1.4. Представление данных
Эта процедура связана с использованием различных устройств вывода компьютера, которые позволяют представить результаты обработки в форме, наиболее удобной для пользователя. В зависимости от вида сигнала-носителя данных различают устройства вывода на бумажный и электронный носитель.
1.4.1. Устройства вывода на электронный носитель
Это мониторы, или дисплеи. В соответствии с технологиями работы мониторов наиболее распространенными являются следующие: использующие электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), жидкокристаллические, плазменные.
1.4.1.1. Мониторы, использующие ЭЛТ
Часть современных настольных компьютеров использует мониторы на базе ЭЛТ. По принципу действия подобные мониторы мало чем отличаются от обычного телевизора: испускаемый электродом (электронной пушкой) пучок электронов, попадая на экран, покрытый люминофором, вызывает его свечение. Заметим, что любое текстовое или графическое изображение на экране монитора компьютера (как, впрочем, и телевизора) состоит из множества дискретных точек люминофора - пикселей. Поэтому такие дисплеи называют еще растровыми. В случае цветного монитора имеются три электронных пушки с отдельными схемами управления, а на поверхность экрана нанесен люминофор трех основных цветов: R (Red, красный), G (Green, зеленый), В (Blue, синий). Каждый цвет представлен на поверхности экрана зерном, причем они расположены так, что образуют вершины равностороннего треугольника, как показано на рис. 1.25.
Рис. 1.25. Схема размещения цветовых зерен на экране монитора
Эти цвета называются обычно первичными, поскольку путем сложения соответствующего их количества можно получить любой другой цвет. Такая модель цветообразования называется аддитивной (addition - сложение), или RGB. Яркость конкретного цвета определяется интенсивностью падающего на ту или иную точку луча. Для коррекции пучков электронов (чтобы они попадали на нужную каплю люминофора) используется теневая маска. Поскольку электронные пушки находятся на расстоянии друг от друга, углы падения пучков электронов немного различаются, что дало возможность создать теневую маску таким образом, что нужный луч попадает на нужную каплю люминофора, а два остальных луча закрыты маской, т.е. капля находится «в тени».
Каждый пиксель имеет координаты на плоскости экрана монитора, которые используются для генерации изображения в этой точке.
1.4.1.2. Жидкокристаллические мониторы
Работают в режиме пропускания или отражения света. Состоят из множества пропускающих или отражающих ячеек, схемы которых показаны на рис. 1.26 и 1.27.
Рис. 1.26. Схема пропускающей ячейки Рис. 1.27. Схема отражающей ячейки
Управление ячейками ведется по принципу «включено – выключено» токами малой энергии, что исключает электромагнитные излучения, присущие ЭЛТ. При подаче напряжения на электроды кристалл становится непрозрачным и, в случае пропускающей технологии, не пропускает луч, а в случае отражающей технологии – не отражает луч.
Каждая ячейка – это пиксель, имеющий координаты, используемые для генерации изображения.
Для получения цветного изображения в стеклянной пластине интегрировано три цветных фильтра – красный, зеленый, синий, каждый из которых управляется с помощью прозрачного электрода. Для получения нужного цвета подается напряжение на нужные фильтры.
1.4.1.3. Плазменные мониторы
Схема плазменной панели представлена на рис. 1.28.
Рис. 1.28. Схема плазменной панели
Проводники (отдельно – горизонтальные и вертикальные) нанесены на две стеклянные пластины. Пространство между пластинами заполнено инертным газом, который начинает светиться, как только к проводникам прикладывается напряжение, превышающее некоторое пороговое значение. Для локализации свечения между пластинами помещается третья с круглыми отверстиями.
Пиксель – это воображаемая точка, полученная на пересечении проводников на двух пластинах. Номера проводников есть координаты этой точки, которые используются для генерации в ней изображения.
1.4.2. Устройства вывода на бумажный носитель
Эти устройства разделяются на принтеры и плоттеры (или графопостроители). Считается, что принтеры предназначены в основном для вывода текста (хотя могут выводить и графические изображения), а плоттеры – для вывода графики (хотя могут выводить и тексты). Фасетная классификация данных устройств приведена в табл. 1.5.
