Графические форматы. Аппаратное обеспечение компьютерной графики

Формат графического файла — способ представления и расположения графических данных на внешнем носителе.

В условиях отсутствия стандартов каждый разработчик изобретал новый формат для собственных приложений. Поэтому возникали большие проблемы обмена данными между различными программами (текстовыми процессорами, издательскими системами, пакетами иллюстративной графики, программами САПР и др.). Но с начала 80-х гг. официальные группы по стандартам начали создавать общие форматы для различных приложений. Единого формата, пригодного для всех приложений, нет и быть не может, но всё же некоторые форматы стали стандартными для целого ряда предметных областей.

Пользователю графической программы не требуется знать, как именно в том или ином формате хранится информация о графических данных. Однако умение разбираться в особенностях форматов имеет большое значение для эффективного хранения изображений и организации обмена данными между различными приложениями.

Важно различать растровые и векторные форматы. Графические форматы различаются по виду хранимых данных (растровая, векторная и смешанная формы), по допустимому объему данных, параметрам изображения, хранению палитры, методике сжатия данных, по способам организации файла (текстовый, двоичный), структуре файла (с последовательной или ссылочной - индексно-последовательной - структурой) и т.д.

Растровый файл состоит из точек, число которых определяется разрешением, измеряемым обычно в точках на дюйм (dpi) или на сантиметр (dpc). Очень важным фактором, влияющим, с одной стороны, на качество вывода изображения, а с другой - на размер файла, является глубина цвета, т.е. число разрядов, отводимых для хранения информации о трех составляющих (если это цветная картинка) или одной составляющей (для полутонового не цветного изображения). Например, при использовании модели RGB глубина 24 разряда на точку означает, что на каждый цвет (красный, синий, зеленый) отводится по 8 разрядов и поэтому в таком файле может храниться информация о 2²⁴ = 16,777,216 цветах. Обычно в этом случае говорят о 16 млн. цветов. Очевидно, что даже файлы с низким разрешением содержат в себе тысячи или десятки тысяч точек. Так, растровая картинка размером 1024х768 точек и с 256 цветами занимает 768 Кбайт. Для уменьшения объемов файлов разработаны специальные алгоритмы сжатия графической информации. Именно они и являются основной причиной существования графических форматов.

Векторный способ записи графических данных применяется в системах автоматического проектирования (CAD) и в графических пакетах. В этом случае изображение состоит из простейших элементов (линия, ломаная, кривая Безье, эллипс, прямоугольник и т.д.), для каждого из которых определен ряд атрибутов (например, для замкнутого многоугольника - координаты угловых точек, толщина и цвет контурной линии, тип и цвета заливки и т.д.). Записывается также место объектов на странице и расположение их друг относительно друга (какой из них "лежит" выше, а какой ниже). Векторный формат является доказательством идеи древнегреческих математиков о том, что любую существующую в природе форму можно описать, используя геометрические примитивы и компас.

У каждого метода есть свои преимущества. Растровый позволяет передавать тонкие, едва уловимые детали образов, векторный же лучше всего применять, если оригинал имеет отчетливые геометрические очертания. Векторные файлы меньше по объему, зато растровые быстрее вырисовываются на экране дисплея, так как для вывода векторного изображения процессору необходимо произвести множество математических операций. С другой стороны, векторные файлы гораздо проще редактировать.

Существует множество программ-трансляторов, переводящих данные из векторного в растровый формат. Как правило, такая задача решается довольно просто, чего нельзя сказать об обратной операции - преобразовании растрового файла в векторный и даже о переводе одного векторного файла в другой. Векторные алгоритмы записи используют уникальные для каждой фирмы-поставщика математические модели, описывающие элементы изображения.

Ниже описан ряд наиболее распространенных растровых графических форматов.

