Информатика: аппаратные средства персонального компьютера Яшин Владимир

5.2.2.2. Устройства ввода информации в персональный компьютер

В качестве устройств ввода информации в ПК используются клавиатура, координатные устройства ввода (манипуляторы типа мышь, трекбол, контактная или сенсорная панель, джойстик), сканер, цифровые камеры (цифровые фотоаппараты, видеокамеры), микрофон и т. д.

Клавиатурой (keyboard) называется устройство для ручного ввода информации в ПК. Современные типы клавиатур различаются конструктивным исполнением, количеством и назначением клавиш, способом соединения с системным блоком, способом формирования кода символа при нажатии клавиши и т. д.

Конструктивное исполнение во многом определяется фирмой-изготовителем клавиатуры, которая, как правило, учитывает особенности операционной системы, с которой работает пользователь (например, клавиатура, ориентированная на использование операционной системы семейства Windows).

Клавиатуры различаются количеством и назначением клавиш. Для IBM-совместимых ПК за основу принят стандарт клавиатуры, имеющей 101 клавишу, при этом клавиши сгруппированы в блоки: блок функциональных клавиш (F1, F2, F3 и т. д.), блок букв, цифр и вспомогательных символов; блок управляющих клавиш (Shift, Ctrl, Alt и т. д.); блок мультимедийных клавиш; блок цифровых клавиш.

По способу соединения с системным блоком различаются проводные и беспроводные клавиатуры. В IBM-совместимых ПК проводная клавиатура соединяется с системным блоком посредством электрического кабеля, который подключается к СОМ, PS/2 или USB портам системного блока. В беспроводной клавиатуре передача информации в системный блок происходит с помощью передатчика инфракрасного излучения, приемник инфракрасного излучения подключается к порту USB.

В IBM-совместимых ПК стандартной конфигурации имеются два последовательных порта – СОМ1 и COM2 (от англ. communicate – передавать), в которых данные, предварительно сформированные в пакеты, передаются побитно. Передача данных происходит под управлением интерфейса (протокол передачи) RS-232. Обмен данными в соответствии со спецификацией протокола RS-232 происходит последовательно, методом асинхронной передачи. При этом каждому байту предшествует так называемый старт-бит (всегда имеющий значение логического). Он сигнализирует приемнику о начале пакета. За ним следуют биты данных и (не всегда) бит четности. Завершает посылку стоп-бит, сигнализирующий о начале паузы между пакетами.

Выпускаемая в настоящее время клавиатура не подключается к системному блоку ПК посредством порта СОМ, поскольку данный порт, также как и LPT (параллельный), ориентирован на архитектуру ПК, в которых применялась системная шина ISA. Для подключения клавиатуры используются в основном последовательные порты ввода данных PS/2 и USB, работа которых осуществляется под управлением протоколов передачи данных PS/2 и USB.

По способу формирования кода символа при нажатии клавиши в современной клавиатуре применяется способ, при котором микроконтроллер (клавиатурный микропроцессор) последовательно опрашивает клавиши, формирует двоичный скан-код клавиши и передает его в системный блок. При таком способе передается не код символа, нарисованный на клавише, а код клавиши, которому затем программным путем присваивается соответствующий символ. Такой способ позволяет легко менять раскладку клавиатуры с латинской на кириллицу и наоборот при помощи управляющих клавиш, например <Ctrl+Shift> (знак плюс означает совместное нажатие клавиш).

К координатным устройствам ввода относятся манипуляторы типа мышь, трекбол, контактная или сенсорная панель (TouchPad), джойстик. Данные устройства позволяют перемещать курсор или другие объекты соответствующих программ по двухмерному пространству экрана монитора с целью облегчения взаимодействия пользователя с ПК при вводе информации. Многие прикладные и системные компьютерные программы рассчитаны на интенсивное использование данных устройств.

Манипулятор типа мышь был изобретен Д. Энгельбартом в 1960-х гг. XX в. в США и свое название получил из-за некоторого сходства с настоящей мышью. При перемещении мыши по гладкой поверхности формируются два сигнала, которые передаются в системный блок и интерпретируются программой управления мышью как координаты точки двухмерного пространства экрана. Результатом этого является перемещение курсора по экрану. При нажатии клавиш (кнопок) или ролика, а также вращения его пальцем формируются и передаются сигналы в системный блок, которые затем однозначно интерпретируются программой управления мышью. С помощью нажатий на клавиши мыши или ролика, а также его вращения можно производить различные действия, при этом используются как одиночные, так и двойные нажатия (щелчки). Действия, которые следуют после таких нажатий клавиш мыши, зависят от конкретной компьютерной программы. Например, одинарный щелчок левой кнопкой мыши или удерживание кнопки позволяет выделять или перемещать объекты на рабочем столе операционных систем семейства Windows, двойной щелчок мышью по пиктограмме вызывает запуск соответствующей программы, щелчок правой кнопкой вызывает контекстное меню и т. д.

Манипуляторы типа мышь различаются по конструктивному исполнению, принципу работы, способу соединения с системным блоком и т. д.

Конструктивное исполнение мыши зависит от фирмы-производителя (Microsoft, Genius, Samsung и т. д.) и различается по внешнему виду и количеству кнопок. В IBM-совместимых ПК используются двух– и трехкнопочные мыши.

По принципу работы мыши подразделяются на электронно-механические и оптоэлектронные. Электронно-механическая мышь состоит из резинового шарика, вращающегося при перемещении мыши, двух роликов, расположенных под прямым углом и соприкасающихся с резиновым шариком, а также электронной схемы, преобразующей вращение роликов в последовательность электрических импульсов, передаваемых в системный блок ПК. Все компоненты электронно-механической мыши помещаются в корпус. В оптоэлектронной мыши отсутствуют подвижные механические элементы, а количество электрических импульсов, пропорциональных перемещению мыши и передаваемых в системный блок, формируются с помощью оптоэлектронных схем. Оптоэлектронные мыши значительно надежнее электронно-механических.

