АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ

Лекция 2 для очного отделения ХПИ

ТЕМА 2: «АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ»

1. Структура и комплектация компьютера.

Существуют настольные и переносные компьютеры. К переносным относится т.н. «ноутбук» (notebook, или компьютер в виде блокнота), который помещаются в портфель-дипломат.

Базовая конфигурация персонального настольного компьютера содержит следующие устройства:

системный блок;
монитор;
клавиатуру;
манипулятор «мышь».

К компьютеру могут подключаться дополнительные (периферийные) устройства: принтер, джойстик, сканер, музыкальная приставка, модем, плоттер, дигитайзер, цифровая фотокамера, световое перо, графический планшет и т. д.

Системный блок

Системный блок ПК содержит корпус, в котором расположены:

источник питания;
материнская (системная, или основная) плата (поз.1) с центральным процессором (поз. 2) и оперативной памятью (поз. 3);
платы расширения (видеокарту, звуковую карту);
различные накопители (жесткий диск (винчестер /поз.3/), дисководы, приводы CD-ROM);
дополнительные устройства.

Системный блок имеет несколько параллельных и последовательных портов, которые используются для подключения устройств ввода и вывода, таких как клавиатура, мышь, монитор, принтер. В некоторых моделях домашних ПК системный блок с монитором собраны в едином корпусе (Apple Mac, Acer Aspire, Compaq Presario).

Процессор (CPU) (или микропроцессор) — это микросхема, которая производит все операции компьютера и осуществляет управление всеми системами и элементами компьютера. Главная задача процессора - получение команд от программы и их обработка (выполнение).

Быстродействие процессора в управлении информацией — главный фактор, лежащий в основе эффективной работы большинства профессиональных графических программ.

Одной из главных характеристик процессора является тактовая частота (в обиходе тактовую частоту иногда называют скоростью процессора и компьютера).

Тактовая частота — это количество операций, которые процессор может выполнить в секунду. Например, процессор с тактовой частотой 40 МГц выполняет 40 миллионов операций в секунду и соответственно с частотой 300 МГц — 300 миллионов операций в секунду.

Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц). Pentium III и Pentium IV способны поддерживать частоту до 2,4 ГГц.

Оперативная память (RAM, ОЗУ – оперативное запоминающее устройство) служит для того, чтобы хранить всю информацию, поступающую в компьютер, во время его работы. Любая программа сначала «загружается» в оперативную память. В памяти хранятся все данные и результаты вычислений.

Качество ОЗУ оценивается тремя параметрами:

тип памяти;
время доступа;
объем.

Объем памяти измеряется в мегабайтах – Мбайт.

ОЗУ не ускоряет работу самого компьютера - оно позволяет ПО избегать постоянного обращения к более медленному жесткому диску. Если ПК не хватает оперативной памятми, то он начинает использовать в качестве ОЗУ более медленное устройство — жесткий диск.

Все изменения, внесенные Вами в графический файл, находятся в оперативной памяти. При выключении компьютера эти изменения теряются, поэтому необходимо периодически файл сохранять на ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), т.е. жесткий диск.

Жесткий диск (или винчестер) представляет внешнюю память большого объема и предназначен для долговременного хранения информации, объединяет в одном корпусе сам носитель информации и устройство записи.

Основные параметры жесткого диска:

скорость вращения (IDE - 5200-7200 об/мин, SCSI - 5200-10 000 об/мин);
объем в гигабайтах — Гбайт (современный стандарт — 8-40 Гбайт).

Поскольку в случае недостатка оперативной памяти (ОЗУ) графические пакеты обращаются к жесткому диску, то быстродействие и емкость жесткого диска могут оказаться решающими факторами для обеспечения высокой производительности системы. Для работы с графикой желательно иметь компьютер с высокопроизводительным быстродействующим винчестером.

Современные компьютеры построены с использованием принципа открытой (модульной) архитектуры. Такая структура позволяет легко менять их конфигурацию, модернизировать устаревшие блоки и узлы, наращивать системные ресурсы и производить ремонт путем замены отдельных функциональных элементов. Постепенное наращивание мощности и модернизация ПК на компьютерном сленге называется апгрейдом (upgrade).