1. PCX - Простейший растровый формат. Первоначально этот формат использовался в программе PaintBrush фирмы Zsoft, однако впоследствии получил широкое распространение среди пакетов редактирования растровых изображений, хотя до сих пор не признан в качестве официального стандарта. К сожалению, в процессе своей эволюции PCX претерпел настолько значительные изменения, что современная версия формата, поддерживающая 24-разрядный цветовой режим, не может использоваться старыми программами. С самого "рождения" формат PCX был ориентирован на существующие видеоадаптеры (сначала EGA, потом VGA) и поэтому является аппаратно-зависимым. В PCX используется схема сжатия данных RLE, позволяющая уменьшать размер файла, например, на 40-70%, если используется 16 и менее цветов, и на 10-30% для 256-цветных изображений.

2. BMP - (Windows Bitmap) разрабатывался фирмой Microsoft как совместимый со всеми приложениями Windows. В формате BMP можно сохранять черно-белые, серые полутоновые, индексные цветные и цветные изображения системы RGB (но не двухцветные или цветные изображения системы CMYK). Недостаток этих графических форматов: большой объем. Следствие - малая пригодность для Internet-публикаций.

3. GIF - поддерживает до 256 цветов, позволяет задавать один из цветов как прозрачный, дает возможность сохранения с чередованием строк (при просмотре сначала выводится каждая 8-я, затем каждая 4-я и т.д. Это позволяет судить об изображении до его полной загрузки). Способен содержать несколько кадров в одном файле с последующей последовательной демонстрацией (т.н. "анимированный GIF"). Уменьшение размера файла достигается удалением из описания палитры неиспользуемых цветов и построчного сжатия данных (записывается количество точек повторяющегося по горизонтали цвета, а не каждая точка с указанием ее цвета). Такой алгоритм дает лучшие результаты для изображений с протяженными по горизонтали однотонными объектами. Для сжатия файла используется высокоэффективный алгоритм Лемпела - Зива - Велча (LZW)

4. TIFF (target image file format) - был разработан специально для использования в приложениях, связанных с компоновкой страницы и направлен на преодоление трудностей, которые возникают при переносе графических файлов с IBM-совместимых компьютеров на Macintosh и обратно. Он поддерживается всеми основными графическими пакетами и пакетами редактирования изображений и читается на многих платформах. Использует сжатие изображения (LZW). Формат TIFF очень удобен, но за это приходится расплачиваться огромными размерами получаемых файлов (например, файл формата А4 в цветовой модели CMYK с разрешением 300 dpi, обычно применяемым для высококачественной печати, имеет размер около 40 Мбайт). Кроме того, существует несколько "диалектов" формата, которые не каждая программа, поддерживающая TIFF, легко "понимает".

5. JPEG - миллионы цветов и оттенков, палитра не настраиваемая, предназначен для представления сложных фотоизображений. Разновидность progressive JPEG позволяет сохранять изображения с выводом за указанное количество шагов (от 3 до 5 в Photoshop'e) - сначала с маленьким разрешением (плохим качеством), на следующих этапах первичное изображение перерисовывается все более качественной картинкой. Анимация или прозрачный цвет форматом не поддерживаются. Уменьшение размера файла достигается сложным математическим алгоритмом удаления информации - чем заказываемое качество ниже, тем коэффициент сжатия больше, файл меньше. Главное, подобрать максимальное сжатие при минимальной потере качества. Последний идентифицирует и отбрасывает данные, которые человеческий глаз не в состоянии увидеть (незначительные изменения в цвете не различаются человеком, тогда как улавливается даже малейшая разница в интенсивности, поэтому JPEG меньше подходит для обработки черно-белых полутоновых изображений), что приводит к существенному уменьшению размера файла. Таким образом, в отличие от метода сжатия LZW или RLE в результате применения технологии JPEG данные теряются навсегда. Так, файл, однажды записанный в формате JPEG, а затем переведенный, скажем, в TIFF, уже не будет тем же, что и оригинал. Наиболее подходящий формат для размещения в Интернете полноцветных изображений. Вероятно, до появления мощных алгоритмов сжатия изображения без потери качества останется ведущим форматом для представления фотографий в Web.