По способу соединения с системным блоком различаются проводные и беспроводные мыши. В IBM-совместимых ПК проводная мышь соединяется с системным блоком посредством электрического кабеля, который подключается к PS/2– или USB-портам системного блока. В беспроводной мыши передача информации в системный блок происходит с помощью передатчика инфракрасного излучения, приемник инфракрасного излучения подключается к порту USB.

Кроме мыши к координатным устройствам ввода относятся также трекбол, контактная, или сенсорная, панель, джойстик.

Трекбол по своему принципу действия аналогичен электронно-механической мыши, разница состоит лишь в том, что вместо перемещения мыши для вращения шарика, пользователь пальцем вращает сам шарик, который встраивается обычно в верхнюю часть клавиатуры ПК или корпуса мобильного ПК.

Сенсорная панель (TouchPad) представляет собой панель прямоугольной формы, которая чувствительна к нажатию пальцев и выполняет те же функции, что и манипулятор типа мышь. При касании пальцем руки экрана сенсорной панели в области касания происходит изменение электрических параметров (например, электрического заряда), что фиксируется электронным устройством сенсорной панели, и затем изменение электрического сигнала передается в контроллер, где с помощью программы обработки определяются координаты пальца на поверхности панели и соответственно координаты курсора на экране монитора ПК. Одинарный или двойной щелчок пальцем по экрану сенсорной панели соответствует нажатию кнопок мыши. Сенсорная панель используется преимущественно в мобильных ПК и встраивается в их корпус.

Джойстик – это устройство для ручного управления движением курсора на экране монитора. При этом в качестве курсора могут выступать различные объекты виртуальной реальности: люди, животные, автомобили и т. д. Используется джойстик с игровыми программами, т. е. является игровым манипулятором.

Для ввода графической информации в ПК используются различные устройства: дигитайзеры (графические планшеты), сканеры, цифровые фотоаппараты и цифровые видеокамеры.

Дигитайзер (digitizer), или графический планшет, представляет собой устройство, предназначенное для ввода в ПК графической информации повышенной сложности рукописным способом. Применение дигитайзеров обусловлено тем, что создание сложного графического изображения в графических редакторах (специальных компьютерных программах, например Paint или Adobe Photoshop) с помощью мыши – крайне затруднительное занятие.

Конструктивно дигитайзер состоит из двух основных компонентов: основания (планшета с рабочей поверхностью) и указателя – пера, напоминающего обычную шариковую ручку, перемещаемого по рабочей поверхности планшета и позволяющего создавать графическое изображение. Принцип работы подавляющего числа современных дигитайзеров основан на методе электромагнитной индукции: указатель при прикосновении к рабочей поверхности излучает сигнал, который принимает плоская антенна, находящаяся под рабочей поверхностью планшета. Антенна представляет собой металлическую сетку, конструктивно выполненную из проволоки или на основе печатной схемы, шаг такой сетки варьируется от 3 до 6 мм. Приняв сигнал, антенна передает его в электронное устройство обработки дигитайзера, где происходит его преобразование в двоичный код, соответствующий местоположению указателя на рабочей поверхности планшета, и далее код передается с помощью электрического кабеля и соответствующего порта ввода (USB – последовательный порт) в системный блок ПК. К основным характеристикам дигитайзера можно отнести: разрешающую способность, т. е. число линий на дюйм (Ipi – line per inch), размеры рабочей области, чувствительность к нажатию и т. д.

Например, запись в прайс-листе организации, торгующей дигитайзерами, может быть представлена в следующем виде:

Genius G-Pen 340 (3" х 4", 2000 lpi, 1024 уровня, USB).

Представим данную запись в развернутом виде:

Genius – компания-производитель;

G-Pen 340 – модель дигитайзера;

3" х 4" – рабочая область планшета (примерно 76 мм х 102 мм);

2000 lpi – разрешающая способность;

1024 уровня – чувствительность к нажатию на рабочую поверхность планшета;

USB – порт (интерфейс).

При подключении дигитайзера к ПК посредством интерфейса USB и его автоматического определения операционной системой Windows ХР он готов к работе, однако для управления чувствительностью к нажатию указателя потребуется специальная компьютерная программа – драйвер, которая поставляется совместно с дигитайзером.

Основными компаниями – производителями дигитайзеров являются Wacom (Япония), CalComp (США), Genius (Тайвань), Aiptek (Тайвань) и т. д.

Сканеры (от англ. scan – пристально разглядывать) являются самыми распространенными в настоящее время устройствами для ввода графической и текстовой информации с бумажного листа или пленки. В зависимости от возможности воспроизведения цвета графического изображения они подразделяются на черно-белые и цветные, а по конструктивному признаку – на ручные, роликовые и планшетного типа.

Принцип преобразования графического изображения в цифровую форму в сканерах основан на сканировании изображения, т. е. его последовательного считывания по строкам, преобразования в двоичный код и последующего ввода в ПК. В процессе сканирования изображения оно освещается с помощью специальных источников светового излучения, и затем отраженный свет воспринимается оптической системой сканера. Таким образом, сканер преобразует графическое изображение во множество точек, определяя для каждой точки ее координаты и цвет. По этим данным после соответствующей обработки на экране монитора ПК воспроизводится копия графического изображения.

В современных цветных сканерах в основном используется источник излучения белого света, а в оптической системе устанавливается специальный RGB-фильтр, который и определяет по отраженному свету в процессе сканирования цвет точек, из которого состоит графическое изображение. В черно-белых сканерах такой фильтр отсутствует.

