Технічні засоби підтримки комп'ютерної графіки
Розвиток комп'ютерної графіки багато в чому обумовлено розвитком технічних засобів її підтримки. Перш за все це пристрої виведення, якими є дисплеї. В даний час існує декілька типів дисплеїв, що використовують електронно-променеву трубку, а також дисплеї на рідкокристалічних індикаторах і інші їх види. Нас цікавлять головним чином функціональні можливості дисплеїв, тому ми не будемо торкатися їх внутрішнього устрою і електронних схем.
Виникнення комп'ютерної графіки, як уже говорилося раніше, можна віднести до 50-х років. Дисплейна графіка на першому етапі свого розвитку використовувала електронно-променеві трубки (ЕПТ) з довільним скануванням променя для виведення у вигляді зображення інформації з ЕОМ. З експерименту в Массачусетському технологічному інституті почався етап розвитку векторних дисплеїв (дисплеїв з довільним скануванням променя).
Найпростішим з пристроїв на ЕПТ є дисплей на пам'ятною трубці з прямим копіюванням зображення. Запам'ятовує трубка має властивість тривалого часу післясвітіння: зображення залишається видимим протягом тривалого часу (до однієї години). При виведенні зображення інтенсивність електронного променя збільшують до рівня, при якому відбувається запам'ятовування сліду променя на люмінофорі. Складність зображення практично не обмежена. Стирання відбувається шляхом подачі на всю трубку спеціальної напруги, при якому випромінювання зникає, і ця процедура займає приблизно 0,5 с. Тому зображення, отримані на екрані, можна стерти частково, а отже, динамічні зображення або анімація на такому дисплеї неможливі. Дисплей на пам'ятною трубці є векторним, або дисплеєм з довільним скануванням, тобто він дозволяє провести відрізок з однієї адресується точки в будь-яку іншу. Його досить легко програмувати, але рівень інтерактивності у нього нижче, ніж у ряду дисплеїв інших типів через низьку швидкості і поганих характеристик стирання.
Наступний тип - це векторні дисплеї з регенерацією зображення. При переміщенні променя по екрану в точці, на яку потрапив промінь, збуджується світіння люмінофора екрану. Це свічення досить швидко припиняється при переміщенні променя в іншу позицію (звичайний час післясвітіння - менше 0,1 с). Тому, для того щоб зображення було постійно видимим, доводиться його "перемальовувати" (регенерувати зображення) 50 або 25 разів в секунду. Необхідність регенерації зображення вимагає збереження його опису в спеціально виділеній пам'яті, званої пам'яттю регенерації. Сам опис зображення називається дисплейним файлом. Зрозуміло, що такий дисплей вимагає досить швидкого процесора для обробки дисплейного файлу і управління переміщенням променя по екрану.
Зазвичай серійні векторні дисплеї встигали 50 раз в секунду будувати тільки близько 3000-4000 відрізків. При більшій кількості відрізків зображення починає мерехтіти, так як відрізки, побудовані на початку чергового циклу, повністю гаснуть до того моменту, коли будуть будуватися останні.
Іншим недоліком векторних дисплеїв є мале число градацій по яскравості (зазвичай від двох до чотирьох). Були розроблені, але не знайшли широкого застосування двох- і триколірні ЕЛТ, також забезпечували кілька градацій яскравості.
У векторних дисплеях легко стерти будь-який елемент зображення - досить при черговому циклі побудови видалити стирається елемент з дисплейного файлу.
Текстовий діалог підтримується за допомогою алфавітно-цифрової клавіатури. Непрямий графічний діалог, як і у всіх інших дисплеях, здійснюється переміщенням перехрестя (курсора) по екрану за допомогою тих чи інших засобів управління перехрестям - координатних коліс, керуючого важеля (джойстика), трекболу (кульовий рукоятки), планшета і т.д. Відмінною рисою векторних дисплеїв є можливість безпосереднього графічного діалогу, що полягає в простому вказівці за допомогою світлового пера об'єктів на екрані (ліній, символів і т.д.).
Векторні дисплеї зазвичай підключаються до ЕОМ високошвидкісними каналами зв'язку. Перші серійні векторні дисплеї за кордоном з'явилися в кінці 1960-х років.
Прогрес в технології мікроелектроніки привів до того, що з середини 1970-х років переважне поширення набули дисплеї з растровим скануванням променя. Растрове пристрій можна розглядати як матрицю дискретних точок (пікселів), кожна з яких може бути підсвічена. Таким чином, воно є точечно- малює пристроєм. Тому будь-який зображуваний на екрані дисплея відрізок будується за допомогою послідовності точок, аппроксимирующих ідеальну траєкторію відрізка, подібно до того, як можна будувати зображення по клітинам на картатому листку паперу. При цьому відрізок виходить прямим тільки у випадках, коли він горизонтальний, вертикальний або спрямований під кутом 45 
до горизонталі. Всі інші відрізки виглядають як послідовність "сходинок" (ступінчастий ефект).
При побудові зображення в растрових графічних пристроях використовується буфер кадру, що представляє собою великий безперервний ділянку пам'яті комп'ютера. Для кожної точки в растрі відводиться як мінімум один біт пам'яті. Буфер кадру сам по собі не є пристроєм виведення, він лише використовується для зберігання малюнка. Найбільш часто в якості пристрою виводу, використовуваного з буфером кадру, виступає відеомонітор.