6. PNG - пока малораспространен из-за слабой рекламы, создавался специально для Интернета как замена первых двух форматов и благодаря патентной политике Compuserve постепенно вытесняет GIF (см. выше). Позволяет выбирать палитру сохранения - серые полутона, 256 цветов, true color ("истинные цвета"). В зависимости от свойств изображения действительно иногда предпочтительнее GIF'a или JPG'a. Позволяет использовать "прозрачный" цвет, но, в отличие от GIF'a таких цветов может быть до 256. В отличие от GIF сжатие без потери качества производится и по горизонтали и по вертикали (алгоритм собственный, параметры тоже не настраиваемые). Не умеет создавать анимированные ролики (разрабатывается формат MNG).

7. PDF (Portable Document Format) - это пример смешанного формата, предназначенного для хранения текста и графики одновременно. В формате PDF сохраняются данные текстовым редактором Adobe Acrobat. Для сжатия графики применяется метод LZW.

8. PSD - формат графического редактора Adobe Photoshop. Обладает очень большими возможностями. Хранит данные о различных палитрах цветов, о прозрачности, имеет возможность хранения послойных изображений. При этом отличается большим размером.

В настоящее время разрабатываются перспективные графические форматы и некоторые из них уже понимаются браузерами, но еще не поддерживаются большинством графических редакторов (*.art фирмы Johnson-Grace). Другие же требуют наличия у браузеров плагинов для своего просмотра (*.fif, обеспечивает сильное сжатие и позволяет растягивать изображения на весь экран при любом разрешении без заметной потери качества).

Для реализации компьютерно-ориентированного подхода к проектированию и производству, описанному в лекции 1, нужно специальное аппаратное и программное обеспечение. Ключевым аспектом является интерактивное управление формой, поэтому неудивительно, что аппаратное и программное обеспечение для интерактивного манипулирования формами относится к числу основных компонентов, составляющих системы CAD/CAM/CAE. Графические устройства и периферийные устройства ввода-вывода вместе с обычным вычислительным модулем составляют аппаратное обеспечение систем CAD/CAM/CAE (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 - Компоненты систем САD/САМ/САЕ

Ключевыми программными компонентами являются пакеты, манипулирующие формами или анализирующие их под управлением пользователя в двух или в трех измерениях, одновременно обновляя базу данных.

В состав графического устройства обычно входит одно или несколько устройств ввода. Помимо клавиатуры к ним относятся мышь, спейсбол^[1] и цифровой планшет с пером и роликом (рис. 2.2).

Рисунок 2.2 - Устройства ввода

Эти устройства ввода призваны способствовать интерактивному манипулированию формами, давая пользователю возможность вводить графические данные в компьютер непосредственно. Каждое графическое устройство обычно подключается к устройствам вывода, например к плоттеру или цветному лазерному принтеру (рис. 2.3). Эти устройства могут использоваться несколькими графическими устройствами совместно. Устройства вывода позволяют вывести любое изображение на бумагу.

Рисунок 2.3 - Устройства вывода

Одной из наиболее важных составных частей персонального компьютера является его видеоподсистема, состоящая из монитора и видеоадаптера (обычно размещаемого на системной плате). Монитор предназначен для отображения на экране текстовой и графической информации, визуально воспринимаемой пользователем персонального компьютера. В настоящее время существует большое разнообразие типов мониторов. Их можно охарактеризовать следующими основными признаками.

По режиму отображения мониторы делятся на векторные и растровые дисплеи.

В векторных дисплеях с регенерацией изображения на базе электроннолучевой трубки (ЭЛТ) используется люминофор с очень коротким временем послесвечения. Такие дисплеи часто называют дисплеями с произвольным сканированием. Кроме ЭЛТ, для векторного дисплея необходим дисплейный буфер и дисплейный контроллер. Дисплейный буфер (display buffer) — непрерывный участок памяти, содержащий всю информацию, необходимую для вывода изображения на ЭЛТ. Функция дисплейного контроллера (или процессора) заключается в том, чтобы циклически обрабатывать эту информацию со скоростью регенерации. Сложность рисунка ограничивается двумя факторами - размером дисплейного буфера и скоростью контроллера.