Ручной сканер представляет собой устройство, в котором процесс сканирования изображения не является автоматическим, т. е. осуществляется вручную, путем его перемещения относительно графического изображения. Такой сканер позволяет сканировать (считывать) изображение выборочно (частично), а для сканирования всего изображения целиком необходимо производить несколько перемещений (проходов). Для совмещения полученных частей изображения используется специальное программное обеспечение, которое поставляется вместе со сканерами ручного типа. В настоящее время ручные сканеры не пользуются широкой популярностью у владельцев ПК из-за низкой степени автоматизации процесса сканирования изображения.

Роликовый сканер – это устройство, в котором подача листов с графическими изображениями для ввода в компьютер происходит автоматически, т. е. такие сканеры предназначены для пакетной обработки листовых документов, содержащих графическую или текстовую информацию. В этих сканерах лист с изображением или текстом перемещается относительно сканирующей головки. Данный тип сканеров в ПК практически не используется.

Среди перечисленных типов сканеров наиболее широко применяются планшетные сканеры, предназначенные в основном для офисного и домашнего использования, иногда их называют SOHO-сканеры (SOHO – от англ. Small Office Ноте Office). Сканеры этого типа появились в 1980-х гг. XX в. и благодаря оптимальному соотношению функциональных возможностей и удобству использования завоевали у пользователей ПК наибольшую популярность. В планшетных сканерах лист с изображением жестко фиксируется, что обеспечивает высокое качество сканирования и удобство в работе.

Конструктивно планшетный сканер состоит из следующих основных компонентов: корпуса, прозрачного стекла, сканирующей каретки (головки), блока управления, аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), микропроцессора (МП), контроллера интерфейса, протяжного механизма, двигателя, блока питания и ряда дополнительных устройств.

Корпуса большинства выпускаемых сегодня планшетных сканеров для офиса и дома в основном сделаны из пластмассы и имеют прямоугольную форму. Для придания прочности корпусу в нем используют специальные элементы, называемые ребрами жесткости. К корпусу планшетного сканера предъявляют достаточно жесткие требования в плане его герметичности, поскольку оптический блок сканера не допускает попадания на него пыли.

Прозрачное стекло находится под крышкой корпуса и предназначено для размещения на нем листа бумаги определенного формата (в основном А4) с нанесенным на лист графической или текстовой информацией или пленки с графическим изображением. После размещения на стекле лист или пленка накрываются крышкой сканера.

Сканирующая каретка – основной подвижный модуль планшетного сканера – устанавливается на лафет и вместе с ним перемещается по направляющим салазкам вдоль корпуса. Данный модуль состоит из следующих компонентов: оптического блока с системой линз и зеркал, светочувствительной матрицы, источника света и инвертора. В качестве основных элементов оптического блока могут использоваться микролинзы с самофокусировкой либо оптический объектив с оптическими зеркалами. Выбор этих элементов зависит от применяемой в сканере светочувствительной матрицы. Микролинзы с самофокусировкой используются совместно со светочувствительной матрицей типа CIS (Contact Image Sensor – контактный оптический датчик), а оптический объектив с оптическими зеркалами со светочувствительной матрицей CCD (Charge Coupled Device – прибор с зарядовой связью).

Сканирующая каретка, в которой используется матрица типа CIS, не имеет лампы подсветки (источника света), оптического объектива и зеркал, а приемный элемент, равный по ширине всему рабочему полю сканирования, состоит из светодиодной линейки (источник света), освещающей поверхность сканируемого изображения, самофокусирующихся микролинз и приемных датчиков (сенсоров) изображения. Отраженный от сканируемого изображения свет проецируется на перемещающийся над изображением вместе с кареткой приемный элемент, фокусируется микролинзами и попадает на приемные датчики, которые преобразуют падающий на них свет в электрический сигнал. Затем этот сигнал усиливается и поступает на вход АЦП. Сканирующая каретка, в которой используется матрица типа CIS, получается очень компактной, что дает возможность создавать достаточно тонкие и легкие сканеры, потребляющие незначительное количество электрической энергии. Однако сканеры, в которых используется эта матрица, имеют ряд недостатков, среди которых можно выделить небольшую глубину фокусировки изображения (глубину резкости). Если поместить на планшет такого сканера толстую книгу, то сканированное изображение получится с размытой полосой посередине, т. е. в том месте, где листы книги не соприкасается со стеклом. Кроме того, сканеры, в которых используется матрица типа CIS, обладают невысокой, по сравнению со сканерами на основе CCD разрешающей способностью – порядка 1200 dpi.

Сканирующая каретка, в которой используется матрица типа CCD, имеет лампу подсветки, оптический объектив и сложную систему зеркал, а приемный элемент представляет линейку приборов с зарядовой связью (матрицу CCD). В качестве лампы подсветки применяется в основном люминесцентная лампа с холодным катодом. Для свечения эту лампу необходимо подключить к высоковольтному источнику переменного напряжения, в качестве которого применяется отдельный блок, называемый инвертором. Матрица CCD состоит из приборов с зарядовой связью, которые представляют собой светочувствительные элементы, способные накапливать электрический заряд, пропорциональный уровню освещенности. Отраженный от сканируемого изображения свет проецируется на перемещающийся над изображением вместе с кареткой приемный элемент. Отраженный свет предварительно фокусируется с помощью оптического объектива и системы зеркал и попадает на светочувствительные элементы (CCD), которые преобразуют падающий на них свет в электрический сигнал. Этот сигнал затем усиливается и поступает на вход АЦП. Матрица CCD не прекращает работать все то время, пока лафет со сканирующей кареткой, приводимый шаговым электродвигателем, совершает путь от начала планшета до его конца. За один шаг перемещения каретки матрица целиком захватывает горизонтальную линию планшета, которая называется линией растра. По истечении времени, достаточного для обработки одной такой линии, каретка перемещается на небольшой шаг, и наступает очередь для сканирования следующей линии изображения. При этом число шагов каретки на дюйм ее перемещения по вертикали называется механическим разрешение сканера. Сканеры, в которых используется матрица CCD, имеют большую глубину резкости, высокую разрешающую способность (порядка 3200 dpi) и, как следствие, высокое качество сканирования.