Щоб зрозуміти принципи роботи растрових дисплеїв, ми розглянемо в загальних рисах пристрій кольорової растрової електронно-променевої трубки. Зображення на екрані виходить за допомогою сфокусованого електронного променя, який, потрапляючи на екран, покритий люмінофором, дає яскраве колірне пляма. Луч в растровому дисплеї може відхилятися тільки в строго певні позиції на екрані, що утворюють своєрідну мозаїку. Люмінофорне покриття теж не безперервно, а являє собою безліч близько розташованих дрібних точок, куди може позиціонуватися промінь. Дисплей, що формує чорно-білі зображення, має одну електронну гармату, і її промінь висвічує однотонні колірні плями. У кольоровій ЕПТ знаходяться три електронних гармати, по одній на кожен основний колір: червоний, зелений і синій. Електронні гармати часто об'єднані в трикутний блок, відповідний трикутним блокам червоного, зеленого і синього люмінофорів на екрані. Електронні промені від кожної з гармат, проходячи через спеціальну тіньову маску, потрапляють точно на пляму свого люмінофора. Зміна інтенсивності кожного з трьох променів дозволяє отримати не тільки три основних кольори, але і кольори, одержувані при їх змішуванні в різних пропорціях, що дає дуже велику кількість квітів для кожного пікселя екрану.
Дисплеї на рідкокристалічних індикаторах працюють аналогічно індикаторам в електронному годиннику, але, звичайно, зображення складається не з декількох великих сегментів, а з великого числа окремо керованих точок. Ці дисплеї мають найменші габарити і енергоспоживання, тому широко використовуються в портативних комп'ютерах. Вони мають як переваги, так і недоліки в порівнянні з дисплеями на ЕПТ. Хоча історично такий спосіб виведення зображення з'явився раніше, ніж растровий дисплей з ЕПТ, але швидко розвиватися він почав значно пізніше. Ці дисплеї також є растровими пристроями (їх теж можна уявити як матрицю елементів - рідких кристалів).
Існують і інші види дисплеїв, наприклад плазмова панель, але ми не будемо їх стосуватися, оскільки вони також є растровими, а технічна реалізація не є предметом нашого курсу. Важливим є те, що розглянуті нами алгоритми розроблені для растрових графічних дисплеїв, а загальні принципи роботи цих пристроїв нам зрозумілі.
Крім дисплеїв, як пристрої виведення зображень використовуються плоттери (графічні), призначені для виведення графічної інформації на папір. Ранні графічні пакети були орієнтовані саме на модель пір'яного плоттера, що формує зображення за допомогою пера. Перо може переміщатися уздовж двох напрямних, що відповідають двом координатним осях, причому воно може перебувати в двох станах - піднятому і опущеному. У піднятому стані воно просто переміщається над поверхнею паперу, а в опущеному залишає на папері лінії, що формують зображення. Таким чином, плоттер стоїть ближче до векторних дисплеїв, але відрізняється від них тим, що прати виводяться зображення неможливо. Тому для них зображення спочатку повністю формується в пам'яті комп'ютера, а потім виводиться.
Крім того, слід згадати принтери, що виводять зображення на папір або плівку. Зображення, що отримується за допомогою сучасних принтерів, також формується як точкове (растрове), але, як правило, з кращим дозволом, ніж екранне. Як і у випадку з графопостроителем, стерти зображення або його частину неможливо.
Тепер зробимо невеликий огляд пристроїв введення інформації, що дозволяють вирішувати різні завдання комп'ютерної графіки, не вдаючись у деталі фізичних принципів їх роботи. Ці пристрої дозволяють організувати діалог "людина-комп'ютер", а особливості конструкції кожного пристрою дозволяють йому спеціалізуватися на виконанні певного кола завдань. Нас вони цікавлять саме як логічні пристрої, тобто з точки зору виконуваних ними функцій.
Першу групу пристроїв, за допомогою яких користувач може вказати позицію на екрані, назвемо пристроями вказівки (pointing device): миша, трекбол (trackball), світлове перо (lightpen), джойстик (joystick), Спейсбол (spaceball). Практично всі пристрої цієї групи оснащені парою або декількома кнопками, які дозволяють сформувати і передати в комп'ютер будь-які сигнали або переривання.
Мал.1.2.
трекбол
миша ( Мал. 1.1 ) І трекбол ( Мал. 1.2 ) Схожі не тільки за призначенням, але часто і по конструкції. У механічної миші і трекболі обертання кульки перетвориться за допомогою пари перетворювачів в сигнали, що передаються в комп'ютер. Перетворювачі вимірюють обертання щодо двох взаємно перпендикулярних осей. Існує дуже багато модифікацій пристроїв цих груп. У оптичної миші використовуються не механічні, а оптичні чутливі елементи для вимірювання переміщення: вимірюється відстань шляхом підрахунку штрихів на спеціальній підкладці. Маленькі трекболи широко застосовуються в портативних комп'ютерах, де їх вбудовують прямо в клавіатуру.
В деякі клавіатури вбудовуються прилади, чутливі до тиску, які виконують ті ж функції, що і миша або трекбол, але при цьому в них відсутні рухомі елементи. Перетворювачі в таких пристроях вимірюють величину тиску на невеликий опуклий набалдашник, розміщений між двома кнопками в середній частині клавіатури. Вони, як і трекбол, використовуються переважно в портативних комп'ютерах.
Вихідні сигнали миші або трекбола можна розглядати як дві незалежні величини і перетворювати їх в координати положення на двовимірній площині екрану або в будь-якій іншій системі координат. Лічені з пристрою значення можна відразу ж використовувати для управління спеціальною позначкою (курсором) на екрані.