Основные принципы их функционирования вкратце можно описать следующим образом (рис. 2.4).

Рисунок 2.4 - Компоненты векторного графического устройства

Дисплейный процессор считывает дисплейный файл (display list), который представляет собой последовательность передаваемых приложением кодов, соответствующих графическим командам. Дисплейный файл хранится в разделе памяти дисплейного буфера. Дисплейный процессор осуществляет загрузку дисплейного файла в дисплейный буфер.

После этого дисплейный процессор формирует необходимые напряжения на вертикальных и горизонтальных парах отклоняющих пластин таким образом, что электрон, вылетающий с катода, попадает в нужное место внутренней поверхности передней стенки электронно-лучевой трубки (рис. 2.5). Это место соответствует одной точке создаваемого изображения.

Рисунок 2.5 - Поперечный разрез электронно-лучевой трубки

Внутренняя поверхность трубки покрыта люминофором, поэтому в той точке, куда попал электрон, возникает короткая вспышка света. Электронный пучок движется по экрану и формирует изображение в соответствии с командами дисплейного файла. Однако люминофор излучает свет очень недолго, а затем гаснет. Поэтому изображение требует постоянного перерисовывания с очень высокой скоростью, чтобы пользователю не досаждало мерцание. Изображение сохраняется в человеческом мозге около 1/30 с., поэтому пользователь не будет замечать исчезновения изображения, если его перерисовывать с периодом менее 1/30 с. Процесс перерисовки называется обновлением (refresh), которое обеспечивается повторяющимся считыванием дисплейного буфера сверху вниз и направлением электронного пучка в соответствии с командами из буфера. Дисплейный буфер используется исключительно для реализации обновления. В зависимости от сложности изображения перерисовка может занимать и более 1/30 с. Тогда часть изображения, построенная в начале цикла обновления, успеет исчезнуть, в то время как другая часть изображения еще будет прорисовываться.

Возникнет эффект мерцания картинки в целом. Мерцание изображения и высокая стоимость — основные недостатки устройств векторной графики.

Есть у них и преимущества. Напряжения, подаваемые на вертикальные и горизонтальные отклоняющие пластины, можно контролировать с любой заданной точностью, что обеспечивает любое желаемое разрешение. Поэтому дисплейное устройство может иметь высокое разрешение (например, 4096x4096), а прямые линии получаются действительно прямыми, а не ступенчатыми. К тому же векторные устройства позволяют отображать динамическую анимацию. Динамика обеспечивается благодаря изменению содержимого дисплейного буфера по мере того, как дисплейный процессор занимается обновлением. Содержимое буфера изменяется графическими командами, передаваемыми управляющим приложением, в данном случае - программой анимации.

Растровые графические устройства

Растровые графические устройства появились в середине 70-х гг. XX в. в результате широкого распространения телевизионных технологий. Растровое устройство можно рассматривать как матрицу дискретных ячеек (точек), каждая из которых может быть подсвечена. Таким образом, оно является точечно-рисующим устройством. Невозможно, за исключением специальных случаев, непосредственно нарисовать отрезок прямой из одной адресуемой точки или пиксела в матрице в другую адресуемую точку. Отрезок можно только аппроксимировать последовательностями точек (пикселов), близко лежащих к реальной траектории отрезка. Отрезок прямой из точек получится только в случае горизонтальных, вертикальных или расположенных под углом 45 градусов отрезков. Все другие отрезки будут выглядеть как последовательности ступенек. Это явление называется лестничным эффектом или «зазубренностью».

Благодаря высокому соотношению «качество - цена» они стали основным видом графических устройств. Основные принципы их функционирования коротко можно описать следующим образом.