АЦП – это устройство, которое преобразует аналоговый сигнал в цифровую форму, причем значение аналогового сигнала на входе АЦП соответствует этому значению на его выходе, но выраженному в двоичной системе счисления с соответствующим числом разрядов. Разрядность (число бит) АЦП характеризует точность преобразования аналогового сигнала и в основном определяет такую важную характеристику сканера, как глубина цвета. Разрядность современных АЦП, используемых в недорогих планшетных сканерах, варьируется в пределах от 24 до 48 бит.

Блок управления сканера предназначен для автономного управления работой сканера начинающими пользователями. Опытные пользователи управляют сканером с помощью ПК, а необходимые настройки перед сканированием задаются в пользовательском окне управляющей программы.

МП предназначен для согласованного управления всеми компонентами сканера и формирования данных об изображении для передачи персональному компьютеру. В некоторых моделях сканеров на МП возлагаются также функции контроллера интерфейса. Список программных инструкций для МП хранится в микросхеме постоянной памяти. Данные в эту микросхему записываются производителем сканера на этапе производства.

Протяжный механизм предназначен для перемещения сканирующей каретки и представляет собой зубчатый протяжной ремень, который крепится к каретке. Протяжной ремень приводится в движение электрическим шаговым двигателем. Шаговый двигатель через протяжной ремень перемещает каретку на строго определенное расстояние.

В качестве дополнительных устройств для сканера могут использоваться адаптеры для сканирования прозрачных пленок, слайдов, негативов (слайд-адаптеры) и автоподатчики документов.

Подключается планшетный сканер к системному блоку ПК посредством электрического кабеля и соответствующего порта. В качестве таких портов в настоящее время широко используются порты: USB (интерфейс Universal Serial Bus) и FireWire (IEEE1394, последовательный высокоскоростной интерфейс ввода-вывода).

К основным характеристикам сканеров относятся разрешение (оптическое и механическое), глубина цвета, тип матрицы и т. д.

Разрешение – важнейшая характеристика сканера. Оно измеряется в пикселях (точках) на дюйм – dpi (dotper inch – точек на дюйм) и показывает, сколько точек и линий (число шагов каретки) может различить сканер на отрезке длиной в один дюйм (25,4 мм). Разрешение записывается в виде произведения двух чисел, например 1200 х 2400 dpi. Первое число соответствует оптическому разрешению, второе – механическому.

Другая основная характеристика сканера – глубина цвета, измеряемая в битах. Чем больше эта величина, тем достовернее сканер может передать цвет каждой точки сканируемого изображения. У большинства планшетных сканеров глубина цвета, как правило, находится в пределах от 24 до 48 бит.

Рассмотрим в качестве примера запись в прайс-листе компании, торгующей сканерами:

BenQ 5250C (А4 Color, plain, 1200*2400dpi, USB2.0).

Представим данную запись в развернутом виде:

BenQ – компания-производитель;

5250C – модель сканера;

А4 Color – формат сканируемых листов А4 (210 х 297 мм), сканер цветной;

plain – сканер относится к сканерам планшетного типа;

1200*2400 dpi – разрешение сканера (оптическое разрешение равно 1200 dpi, механическое – 2400 dpi);

USB 2.0 – сканер подключается к порту USB 2.0 системного блока компьютера с помощью кабеля, входящего в комплект поставки.

Кроме того, данный сканер имеет глубину цвета 48 бит, светочувствительную матрицу CIS, пять кнопок быстрого доступа (для автономного управления) и габаритные размеры 412 х 258 х 38 мм.

После подключения сканера к системному блоку необходимо установить на компьютер программное обеспечение (ПО), которое входит в комплект поставки сканера. ПО для сканера можно условно разделить на две группы – системное и прикладное.

К системному ПО относят драйвер (от англ. driver – управляющая программа). С помощью этой программы обеспечивается связь между операционной системой ПК и сканером, осуществляется его управление и обмен данными.

К прикладному ПО относятся программы для обработки (корректировки, ретуширования и пр.) графических изображений и программы для машинописных и рукописных текстов, которые называются также программами распознавания текста или символов,  – СО?  – приложение (от англ. Optical Character Recognition – оптическое распознавание символов).

К программам для обработки графических изображений можно отнести: Adobe Photoshop, Adobe Photoshop Elements, Micrografx Picture Publisher и т. д. Например, для сканера BenQ 5250C в качестве прикладных программ для обработки изображений прилагаются программы Adobe AcrobatReader, Arcsoft PhotoBase, Arcsoft Photolmpression, Arcsoft PhotoPrinter, Photo Family software и пр.

Как уже отмечалось, с помощью сканера можно вводить в ПК и текстовые документы. Однако при этом тестовый документ преобразуется в файл графического формата, т. е. представляется в виде изображения, который затем необходимо преобразовать в текстовый формат с помощью специальных компьютерных программ – программ распознавания текстов (OCR). Для распознавания текста (символов), напечатанного на русском языке, в настоящее время широко используются компьютерные программы Finereader компании Abbyy Software House и CuneiForm компании Cognitive Technologies.

В настоящее время крупнейшими мировыми производителями сканеров являются компании Canon, Mustek, Epson, BenQ и т. д.

Для получения графической информации в виде фотоснимков и видеоизображений, непосредственно представленной в цифровой (компьютерной) форме, и последующего ввода данной информации в ПК используются цифровые фотоаппараты и цифровые видеокамеры.

Современные цифровые фотоаппараты предназначены в основном для получения неподвижных изображений, т. е. оцифрованных фотографических снимков, сохраненных в запоминающем устройстве фотоаппарата в виде графических файлов, которые после ввода в ПК могут быть подвергнуты соответствующей компьютерной обработке, сохранены в памяти компьютера или отпечатаны на фотобумаге при помощи принтера.