Механические устройства вывода используют механические принципы действия. На современном уровне развития информатики к ним относятся струйные устройства вывода. Немеханические используют в качестве принципа работы физико-химические процессы, возникающие в специальных носителях при воздействии различных источников энергии (светового потока, магнитного поля, электростатического напряжения, лазерного луча). Основными их типами являются: электрографические, магнито- (или ферро-) графические, электростатические, термические.
Таблица 1.5
Классификация устройств вывода на бумажный носитель
Способ регистрации изображений при выводе
|
Рабочий формат
|
Внутреннее представление выводимой информации
|
Механические
|
Малоформатные
|
Векторные
|
Немеханические
|
Среднеформатные
|
Растровые
|
Крупноформатные
|
В соответствии с рабочим форматом различают три типа устройств вывода, имеющих следующие форматы, соответственно типам из табл. 1.5: А4 и А3; А2 и А1; больше А0.
Векторные устройства вывода используют представление выводимых данных как набор векторов. Например, выводимое изображение – цифра 1, шаблон для которой представлен на рис. 1.29. В случае векторного представления данных это изображение задается набором векторов в системе координат XxY, т.е. множеством {(xi, yi)}. В нашем случае i={1,2,…,15}, поскольку символ представлен пятнадцатью точками (на рис. 1.29 этим точкам соответствуют единицы).
Растровые устройства вывода используют представление изображения в виде растровой матрицы (рис. 1.29), которая сканируется строка за строкой при выводе. Таким образом, изображение формируется из точек строго последовательно. По такому принципу работают немеханические устройства вывода.
а) б)
Рис. 1.29. Растровое - а) и векторное – б) представление цифры 1
1.4.2.1. Технология формирования цвета
Устройства вывода на бумажный носитель работают с другими первичными цветами, нежели мониторы, и используют соответственно иную модель цветообразования - субтрактивную (subtraction - вычитание). Это может создавать большие проблемы при выводе информации с экрана на устройство вывода, поскольку не всегда достигается полное соответствие цветов. Для решения задачи обычно служит специальное ПО.
Первичными цветами для цветных принтеров являются зелено-голубой (Cyan), светло-красный (Magenta) и желтый (Yellow). Наложение двух из этих первичных цветов дает красный, зеленый или голубой цвет. Смешение всех трех первичных цветов субтрактивной модели дает черный цвет. В некоторых устройствах вывода для получения истинно черного цвета используется отдельный черный краситель (blacK), поэтому данная модель цветообразования называется также CMY или CMYK.
Модели цветообразования для мониторов и устройств вывода на бумажный носитель различаются по следующим причинам. Человеческие глаза являются сложной оптической системой, которая воспринимает излучаемый или уже отраженный от освещаемых предметов свет. Цвет, в свою очередь, определяется длиной волны электромагнитного излучения, определенный частотный спектр которого и представляет видимый свет. Таким образом, нанесенные на экран точки люминофора воспринимаются именно того цвета, какой они и излучают. Краситель же, нанесенный на бумагу, напротив, действует как фильтр, поглощая (вычитая!) одни и отражая другие длины электромагнитных волн. Напомним также, что насыщенность цвета (розовый, красный, пурпурный) зависит от количества белого цвета. Таким образом, промежуточные цвета при выводе изображения, например, розового, получаются, как правило, путем пропуска (не печати) нескольких точек.
Собственно, это обычный подход, связанный с растрированием изображения. Оттенки соответствующего цвета получаются путем группировки нескольких точек изображения в псевдопиксели размером 2х2, ЗхЗ и более точек. Отношение количества цветных точек к белым и определяет уровень насыщенности цвета.
1.4.2.2. Струйная технология
Струйная технология является на сегодняшний день самой распространенной для реализации цветных устройств вывода. Упрощенная схема струйного устройства вывода представлена на рис. 1.30.
В эмиттере под давлением из сопла поступают чернила. Ускоряющий блок электризует и ускоряет капельный поток, при этом каждой из капель сообщается определенный электрический заряд. В блоке управления изменяется траектория полета капель с помощью отклоняющих пластин, а также выполняется включение и отключение струи. Блок синхронизации синхронизует работу остальных устройств.