Дисплейный процессор принимает графические команды от приложения, преобразует их в точечное изображение, или растр, после чего сохраняет растр в разделе памяти, который называется буфером кадра {frame buffer) и представляет собой большой непрерывный участок памяти компьютера (рис. 2.6).

Рисунок 2.6 - Компоненты растрового графического устройства

Получить наглядное представление о растровом изображении можно, если пододвинуться к телевизору вплотную. Размеры точек определяются установленным разреше­нием. Растровые графические устройства должны хранить в своей памяти изображение в виде растра, в отличие от векторных, хранящих лишь дисплейные файлы. Поэтому требования к памяти у этих двух видов устройств отличаются, как и методы обновления изображения на экране.

Когда дисплейный процессор генерирует растровое изображение и сохраняет его в буфере кадра, он параллельно считывает содержимое этого буфера и направляет электронные пучки на дисплей, воспроизводя на нем картинку, хранящуюся в буфере.

На внутренней поверхности электронно-лучевой трубки может быть столько точек люминофора, сколько точек описывается буфером кадра. Электронный пучок направляется на точки, соответствующие точкам растрового изображения. Время свечения люминофора в растровых устройствах так же коротко, как и в векторных, поэтому необходимо регулярное обновление изображения. Единственное отличие — порядок движения электронного пучка при обновле­нии. Пучок пробегает по экрану слева направо, переходя со строки на строку в направлении сверху вниз (рис. 2.7).

Рисунок 2.7 - Развертка растрового изображения

Когда электронный пучок направляется на точку люминофора, соответствующую точке изображения, он включается, возбуждая свечение люминофора. Время обновления остается постоянным, независимо от сложности воспроизводимого изображения. Время обновления определя­ется, таким образом, временем сканирования всех строк развертки от верхней до нижней и, как правило, составляет 1/30 с для обычных телевизоров или 1/60 с для качественных растровых графических устройств. Однако буфер кадра в растровых устройствах требует гораздо больше памяти, чем дисплейный буфер в векторных графических устройствах.

Растровое изображение в буфере кадра может содержать сведения о цвете, если каждой точке (пикселу) будет соответствовать не один бит, а несколько. Рас­смотрим пример с тремя битами на каждый пиксел. Буфер кадра может быть представлен тремя плоскостями (рис. 2.8), каждая из которых содержит по одно­му биту для каждого пиксела. Говорят, что в таком случае буфер кадра содержит 3-битовые плоскости. В случае трехбитового представления цвета первый разряд может использоваться для включения или выключения красного, второй — зеле­ного, а третий — синего цвета. Так получается восемь цветов (табл. 1), которые могут быть одновременно выведены на экран графического устройства.

Таблица 1. Набор цветов для 3-битовых плоскостей

При считывании информации из буфера кадра и ее выводе на графическое устройство с растровой ЭЛТ должно происходить преобразование из цифрового представления в аналоговый сигнал. Такое преобразование выполняет цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Цифро-аналоговые преобразователи, показанные на рис. 2.8, выдают ана­логовый сигнал, управляющий электронной пушкой определенного цвета на ос­новании значений битов соответствующей плоскости.

Рисунок 2.8 - Пример 3-х битовых плоскостей

Хранение конкретного цвета в буфере кадра иллюстрирует рис. 2.9. ЦАПы на рис. 2.9 ре­шают ту же задачу, что и на рис.2.8, но работают с 8 разрядами вместо одного.

Рисунок 2.9 - Задание цвета 24-битовыми плоскостями

Точка монитора, соответствующая точке буфера кадра, будет светиться определенным цветом, как в обычном цветном телевизоре. Формирование цвета проис­ходит следующим образом. Внутренняя поверхность трубки монитора покрыта люминофором трех разных типов. Люминофор первого типа светится красным, второго — синим, а третьего — зеленым. Точки люминофора расположены в вер­шинах равносторонних треугольников (рис. 2.10).