Конструктивно современные цифровые фотоаппараты состоят из следующих основных компонентов: корпуса, оптической системы (объектива) с электронно-механическим затвором, светочувствительной матрицы, электронного блока, кнопок управления, механических элементов, жидкокристаллического цветного дисплея, разъемов (слотов) для подключения внешних карт памяти и порта для подключения кабеля USB. Принцип работы цифрового фотоаппарата основан на проецировании изображения от фотографируемого объекта на светочувствительную матрицу с последующим его преобразованием в цифровую форму. После открытия затвора фотоаппарата отраженные от объекта световые лучи проходят через оптическую систему и попадают на светочувствительные элементы матрицы, на которых фокусируется изображение. Фокусировка, глубина диафрагмы (глубина резкости изображения) и выдержка (экспозиция – время открытия затвора, т. е. время проецирования изображения на светочувствительную матрицу) устанавливаются в цифровых фотоаппаратах автоматически или с помощью соответствующих пунктов меню настройки. Светочувствительные элементы матрицы, на которых фокусируется изображение от объекта, накапливают заряд, пропорциональный уровню освещенности. После закрытия затвора электронный блок считывает сигнал с каждого элемента, усиливает его, преобразует в цифровую форму и сохраняет его в виде графического файла в запоминающем устройстве электронного блока. Для получения цветного изображения объекта каждый светочувствительный элемент матрицы должен состоять из трех (по одному на каждый из основных) цветов – R, G, В. Однако применение таких матриц приводит к значительному удорожанию цифрового фотоаппарата в целом, поэтому для производства относительно недорогих цифровых фотоаппаратов используется матрица, в которой светочувствительные элементы организованы в так называемый цветовой массив Байера. В этом массиве половина светочувствительных элементов, расположенных в шахматном порядке, отвечает за зеленый цвет, к которому человеческий глаз наиболее чувствителен, а остальные светочувствительные элементы (по 25 %) считывают соответственно красный и синий цвета. Значения двух других цветов в каждой точке изображения интерполируются (определяются) в электронном блоке на основе существующих математических методов интерполяции.

Важнейшими компонентами цифрового фотоаппарата, определяющими качество его фотоснимков, являются оптическая система и светочувствительная матрица. В качестве светочувствительной матрицы в настоящее время используется CCD-матрица (Charge Coupled Device – прибор с зарядовой связью). Принцип действия ее в следующем: матрица состоит из массива прямоугольных светочувствительных элементов – конденсаторов, накапливающих электрический заряд под воздействием падающего на них света. После того как затвор фотоаппарата закрывается, с матрицы происходит считывание зарядов (последовательно, строка за строкой) и запись их значений в специальную считывающую строку, из которой последние, усиленные и преобразованные в цифровую форму, переносятся в память фотоаппарата. В процессе считывания зарядов CCD-матрица «очищается», и к моменту окончания цикла считывания она готова к записи следующего снимка. Именно возможность построчного считывания со светочувствительных элементов накопленных во время съемки зарядов и отсутствие необходимости в дополнительной «очистке» матрицы и сделали в итоге технологию CCD ведущей при производстве цифровых фотоаппаратов.

Основными характеристиками матрицы являются ее разрешение и размер. Разрешение матрицы измеряется в мегапикселях (Мрх – Mega pixels). Впервые этот термин был введен компанией Kodak в 1986 г., когда она создала промышленный образец CCD – матрицы с разрешением 1,4 Мрх.

Разрешение матрицы определяет количество ее светочувствительных элементов. Например, если указывается разрешающая способность матрицы равной 5 Мрх, то это означает, что матрица имеет количество рабочих светочувствительных элементов, равное 5 000 000 (пять миллионов), что соответствует разрешению изображения, равному 2560 х 1920, которое может быть получено на экране монитора компьютера при отношении сторон снимка снимка, равном 4: 3. Разрешение матрицы – важная характеристика, влияющая на качество получаемых снимков. Например, если вы хотите получить качественный снимок 10 х 15 см и отпечатать его на принтере, т. е. обеспечить разрешающую способность при печати на принтере не менее 300 dpi (такое разрешение при печати в фотолабораториях считается приемлемым для получения качественного снимка), или 120 точек на 1 см, то разрешение самой матрицы цифрового фотоаппарата должно быть не менее 2,16 Мрх (120 х 15 х 120 х 10 = 2160000 точек). Матрица с более высоким разрешением улучшит качество снимка за счет прорисовки более мелких деталей изображения, но определяющую роль здесь будет играть все же качество оптической системы цифрового фотоаппарата. Дальнейшее увеличение разрешения приводит к возрастанию цифровых шумов на выходе АЦП электронного блока, что особенно сильно проявляется в условиях слабой освещенности фотографируемого объекта, и как следствие – к ухудшению качества снимка. Один из способов уменьшения влияния шумов на качество снимка – увеличение размера матрицы. По этой причине размер светочувствительной матрицы также является важной характеристикой, влияющей на качество снимка.

Размер матрицы – это условная характеристика, она записывается в виде числа, которому соответствуют определенные геометрические размеры (размер по горизонтали и вертикали) матрицы, например 1/2,5", 1/2", 1/1,8" и т. д. В табл. 5.3 приведены соответствия между условным размером и реальным размером некоторых выпускаемых светочувствительных матриц.

Между разрешением и размером матрицы существует зависимость: при постоянном размере матрицы шумы будут возрастать с увеличением ее разрешения, и наоборот, т. е. при постоянном разрешении матрицы шумы будут уменьшаться при увеличении ее размера. Однако увеличение размера матрицы приводит к повышению требований к оптической системе и, как следствие,  – к удорожанию цифрового фотоаппарата в целом. Поэтому производители ищут компромисс между разрешением и размером матрицы.