2. Устройства вывода графических данных

Монитор

Монитор предназначен для вывода на экран текстовой и графической информации.

Основные параметры монитора:

Тип экрана:
электронно-лучевая трубка или ЭЛТ;
жидкокристаллический дисплей (ЖКД);
плазменный дисплей.
Разрешение;
Размер по диагонали (обычно от 14' до 21').
Цветность (цветные или монохромные).
Размер зерна (обычно от 0,24 до 0,31 мм).
Частота регенерации экрана (обычно от 50 до 100 Гц).
Видеосигнал (цифровой или аналоговый).
Прочие характеристики (функции управления растром, система энергосбережения, защита от излучения, вес, габариты, потребляемая мощность).

Разрешение выражается в количестве точек (пикселов) по горизонтали и по вертикали отображаемого изображения. Например, если говорят, что монитор имеет разрешение 640 х 480 — это означает, что на экране можно целиком разместить изображение, состоящее из 640 х 480 = 307 200 точек.

Разрешения зависит от:

размера по диагонали;
размера точки самого монитора;
характеристики видеокарты;
объема доступной видеопамяти (которая ограничивает число отображаемых цветов).

Чем больше разрешение, тем больше информации умещается на экране.

Частота регенерации экрана. Определяет частоту обновления (перерисовывания) изображения на экране. Измеряется в Гц (Герцах, Hz).

Если частота больше 70 Гц, то зрение не различает мерцание экрана (т.к. зрение имеет инерцию: т.е. возбуждение и затухание зрительных раздражителей происходит через некоторое время).

Мерцание приводит к утомлению глаз, головным болям и к ухудшению зрения. Минимально безопасной частотой кадров считается 75 Гц.

Два способа регенерации изображения на экране монитора.

Чересстрочная развертка. Монитор регенерирует изображение на экране за два прохода электронного луча. Первый проход воспроизводит нечетные строки, а второй — четные.
Построчная развертка. Монитор воспроизводит полное изображение на экране за один проход электронного луча. При этом изображение на экране воспроизводится быстрее и без мерцания, имеет более резкие и четкие очертания. Все мониторы высокого качества работают в режимах с построчной разверткой. Мониторы, режимы с чересстрочной разверткой, ни одной из ведущих фирм-производителей не выпускаются.

Аналоговые мониторы

Принцип работы электронно-лучевой трубки в данных мониторах такой же, как у телевизионной трубки. Аналоговые мониторы способны поддерживать разрешение стандарта VGA (640 х 480 пикселов) и выше.

Жидкокристаллические дисплеи

Экран жидкокристаллического дисплея (ЖКД) состоит из двух стеклянных пластин, между которыми находится масса, содержащая жидкие кристаллы. Кристаллы изменяют свои оптические свойства в зависимости от прилагаемого электрического заряда. Жидкие кристаллы сами не светятся, поэтому ЖКД нуждаются в подсветке или во внешнем освещении.

Достоинством ЖКД являются их габариты (экран плоский, толщиной 5-6 см).

Недостатком является низкое быстродействие при изменении изображения на экране, что особенно заметно при перемещении курсора мыши, а также зависимость резкости и яркости изображения от угла зрения.

Газоплазменные мониторы

Газоплазменные мониторы состоят из двух пластин, между которыми находится газовая смесь, светящаяся под воздействием электрических импульсов. Такие мониторы не имеют недостатков, присущих ЖКД, однако их нельзя использовать в переносных компьютерах с аккумуляторным и батарейным питанием, так как они потребляют большой ток.

Принтеры

Принтер (printer), или печатающее устройство, предназначен для вывода информации на бумагу (текста и изображений). В настоящее время известно несколько тысяч моделей принтеров, которые могут быть разделены на четыре основных типа:

матричные;
струйные;
лазерные;
светодиодные.

Матричные принтеры

Принцип действия: знаки формируются иголками, расположенными в головке принтера. Бумага втягивается с помощью вала, а между бумагой и головкой принтера располагается красящая лента. При ударе иголки по этой ленте на бумаге остается закрашенная точка. Иголки, расположенные внутри головки, активизируются электромагнитным методом. Головка движется по горизонтальной направляющей.