Рисунок 2.10 - Распределение точек люминофора

Каждый треугольник соответ­ствует одной точке в буфере кадров. Энергия электронного пучка, падающего на люминофор из пушки соответствующего цвета, пропорциональна аналоговому сигналу от ЦАП (см. рис. 8 и 9). Следовательно, интенсивность излучения определенного цвета также пропорциональна сигналу от ЦАП. Точки разных цветов расположены в вершинах треугольника, но для человека они сливаются воедино и образуют цвет, задаваемый значением, хранящимся в буфере кадра. Электронный пучок может попадать и на люминофор другого цвета. Например, пушка, предназначенная для красного люминофора, может попасть пучком на зеленый люминофор. Для предотвращения этого эффекта перед слоем люмино­фора помещается теневая маска (shadow mask) (рис. 2.11).

Рисунок 2.11 - Теневая маска

Теневая маска гаран­тирует, что электронные пучки попадают только на люминофор соответствую­щего цвета.

Поэтому при считывании информации из буфера кадра и ее выводе на графическое устройство с растровой ЭЛТ должно происходить преобразование из цифрового представления в аналоговый сигнал. Такое преобразование выполняет цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).

По типу экрана мониторы делятся на дисплеи на основе ЭЛТ, работу которых мы рассмотрели выше, жидкокристаллические (ЖК) и плазменные.

Жидкие кристаллы (Liquid Crystal) - это органические вещества, способные под напряжением изменять величину пропускаемого света.

Экран жидкокристаллического дисплея состоит из двух стеклянных или пластиковых пластин, между которыми находится суспензия. Кристаллы в этой суспензии расположены параллельно по отношению друг к другу, тем самым они позволяют свету проникать через панель содержащую жидкие кристаллы. При подаче электрического тока расположение кристаллов изменяется, и они начинают препятствовать прохождению света. Жидкие кристаллы сами не светятся, поэтому ЖКД нуждаются в подсветке или во внешнем освещении.

Основным достоинством ЖКД являются их габариты (экран плоский), меньшая потребляемая мощность иудобство для пользователя. В ЭЛТ электронные лучи при развертке движутся по экрану, обновляя изображение. ЖК-дисплеи отличаются малой глубиной и небольшой массой и поэтому их более удобно перемещать и устанавливать, чем ЭЛТ - мониторы, у которых размер в глубину приблизительно равен ширине. Хотя в большинстве случаев можно установить такую частоту регенерации (число обновлений экрана электронными лучами в секунду), что изображение выглядит стабильным, некоторые пользователи все же воспринимают мерцание, способное вызвать быстрое утомление глаз и головную боль. На экране ЖК - дисплея каждый пиксел либо включен, либо выключен, так что мерцание отсутствует. Кроме того, для ЭЛТ - мониторов характерно в небольших количествах электромагнитное излучение; в ЖК- мониторах такого излучения нет.

К недостаткам можно отнести недостаточное быстродействие при изменении изображения на экране, что особенно заметно при перемещении курсора мыши, а также зависимость резкости и яркости изображения от угла зрения.

Существует два вида ЖК мониторов: DSTN (dual-scan twisted nematic - кристаллические экраны с двойным сканированием) и TFT (thin film transistor - на тонкопленочных транзисторах), также их называют соответственно пассивными и активными матрицами. Такие мониторы состоят из следующих слоев (рис. 2.12): поляризующего фильтра, стеклянного слоя, электрода, слоя управления, жидких кристаллов, ещё одного слоя управления, электрода, слоя стекла и поляризующего фильтра.

Рисунок 2.12 - Устройство ЖК монитора

Поперечное сечение панели на тонкопленочных транзисторах представляет собой многослойный бутерброд. Крайний слой любой из сторон выполнен из стекла. Между этими слоями расположен тонкопленочный транзистор, панель цветного фильтра, обеспечивающая нужный цвет - красный, синий или зеленый, и слой жидких кристаллов. Вдобавок ко всему существует флуоресцентная подсветка, освещающая экран изнутри.