Графическая информация о фотографируемом объекте после соответствующей обработки в электронном блоке (аналогово-цифрового преобразования, интерполяции, сжатия в стандарте JPEG и т. д.) сохраняется в запоминающем устройстве (памяти) цифрового фотоаппарата в виде графического файла. Формат графического файла изначально предполагает его сжатие с целью уменьшения информационного объема. Для сжатия исходного графического файла в цифровых фотоаппаратах используется алгоритм сжатия JPEG (Joint Photographic Experts Group – объединенная группа экспертов по фотографии), после которого файл имеет расширение *.jpg и уже в таком формате переносится в компьютер и может быть сохранен в его памяти. Информационный объем графического файла (одного кадра) зависит от разрешения матрицы цифрового фотоаппарата и алгоритма сжатия и в настоящее время в среднем равен 1 Мбайт.

Память в цифровом фотоаппарате подразделяется на внутреннюю (встроенную) и внешнюю. Встроенной памяти, как правило, недостаточно (ее объем зависит от модели фотоаппарата и в среднем для любительских фотоаппаратов варьируется в пределах от 16 до 32 Мбайт), по этой причине используют внешнюю память (карту памяти), объем которой может значительно превышать объем встроенной памяти (на порядок и выше). В настоящее время в основном используют две карты памяти – SD (Secure Digital) и ММС (MultiMediaCard). Данные карты приобретаются отдельно и устанавливаются в разъем (слот), расположенный в корпусе фотоаппарата.

Просмотр установленных параметров съемки в меню, наведение фотоаппарата на объект и просмотр отснятого кадра осуществляется с помощью жидкокристаллического цветного дисплея.

Для переноса полученного графического файла на компьютер с целью его предварительного просмотра, корректировки с помощью соответствующих компьютерных программ (например, Video Studio, Photo Explorer, Photo Express и т. д.) и последующей печати на принтере используется кабель, который подключается к порту USB системного блока ПК.

Так же, как и в предыдущих случаях, рассмотрим в качестве примера запись в прайс-листе компании, торгующей цифровыми фотоаппаратами:

Kodak EasyShare LS753 (5.0Мрх, 36-100mm, 2.8х, F3.0–4.9, JPG, 32Mb + 0Mb SD/MMC, 1.8", USB, Li-Ion).

Представим данную запись в развернутом виде:

Kodak – компания-производитель;

Easy Share LS753 – модель фотоаппарата;

5.0 Мрх – разрешение матрицы;

36—100 mm – фокусное расстояние объектива;

2.8х – диапазон изменения фокусного расстояния (оптический zoom, или оптический 2.8х-трансфокатор);

F3.0–4.9 – светосила объектива;

JPG – формат сжатия;

32Mb + 0Mb SD/MMC – встроенная память 32 Мбайт, слоты для карт памяти SD/MMC;

1.8" – размер жидкокристаллического дисплея (46 мм);

USB – порт подключения (интерфейс);

Li-Ion – источник электрического питания (аккумулятор).

В настоящее время крупнейшими мировыми производителями цифровых фотоаппаратов являются компании Canon, Kodak, Nikon, Panasonic и т. д.

Для получения подвижных графических изображений (видеоизображений) в цифровом виде и последующего их ввода в компьютер используются цифровые фотоаппараты, способные работать в режиме видеосъемки, и цифровые видеокамеры.

Многие современные любительские цифровые фотоаппараты имеют режим видеосъемки, который позволяет снимать видеосюжеты со скоростью несколько десятков кадров в секунду (например, 30 кадров в секунду). Полученный при этом видеофайл и сохраненный в памяти цифрового фотоаппарата в соответствующем формате (например, AVI, MOV, MPEG и т. д., что зависит от конкретной модели цифрового фотоаппарата) может быть воспроизведен на экране дисплея или перенесен на компьютер. При открытии (запуске) графического файла на экране дисплея фотоаппарата или компьютера проходит последовательность кадров (неподвижных графических изображений) с определенной скоростью, которая из-за инерционности человеческого глаза воспринимается как видеоизображение. Для получения более качественного видеоизображения в цифровой форме используются цифровые видеокамеры, в которых используются более качественная оптическая система и светочувствительная матрица, а также запоминающее устройство, имеющее больший объем памяти. Цифровые видеокамеры, также как и цифровые фотоаппараты, делятся на любительские и профессиональные, которые различаются по техническим и эксплуатационным характеристикам. У профессиональных цифровых фотоаппаратов и видеокамер они значительно выше. Любительские цифровые видеокамеры в основном имеют два формата: MiniDV, при котором запись производится на миниатюрную магнитную кассету, и DVD, при котором запись производится на оптический диск.

В настоящее время ведущими мировыми производителями цифровых видеокамер являются компании Sony, Panasonic, Philips, Canon и NC.

Для ввода звуковой информации в ПК используется микрофон, который подключается с помощью электрического кабеля к звуковой карте (звуковому контроллеру). Звуковая карта устанавливается в один из слотов (разъемов) на системной плате ПК. Микрофон преобразует звуковой сигнал в электрический, который затем поступает в звуковую карту. Звуковая карта принимает электрический сигнал от микрофона, преобразует его из аналоговой формы в цифровую и сохраняет звуковую информацию в виде файла, формат которого определяется компьютерной программой обработки звуковой информации (например, WMA – Windows Media Audio). Качество оцифрованной звуковой информации определяется параметрами АЦП звуковой карты: ее разрядностью (16–24 бит) и частотой дискретизации (44,1; 48; 96 или 192 кГц). Кроме того, современные звуковые карты имеют частотный диапазон воспроизводимого звука от 20 Гц до 20 КГц. Для ввода звуковой информации в ПК используются в основном электростатические (конденсаторные) микрофоны.

5.2.2.3. Устройства вывода информации с персонального компьютера

К устройствам вывода информации относятся монитор, принтер, графопостроитель (плоттер), звуковые колонки, наушники.