Производительность оценивают по количеству печатаемых знаков в секунду (cps — characters per second).

Достоинства:

способность работать с любой бумагой;
низкая стоимость печати.

Недостатки:

низкое качество графической печатной продукции;
низкая производительность;
шум при работе механического устройства.

Струйные принтеры

Принцип действия: изображение формируется микроскопическими каплями специальных чернил, вылетающих на бумагу через маленькие отверстия. В качестве элементов, выталкивающих струи чернил, используются пьезокристаллы, которые расширяются под действием электричества. В некоторых моделях для быстрого высыхания чернил применяется подогрев бумаги.

Разрешение составляет от 300 dpi. и выше.

Достоинства:

по сравнению с матричными принтерами обеспечивает лучшее качество печати и более высокую производительность;
позволяют осуществлять цветную печать.

Недостатки:

большая стоимость расходных материалов (стоимость отпечатка выше по сравнению с матричным принтером);
возможность засыхания чернил внутри сопла, что приводит к необходимости замены печатающей головки.

Лазерные и светодиодные принтеры

Принцип действия. Для печати используется лазерный луч, управляемый компьютером. Луч при помощи поворотного зеркала направляется в то место валика, где должно быть изображение. Валик, покрытый полупроводниковым веществом, электризуется от попадания лазерного света. К наэлектризованным местам «прилипают» мельчайшие частицы сухой краски, которая находится в контейнере под валиком. После этого валик прокатывается по листу бумаги и краска переходит на бумагу. Для закрепления на бумаге красящего порошка ее пропускают через нагревательный элемент, что приводит к спеканию краски.

В светодиодных принтерах вместо лазера имеется полоса, состоящая из большого количества светодиодов, свет которых электризует полупроводниковый барабан. Все остальное происходит так же, как в лазерном принтере. Светодиоды — это полупроводниковые элементы, которые излучают свет при подаче на них напряжения.

Достоинство: лазерные принтеры обеспечивают в настоящее время наилучшее качество и производительность печати.

Основные параметры принтеров:

разрешающая способность - dpi (dots per inch —количество точек на дюйм);
производительность: количество страниц в минуту. Печать сложных графических изображений занимает больше времени;
формат используемой бумаги: А4, A3;
объем собственной оперативной памяти: минимальный объем памяти лазерного принтера не менее 1 Мбайт. Наиболее часто используется память от 2 до 4 Мбайт. Цветные принтеры требуют для работы еще большей памяти. Память лазерного принтера может быть увеличена путем установки специальных модулей.

Имиджсеттеры

Это фотонаборные машины с цифровым формированием изображения. Производят вывод на печать с высоким разрешением — от 1000 до 3000 точек на дюйм (dpi).

Для цветного вывода имиджсеттеры создают четыре пленочных негатива, каждый из которых передает свой цвет (C+M+Y+K). Контрольные оттиски могут быть выведены с негативов (т.н. оригинал-макет), полученные при этом цвета должны полностью соответствовать тем, что выйдут из типографии в конечном варианте.

Плоттер (plotter), или графопостроитель, — это устройство для вывода различных чертежей, географических карт, плакатов и других изображений на бумагу большого формата. Плоттеры бывают монохромными и цветными. По технологии нанесения изображения плоттеры делятся на перьевые и струйные.

Большинство плоттеров имеют пишущий узел перьевого типа (pen-plotter). Они используют специальные фломастеры или ручки с возможностью их автоматической замены.

На базе перьевых плоттеров было создано еще одно периферийное устройство — cutter, в котором пишущий узел заменен на режущий инструмент. Такое устройство использует специальную полимерную пленку или бумагу на самоклеющейся основе и применяется для создания рекламно-информационной продукции (ярлыки, наклейки и т. п.).

3. Устройства ввода графических данных

Сканеры.
Графические планшеты.
Цифровые фотоаппараты.

Сканеры

Сканер (scaner) — устройство для копирования графической и текстовой информации и ввода ее в компьютер.

ПК, сканер, как и принтер вместе образуют настольную издательскую систему.

Основными элементами сканера являются:

полупроводниковый лазер и
полупроводниковый фотоприемник - массив фоточувствительных кремниевых ячеек (приборов с зарядовой связью, ПЗС).