При нормальных условиях, когда нет электрического заряда, жидкие кристаллы находятся в аморфном состоянии. В этом состоянии жидкие кристаллы пропускают свет. Количеством света, проходящего через жидкие кристаллы, можно управлять с помощью электрических зарядов - при этом изменяется ориентация кристаллов.

Как и в традиционных электроннолучевых трубках, пиксель формируется из трех участков - красного, зеленого и синего. А различные цвета получаются в результате изменения величины соответствующего электрического заряда (что приводит к повороту кристалла и изменению яркости проходящего светового потока).

TFT экран состоит из целой сетки таких пикселей (рис. 2.13), где работой каждого цветового участка каждого пикселя управляет отдельный транзистор. Именно здесь стоит поговорить о разрешении. Для нормального обеспечения экранного разрешения 1024х768 (режим SVGA) монитор должен располагать именно таким количеством пикселей.

Рисунок 2.13 - Схема работы TFT экрана

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.

Работой монитора руководит специальная плата, которую называют видеоадаптером (видеокартой). Вместе с монитором видеокарта создает видеоподсистему персонального компьютера. В первых компьютерах видеокарты не было.

Видеоадаптер имеет вид отдельной платы расширения, которую вставляют в определенный слот материнской платы (в современных ПК это слот AGP). Видеоадаптер выполняет функции видеоконтроллера, видеопроцессора и видеопамяти.

Сформированное графическое изображение хранится во внутренней памяти видеоадаптера, которая называется видеопамятью. Необходимая емкость видеопамяти зависит от заданной разрешающей способности и палитры цветов, поэтому для работы в режимах с высокой разрешающей способностью и полноцветной гаммой нужно как можно больше видеопамяти. Если еще недавно типичными были видеоадаптеры с 2-4 Мбайт видеопамяти, то уже сегодня нормальной считается емкость в 32-64 Мбайт. Большинство современных видеокарт обладает возможностью расширения объема видеопамяти до 128 Мбайт. Видеопамять, как правило, строится на микросхемах динамической памяти с произвольным доступом (DRAM), обладающих большим объемом. Видеопамять доступна процессору как обычная оперативная память.

Графические устройства, описанные в предыдущем разделе, редко используются поодиночке. Чаще всего они объединяются в кластер того или иного рода, рассчитанный на обслуживание множества пользователей. Существует три основных варианта конфигурации такого кластера.

Первая конфигурация состоит из мейнфрейма (mainframe) и множества графических устройств (рис. 2.14).

Рисунок 2.14 - Мейнфрейм с графическими устройствами

Графические устройства подключаются к мейнфрейму точно так же, как алфавитно-цифровые терминалы в обычных вычислительных центрах. К нему же подключаются и устройства вывода, такие как принтеры и плоттеры. Поскольку такая конфигурация может рассматриваться как естественное расширение существующей вычислительной среды, она с готовностью принималась большинством крупных компаний, у которых уже были мейнфреймы. Этот подход до сих пор используется производителями автомобилей и кораблей, у которых имеются огромные базы данных, обрабатываемые централизованно. Однако он обладает некоторыми недостатками. Он требует больших начальных вложений в аппаратное и программное обеспечение, да и обслуживание эксплуатируемой системы тоже стоит недешево. Обслуживание мейнфрейма всегда включает в себя расширение системной памяти и жесткого диска, что для мейнфрейма обходится гораздо дороже, чем для небольших ком­пьютеров. Более того, обновление операционной системы тоже оказывается не­простой задачей. Программы CAD/CAM/CAE требуют довольно частой замены в связи с выходом новых, гораздо более мощных версий и альтернатив, а также из-за ошибок при первичном выборе программного обеспечения. Программы CAD/CAM/CAE для мейнфреймов стоят намного дороже, чем аналогичные программы для меньших компьютеров. Еще одним серьезным недостатком централизованных вычислений является нестабильность времени отклика системы. В конфигурации с мейнфреймом приложения пользователей, относящиеся к разным графическим устройствам, конкурируют друг с другом за вычислительные ресурсы мейнфрейма. Поэтому время отклика для любого конкретного графического устройства зависит от того, какие задачи были запущены с другого устройства. Иногда время отклика может быть слишком большим для интерак­тивной работы с графикой, особенно когда другие пользователи решают сложные вычислительные задачи, например, проводят анализ методом конечных элементов.