Монитор, или дисплей, относится к основным устройствам вывода информации в ПК и предназначен для визуального отображения графической и текстовой информации на своем экране. В отличие от принтера и плоттера монитор может отображать на своем экране как статическую, так и динамическую (изменяющуюся) информацию без ее долговременной фиксации. Монитор совместно с видеоконтроллером (видеоадаптером) обычно входит в состав видеосистемы или видеотерминала ПК.

По принципу действия мониторы в настоящее время различаются на следующие типы:

• на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ или CRT – Cathode Ray Tube);

• на основе жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ или LCD – Liquid Crystal Display);

• плазменные (PDP – Plasma Display Panels);

• светоизлучающие на основе органических материалов (LEP – Light Emission Plastics);

• на основе автоэлектронной эмиссии (FED – Field Emission Display);

• на основе низкотемпературного поликристаллического кремния (LTPS – Low Temperature Poly Silicon).

На сегодняшний день в ПК находят наибольшее применение два первых типа мониторов, основное отличие которых состоит в способе формирования изображения на экране. В мониторах первого типа основным элементом является электронно-лучевая трубка. Формируется изображение у такого монитора на внутренней поверхности экрана ЭЛТ, покрытого слоем люминофора – специального вещества, светящегося под воздействием электронного луча, который создается с помощью электронной пушки и управляется системами горизонтального и вертикального отклонения луча. Люминофор наносится на внутреннюю сторону ЭЛТ в виде точек – пикселей. В цветных мониторах каждый пиксель состоит из трех точек люминофора, которые под воздействием своего электронного луча (используется три электронных пушки) излучают соответственно красный, зеленый и синий цвета. Изменяя яркость свечения каждого из этих трех основных цветов при их смешивании, можно получить соответствующую палитру цветов. Перед экраном на пути электронов устанавливается тонкая металлическая пластина с большим количеством отверстий, расположенных напротив точек люминофора. Эта пластина обеспечивает попадание электронных лучей от трех пушек только в точки люминофора соответствующего цвета. Электронный луч под воздействием отклоняющей системы монитора перемещается по экрану слева направо и сверху вниз и появляется растр в виде светящихся разноцветных точек, который и создает у пользователя иллюзию изображения. Информационный и управляющий сигналы поступают на вход монитора с видеоадаптера.

Конструктивно монитор типа CRT состоит из корпуса, в котором располагаются ЭЛТ, системы вертикального и горизонтального управления лучом, электронный блок с кнопками управления, высоковольтный источник напряжения ЭЛТ, блок питания, разъемы для подключения к системному блоку ПК и сети переменного тока и т. д. Кроме того, в комплект поставки входят шнур электропитания, электрический (информационный) кабель, подставка под монитор.

К основным характеристикам монитора типа CRT относятся:

• разрешающая способность, которая определяется числом пикселей по горизонтали и вертикали, которая может принимать значения 800 х 600, 1024 х 768, 1152 х 864, 1280 х 720 и т. д.;

• глубина цвета, измеряется в битах, например 16 или 32 бит;

• размер пикселя, например 0,22, 0,24, 0,28 мм и т. д. Чем меньше размер пикселя, тем лучше качество монитора;

• размер экрана, который задается величиной его диагонали в дюймах, например 15", 17", 21" и т. д.;

• частота вертикальной (кадровой) развертки, которая определяет скорость смены кадров изображения и может варьироваться от 50 до 240 Гц. Чем выше частота кадров, тем меньше утомляемость глаз. Частота смены кадров зависит от разрешающей способности монитора – чем выше способность, тем меньше должна быть частота;

• частота горизонтальной развертки, варьируется в пределах 30–71 кГц.

Кроме того, на разрешающую способность и качество изображения монитора влияет объем видеопамяти видеоадаптера.

Подключается монитор к системному блоку компьютера (видеоадаптеру) посредством электрического кабеля и 15-контактного коннектора (разъема) D-Sub.

К мониторам типа CRT предъявляются достаточно жесткие требования к уровню магнитных и электрических излучений, которые неблагоприятно влияют на здоровье человека. В связи с этим каждый монитор должен иметь сертификат безопасности, представляющий набор требований к уровням магнитных и электрических излучений в разных диапазонах частот, к функции энергосбережения. Данный сертификат определяет экологическую безопасность и эргономические параметры. По мере совершенствования мониторов изменялись и требования к безопасности, которые отражались в сертификатах MPR II, ТСО-92, ТСО-95, ТСО-99 и т. д. В настоящее время действует в основном самый безопасный сертификат ТСО'03.

Рассмотрим в качестве примера запись в прайс-листе компании, торгующей мониторами типа CRT:

19" MONITOR 0.24 LG Natron F920B.

Представим данную запись в развернутом виде:

19" – размер диагонали монитора (48,3 см);

0.24 – размер пикселя;

LG – компания-производитель;

Flatron F920B – модель монитора.

Наибольшей популярностью в настоящее время пользуются мониторы типа LCD. Эта популярность, а также достоинства этого типа мониторов привели к тому, что многие производители прекращают выпуск CRT-мониторов. Принцип действия мониторов LCD основан на использовании в них веществ, находящихся при нормальных или близких к ним условиях в жидком состоянии, но обладающих некоторыми свойствами, например оптическими, характерными для кристаллических тел. Эти вещества называют жидкокристаллическими. Одним из представителей таких веществ является цианофенил.

Вещества, обладающие указанными свойствами, состоят из молекул, которые пропускают падающий на них свет в зависимости от своей ориентации в пространстве. Если оптические плоскости молекул жидкокристаллического вещества параллельны вектору электромагнитной индукции падающей на них составляющей света (части спектра светового излучения), то они ориентированы (поляризованы) в пространстве и пропускают эту составляющую света. В противном случае они не ориентированы (не поляризованы) и не пропускают ее. Ориентацией молекул в таких веществах можно управлять, воздействуя на них электрическим полем. Это свойство жидких кристаллов используется для формирования изображения на экране LCD-монитора.