Принцип действия. При движении по тексту или изображению лазерный луч проходит по листу, отражается на светочувствительный полупроводниковый фотоприемник. Фотоэлемент преобразует световой сигнал в электрический, который затем передается в компьютер. В компьютере сигнал преобразуется в цифровую форму, в которой содержится информация о координатах и цвете каждого пиксела изображения.

Цветное изображение создается при сканировании путем смешения трех цветов: красного, зеленого и синего. Технически это реализуется одним из двух способов:

в процессе сканирования цветной оригинал освещается белым цветом, а отраженный свет попадает на ПЗС-матрицу через систему специальных фильтров разлагающих его на три компонента: красный, зеленый, синий, каждый из которых улавливается своим набором фотоэлементов;
цветной оригинал освещается не белым светом, а последовательно красным, зеленым и синим. Полученная таким образом информация предварительно обрабатывается и передается в компьютер.

Персональные сканеры бывают трех типов:

ручные;
планшетные;
барабанные.

Планшетные сканеры предназначены для ввода графической информации с прозрачного или непрозрачного листового материала. Элементы ПЗС конструктивно оформляют в виде линейки, располагаемой по ширине исходного материала.

Под крышку такого сканера «лицом» на стекло закладывается листовой материал (книга, журнал и т.п). Этим планшетные сканеры напоминают копировальные аппараты.

Основные эксплуатационные параметры планшетных сканеров:

Разрешающая способность – зависит:

от точности механического позиционирования линейки при сканировании;
от плотности размещения ячеек ПЗС на линейке.

Типичный показатель для офисного применения — 600-1200 dpi (dpi — dots per inch — количество точек на дюйм). Для профессионального применения характерны показатели 1200-3000 dpi.

Производительность сканера характеризуется продолжительностью сканирования листа бумаги стандартного формата и зависит от совершенства механической части устройства
Динамический диапазон определяется логарифмом отношения яркости наиболее светлых участков изображения к яркости наиболее темных участков. Типовой показатель для сканеров офисного применения составляет 1,8-2,0, а для сканеров профессионального применения — от 2,5 (для непрозрачных материалов) до 3,5 (для прозрачных материалов).
Максимальный размер сканируемого материала.

Ручные сканеры. Ширина полосы сканирования обычно не превышает 105 мм, стандартное разрешение 300-400 dpi. Недостатки ручного сканера:

зависимость качества сканирования от навыков пользователя;
невозможность сканирования больших изображений целиком.

Барабанные сканеры. Исходный материал закрепляется на цилиндрической поверхности барабана, вращающегося с высокой скоростью. Разрешение таких устройств: в диапазоне 2400-5000 dpi. Это связано с использованием в них в качестве чувствительных элементов фотоэлектронных умножителей (ФЭУ вместо ПЗС). В настоящее время барабанные сканеры используются только в типографском производстве.

Сканирование слайдов (слайд-адаптер)

Существуют специальные сканеры для оцифровки слайдов и негативов. Основными производителями таких устройств являются компании Nicon и Palaroid. Слайдовые сканеры намного дороже планшетных или ручных. Поэтому их применение оправдано только при необходимости получения большого количества снимков.

Графические планшеты

Графический планшет (дигитайзер) преобразовывает движение руки оператора в формат векторной графики.

Основные характеристики планшетов:

Размер планшета - основная характеристика дигитайзера. Цифры, указанные в каталогах, например 6 х 9" (15 х 23 см), означают площадь активного участка для рисования, а не общую площадь.

планшет средних размеров — 6 х 8 или 6 х 9" (15 х 21 или 15 х 23 см соответственно). Такие модели весят от 680 г, помещаются даже в обыкновенную папку для бумаг и, таким образом, могут считаться портативными.
большие планшеты - с активной площадью 12 х 12" (30 х 30 см) и более.