Рис. 1.30. Упрощенная схема струйного устройства вывода
Струйные устройства вывода подразделяются на устройства непрерывного и дискретного действия. Последние, в свою очередь, делятся на две категории: с нагреванием чернил («пузырьковая» технология) и основанные на действии пьезоэффекта.
В простейшем случае принцип действия устройства по технологии непрерывного действия основан на том, что струя чернил, постоянно испускаемая из сопла печатающей головки, направляется либо на бумагу (для нанесения изображения), либо в специальный приемник, откуда чернила снова попадают в общий резервуар. В рабочую камеру чернила подаются микронасосом, а элементом, задающим их движение, является, как правило, пьезодатчик. Данный принцип действия использует сегодня очень небольшое количество устройств вывода.
При реализации дискретного метода с нагреванием чернил в каждом сопле печатающей головки находится маленький нагревательный элемент (например, тонкопленочный резистор). При пропускании тока через тонкопленочный резистор последний за несколько микросекунд нагревается до температуры около 500 градусов и отдает выделяемое тепло непосредственно окружающим его чернилам. При резком нагревании образуется чернильный паровой пузырь, который старается вытолкнуть через выходное отверстие сопла каплю жидких чернил. Поскольку при отключении тока тонкопленочный резистор также быстро остывает, паровой пузырь, уменьшаясь в размерах, «подсасывает» через входное отверстие сопла новую порцию чернил, которые занимают место «выстреленной» капли. Схема термоструйной головки показана на рис. 1.31.
Рис. 1.31. Схема термоструйной головки
Второй метод для управления соплом при дискретной технологии основан на действии диафрагмы, соединенной с пьезоэлектрическим элементом. Пьезоэффект заключается в деформации пьезокристалла под воздействием электрического поля. Изменение размеров пьезоэлемента, расположенного сбоку выходного отверстия сопла и связанного с диафрагмой, приводит к выбрасыванию капли и приливу через входное отверстие новой порции чернил.
Сопла (канальные отверстия) на печатающей головке струйных устройств вывода, через которые разбрызгиваются чернила, соответствуют «ударным» иглам матричных принтеров. Поскольку размер каждого сопла существенно меньше диаметра иглы (тоньше человеческого волоса), а количество сопел может быть больше, то получаемое изображение теоретически должно быть в этом случае четче. К сожалению, на практике это достигается только применением специальных чернил.
1.4.2.3. Электрографическая технология
Примером устройства вывода, использующего электрографическую технологию, является лазерный принтер (плоттер). Схема лазерного принтера приведена на рис. 1.32.
1 – источник лазерного луча, включающийся и выключающийся управляющим микропроцессором;
2 – шестигранное зеркало, разворачивающее луч в строку;
3 – отражающее зеркало;
4 – печатающий барабан;
5 – валик, подающий из специального контейнера красящий материал (тонер) на барабан;
6 – очиститель валика от тонера;
7 – узел фиксации изображения.
Рис. 1.32. Схема лазерного устройства вывода
Наиболее важными частями лазерного принтера можно считать фотопроводящий барабан (4), полупроводниковый лазер (1) и прецизионную оптико-механическую систему, перемещающую луч (2). Лазер формирует электронное изображение на светочувствительном фотоприемном покрытии барабана последовательно для каждого цвета тонера (CMYK). Перед приемом строки изображения барабан заряжается с помощью облегающей его сетки (на рисунке не показана), которая под напряжением вызывает возникновение ионизированной области вокруг барабана, которая его и заряжает. Попадающий на барабан луч разряжает некоторые участки. После формирования строки изображения шаговый двигатель поворачивает барабан для формирования следующей строки. Когда изображение на фоточувствительном слое полностью построено, подаваемый лист заряжается таким образом, чтобы тонер из устройства 5 попадал на барабан, а затем с барабана притягивался к бумаге. После этого изображение закрепляется на ней за счет нагрева частиц тонера до температуры плавления (это осуществляется в блоке 7): тонер содержит легко плавящееся вещество (полимер или смолу); при нагревании и повышении давления порошок плавится и соединяется с бумагой. Окончательную фиксацию изображения осуществляют специальные валики, прижимающие расплавленный тонер к бумаге (не показаны).
|