Существует достаточно много конструкций LCD-мониторов и технологий их изготовления, которые очень сложны и рассмотрение их выходит за рамки данного учебного пособия. Основой LCD-монитора является жидкокристаллическая матрица, в которой изображение формируется с помощью горизонтальных и вертикальных прозрачных токопроводящих электродов, расположенных на поверхностях стеклянных пластин (подложек). Эти пластины расположены на очень близком расстоянии друг от друга. Между подложками помещается жидкокристаллическое вещество, молекулы которого изменяют свою поляризацию под воздействием подаваемого на электроды электрического напряжения. Если на вертикальные и горизонтальные электроды подавать последовательно с определенной периодичностью электрические импульсы, то поляризации будут подвергнуты только молекулы, находящиеся на пересечении этих электродов, и соответственно свет от встроенного в монитор источника будет проходить без ослабления только в местах этих пересечений. Этот свет и будет формировать у пользователя образ графического изображения, состоящего из светящихся точек (пикселей) на экране монитора. Процесс подачи электрических импульсов на электроды периодически повторяется с частотой строчной и кадровой разверток монитора, и у пользователя из-за инерционности зрительного восприятия глаз будет формироваться неподвижное или подвижное графическое изображение на экране. В зависимости от конструкции в мониторах могут использоваться различные источники света: лампы подсветки или полупроводниковые приборы (транзисторы, диоды и т. д.). Жидкокристаллическая матрица в цветных мониторах содержит дополнительно красный, зеленый и синий светофильтры, которые выделяют из излучения источника белого света три основных компонента. Комбинируя основные цвета для каждой точки или пикселя экрана, можно воспроизвести заданную палитру цветов. В настоящее время для ПК в основном выпускаются LCD-мониторы, в которых матрица выполнена по технологии TFT(Thin Film Transistor – тонкопленочный транзистор). Данные матрицы называются также активными. В них с помощью специальной технологии на пересечении горизонтальных и вертикальных электродов устанавливаются активные управляющие элементы – тонкопленочные транзисторы. Количество транзисторов определяется максимально возможной разрешающей способностью монитора. В цветных мониторах каждый пиксель состоит из триады, поэтому если максимальная разрешающая способность LCD-монитора составляет, например, 1280 х 1024, то количество транзисторов будет равно 3 х 1280 х 1024 = 3 932160. Транзисторы выполняют в таких матрицах функции управления и подсветки для ячеек жидкокристаллического вещества. В отличие от пассивных матриц (в них отсутствуют тонкопленочные управляющие транзисторы) у активных матриц некоторые характеристики выше, что влияет на качество получаемого изображения и удобство работы с монитором, в котором установлена активная матрица. У активных матриц отсутствует влияние соседних пикселей друг на друга, меньше инерционность (последействие или латентность) пикселей, значительно больше угол обзора по горизонтали и вертикали. Угол обзора влияет на удобство работы с монитором. У мониторов с пассивной матрицей приемлемое качество изображения получается только при фронтальном расположении пользователя перед экраном монитора.

Конструктивно монитор типа LCD состоит из корпуса, в котором располагаются жидкокристаллическая матрица, электронный блок с кнопками управления, разъемы для подключения к системному блоку ПК. Источник питания, как правило, является выносным. Кроме того, в комплект поставки входят электрический (информационный) кабель и подставка под монитор.

Основные характеристики LCD-мониторов частично совпадают с характеристиками CRT-мониторов (разрешающая способность, глубина цвета, размер диагонали и т. д.), но имеется ряд важныхарактеристик, которые обязательно указываются в техническом паспорте на LCD-монитор. К таким характеристикам можно отнести:

• яркость – измеряется в канделах на метр квадратный и обычно находится в пределах от 200 до 400 кд/м². Чем больше яркость, тем качественнее монитор;

• контрастность – одна из самых важныхарактеристик LCD-мониторов. Определяется как отношение яркости самого светлого участка экрана монитора к самому темному, среднее значение контрастности находится в пределах 600: 1V700: 1. Чем больше это соотношение, тем качественнее изображение на мониторе;

• инерционность, или латентность, пикселя – определяется как время отклика, или реакции, пикселя на видеосигнал. Значение этой характеристики у хороших мониторов находится в пределах 4—12 мс, при высокой латентности матрицы резкие движения курсором мыши оставляют шлейф на экране монитора;

• угол обзора – показывает, на какой угол может отклониться взгляд человека без потери им видимости изображения на экране монитора. Указывается такой угол как по вертикали, так и по горизонтали, у современных мониторов находится в пределах 170°;

• частота вертикальной (кадровой) развертки – определяет скорость смены кадров изображения и варьируется от 56 до 76 Гц.

Подключаются LCD-мониторы к системному блоку компьютера (видеоадаптеру) посредством электрического (информационного) кабеля и 15-контактного коннектора (разъема) D-Sub (аналоговый вход управления монитором) или с помощью коннектора DVI – Digital Video Interface (цифровой вход управления монитором).

Рассмотрим в качестве примера запись в прайс-листе компании, торгующей мониторам типа LCD:

19" MONITOR LG L1950B-SF Flatron <Silver> (LCD, 1280x1024, +DVI).

Представим данную запись в развернутом виде:

19" – размер диагонали монитора (48,3 см);

LG – компания-производитель;

L1950В-SF Flatron <Silver> – модель монитора;

LCD – тип монитора;

1280 х 1024 – максимальная разрешающая способность монитора;

+ DVI – цифровой вход управления монитором.

Отметим преимущества и недостатки LCD-мониторов по сравнению с мониторами типа CRT. К преимуществам можно отнести:

• значительно меньшее потребление электроэнергии (до 40 Вт, CRT-70-100 Вт);

• хорошая фокусировка, отсутствие геометрических искажений и ошибок совмещения цветов;

• отсутствие мерцания экрана (отсутствует обратный ход луча);