Скорость оцифровки (скорость обработки данных, или скорость преобразования планшета) измеряется в пиксел/с — pps. Если этот показатель больше 100, линии на экране будут получаться гладкими и ровными вне зависимости от быстроты движения вашей руки. Планшеты большинства фирм имеют скорость оцифровки порядка 200 pps.
Сила нажима определяет пределы чувствительности головки пера. Сейчас изготовители предлагают 256-1024 уровней нажима. Однако эта величина избыточна, поскольку на практике трудно различить больше 64 уровней.
Разрешение характеризует минимальное изменение, которое может зарегистрировать координатно-указательное устройство. На качестве изображения это отражается следующим образом: при рисовании мышкой после нескольких увеличений изображения линии становятся толстыми и корявыми. Это объясняется тем, что разрешение у мыши около 200 dpi. Для очень качественного рисования более чем достаточно разрешения порядка 1000 dpi большинство производителей предлагают планшеты в 2540 dpi.

Одним из ведущих производителей графических планшетов является фирма Wacom, выпускающая семейство моделей Wacom Intuos.

Достоинства:

удобное средство для создания изображения графическим пером (в отличие от рисования мышью);
противоположный конец пера выполняет функцию ластика;
точная оцифровка изображения позволяет регулировать толщину линии, размер мазка, концентрацию цвета в зависимости от силы нажатия на перо;
возможность ввода рукописного текста;
поддерживается большинством графических редакторов и средствами проектирования, т.е. отпадает необходимость создания специализированного программного обеспечения.

Недостатки:

для широкого круга покупателей планшеты имеют маленькое рабочее пространство (от 7,5 х10 до 30 х 30 см.);
проводное подключение пера или мыши, что создает неудобства при рисовании.

Цифровые фотоаппараты.

Цифровая фотокамера – тип устройства оцифровывания графики и ввода изображения в ПК.

Принцип действия цифровой камеры: свет, проходит через объектив и проецируется на полупроводниковую светочувствительную матрицу из ПЗС-ячеек, которые выполняют оцифровку изображения.

Класс гибридных камер, представляет собой взятые за основу известные пленочные прототипы с матрицей на задней крышке фотоаппарата. Это приставки фирмы Сodak к камерам Nikon и Canon. Такие камеры имеют разрешение 1500 х 1200 пикселов и стоят $4500-15 000.

Цифровая камера имеет жидкокристаллический дисплей, на котором можно посмотреть снимки и использовать его в качестве видоискателя.

Цифровые фотоаппараты имеют встроенную память:

20 или 40 Мбайт у камеры Polaroid PDC-2000);
обычные съемные дискеты (1,44 Мбайт);
карты емкостью 2, 4, 8, 10 Мбайт и т. д.

Чем больше память, тем большее количество кадров можно снять и сохранить «без перезарядки» (то есть без передачи изображений из камеры в компьютер). Снимки из памяти также можно удалять.

Классификация цифровых камер:

Класс	Разрешение	Хорошее качество при размере фотографии
Экономичные	480 х 640	до 4 х 5 см.
Любительские	600 х 800	до 5 х 7 см.
Полупрофессиональные	1280 х 960	до 10 х 15 см.
Профессиональные	1500 х 1200	до 15 х 20 см.

Выводы:

Современный ПК для графических работ должен отвечать системным требованиям, предъявляемым компаниями, производящими программное обеспечение для КГ.

Минимальные системные требования к компьютеру художника-дизайнера:

для Adobe Photoshop 6 аппаратные требования следующие: Windows 98/2000/ Me/NT 4, Pentium 133, 64Мбайт ОЗУ (128Мбайт для одновременного использования Photoshop 6.0 и ImageReady 3.0).
для CorelDRAW 10 системные требования таковы: Windows 95/ 98/2000/ Me/ NT 4, Pentium 200, 64 Мбайт RAM (128 Мбайт рекомендуется), 160 Мбайт свободного дискового пространства для инсталляции программы, фильтров, шрифтов и файлов помощи, 2-скоростной CD-ROM, монитор SVGA.
видеопамять не менее 16 Мбайт;
объем винчестера 15-30 Гбайт и более;
монитор:
с разрешением не ниже 1280 х 1024 точек на дюйм,
частота 85 Гц;
не менее 17 дюймов по диагонали.

Производители программ для работы с цифровыми изображениями (например, Adobe Photoshop) рекомендуют иметь в 3-5 раз больше свободной оперативной памяти, чем занимает графический файл.

ХПИ

АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