Вторая конфигурация состоит из автоматизированных рабочих мест проектировщика (рабочих станций — workstations), объединенных в сеть (рис. 2.15).

Рисунок 2.15 - Рабочие станции, объединенные в сеть

К той же сети подключаются устройства вывода — плоттеры и принтеры. Рабочая станция — это графическое устройство с собственными вычислительными ресурсами. Такой подход в настоящее время используется очень широко, потому что в области технологий изготовления рабочих станций прогресс идет огромными темпами, да и вообще имеется тенденция к распределению вычислений. Производительность рабочих станций удваивается каждый год при сохранении их цены. Данный подход обладает и другими преимуществами. Пользователь может работать с любой станцией сети, выбирая ее в соответствии со своей задачей, причем системные ресурсы не будут зависеть от задач других пользователей. Еще одно преимущество - отсутствие необходимости в крупных первичных вложениях. Количество рабочих станций и программных пакетов может увеличиваться постепенно, по мере роста потребности в ресурсах CAD/CAM/CAE. Это очень выгодно, потому что стоимость оборудования постоянно падает.

Третья конфигурация аналогична второй за тем исключением, что вместо рабочих станций используются персональные компьютеры с операционными системами Windows. Конфигурации на базе персональных компьютеров популярны в небольших компаниях, особенно если выпускаемые продукты состоят из небольшого количества деталей ограниченной сложности, а также в компаниях, использующих системы CAD/CAM/CAE главным образом для построения чертежей. По мере того как различие между персональными компьютерами и рабочими станциями сглаживается, стирается и различие между вторым и третьим типами конфигурации.

Контрольные вопросы

1. Что означает термин «формат графического файла»?

2. Почему необходимо иметь общие форматы для различных приложений?

3. Как хранится изображение в файле векторного формата?

4. Перечислите несколько векторных форматов.

5. Какая информация запоминается в растровом файле?

6. Как можно уменьшить размер растрового файла?

7. Какие методы сжатия графических данных вам известны?

8. Какие форматы используются для хранения фотографий?

9. Когда возникает необходимость в преобразовании форматов файлов?

10. Какие способы преобразования растрового формата в векторный вам известны?

11. Почему при преобразовании одного векторного формата в другой некоторые части изображения могут исказиться или вообще исчезнуть?

12. Каковы особенности преобразования одного растрового формата в другой растровый формат?

13. Перечислите компоненты графического устройства и объясните назначение каждого из них.

14.Объясните, почему необходимо обновление экрана векторного или растрового графического устройства.

15.Объясните, каким образом в векторных устройствах реализуется анимация.

16.Объясните, почему независимо от сложности растрового изображения оно не мерцает на растровом устройстве.

17.Сколько цветов можно одновременно отобразить на растровом графическом устройстве с 12-разрядными плоскостями (4-разрядные плоскости для красного, 4-разрядные для зеленого и 4-разрядные для синего)?

18.Перечислите преимущества аппаратной конфигурации, состоящей из объединенных в сеть рабочих станций.

19.Перечислите доступные вам программы для построения двумерных чертежей.

20.Перечислите доступные вам системы геометрического моделирования.

21.Перечислите доступные вам системы САМ. Коротко опишите функции каждого программного продукта.

22. Перечислите доступные вам программы CAE. Коротко опишите функции каждого программного продукта.

^[1] Спейсбол отличается от трекбола количеством степеней свободы. У трекбола их всего две, а у спейсбола — шесть.