интерфейс RS-232C.