1. Technické prostředky počítačové grafiky

1. Technické prostředky počítačové grafiky Studijní cíl První blok kurzu je věnován technickým prostředkům počítačové grafiky. Seznámíme se s platformami které měly zásadní vliv na oblast zpracování grafických dat a oblast zpracování publikací. Potom se zaměříme na vstupní a výstupní periferie počítačů v oblasti počítačové grafiky a systémů DTP. Doba nutná k nastudování 2 3 hodiny 1.1 Výpočetní systémy Když představila firma INTEL v roce 1971 svůj první mikroprocesor I 4004, nikdo netušil, že tento vynález změní budoucnost celého průmyslového světa. Obrázek 1: Mikroprocesor Intel 8008 (vlevo) a Intel 8080 (vzadu) v porovnání s mikroprocesorem Intel 4004 (vpravo) (zdroj: it.pedf.cuni.cz) Byl položen základ k tomu, aby velké, drahé a složité sálové počítače (mainfraimy) byly postupně modifikovány na stroje s řádově menšími rozměry a energetickými příkony a s výrazně vyššími výpočetními výkony. Tyto počítače pracující na několika odlišných platformách pronikly naprosto nekompromisně do všech odvětví lidské činnosti a výrazně změnily dosavadní způsoby práce a myšlení. A měly samozřejmě také zásadní vliv na oblast zpracování grafických dat a oblast zpracování publikací. 1

Obrázek 2: Sálový počítač IBM 7030 (zdroj: it.pedf.cuni.cz) Když pomineme superpočítače a ze scény pomalu, ale jistě ustupující sálové počítače, zůstávají tři počítačové platformy vhodné pro oblast počítačové grafiky a DTP: počítače na bázi IBM PC (Personal Computer) mnoha výrobců (IBM, Compaq, Hewlett Packard a další) s operačním systémem Windows. počítače Macintosh firmy Apple Computer s operačními systémy Mac OS. počítače (pracovní stanice - workstations) založené na procesorech RISC od různých výrobců (IBM, Sun, Digital, Silicon Graphics a další) s operačními systémy Unix a jejich klony. 1.1.1 Počítače PC Architektura a operační systém těchto počítačů jsou založeny na původním IBM PC, který byl uveden na trh v roce 1981. Všechny tyto počítače používají mikroprocesory firmy INTEL Pentium III a IV, nebo jejich klony. V současné době jsou nejprodávanějšími počítače PC s procesory s taktovacími frekvencemi 1GHZ - 2GHz. 2

Obrázek 3: PC s mikroprocesorem Pentium III (zdroj: e.kotear.pe) Uvedu příklad základních parametrů výkonného počítače s procesorem Pentium z poloviny roku 2001: Procesor Pentium III 1.5GHz 64-256 MB RAM Sběrnice PCI Videokarta 32 MB HD 10 GB - 40 GB SCSI, FD 3,5 palce 1,44 MB CD ROM 48x ZIP 100 MB Rozhraní SCSI, 10MBitový Ethernet Největší předností platformy PC je relativně nízká cena a z toho vyplývající velké množství instalovaných systémů a velké množství vytvořených aplikací. Největším nedostatkem byla v minulosti omezení způsobená dodržováním kompatibility se staršími verzemi. Jednalo se především o problémy rozšiřování operační paměti a víceúlohového režimu a některé další. I když Windows 95 a jeho následovníci a také použití GUI (grafického uživatelského rozhraní) tyto nedostatky vyřešily, je systém Windows dost citlivý na méně korektní manipulace a tím také méně spolehlivý. Následující padání systému je především v oblasti zpracování grafiky zásadním nedostatkem. Tyto nedostatky vyřešil příchod WindowsNT, Windows 2000 a jeho následovníci založené na technologii NT (New Technology). 1.1.2 Počítače Macintosh Firma Apple Computer byla založena v roce 1976. Během velmi krátké doby se v oblasti osobních počítačů dostala mezi firmy s největším ročním obratem. Počítače 3

Macintosh byly od začátku vyvíjeny nezávisle na platformě IBM PC a vyhnuly se tak jejich největšímu problému zachovávání kompatibility s předchozími verzemi a tím také problémům s rozšiřováním a rozvíjením výkonnějších typů počítačů. Až do nedávné doby byly počítače Macintosh díky dobrému operačnímu systému s příjemným grafickým uživatelským rozhraním, snadným rozšiřováním paměti a jednoduchostí spojování do sítí výhodnější pro mnohé aplikace než počítače platformy IBM PC. Osvědčily se především v oblasti grafiky a DTP. Zároveň však byly výrazně dražší a tím také méně rozšiřované než počítače PC. V současné době se výkony a ceny počítačů obou platforem, především v oblasti grafických aplikací, v podstatě srovnaly. Obrázek 4: Macintosh Power G3 (zdroj: www.everymac.com) Uvedu typickou konfiguraci počítače typu Macintosh Power G3 z poloviny roku 1999. Procesor Power G3 450MHz 64-256 MB RAM Sběrnice PCI HD 12 GB ATA, ZIP 100 MB CD ROM 24x VideoRAM 32 MB Rozhraní SCSI, AppleTalk, Ethernet Největší předností počítačů Macintosh je jeho spolehlivý operační systém (v roce 1999 MAC OS 8 ) s grafickým uživatelským rozhraním, jednoduchým ovládáním a snadným rozšiřováním paměti. Další předností je připojování dalších počítačů MAC a PC do heterogenních sítí přes rozhraní AppleTalk a EtherTalk. Hlavním nedostatkem bylo jisté ustrnutí ve vývoji, což mělo za následek srovnání výkonů počítačů Macintosh a posledních sestav PC s operačním systémem Windows NT. Očekávání splnila až v posledních letech spolupráce firem Apple Computer s 4

firmami IBM a Motorola na vývoji procesorů Power PC a novém procesorů G3 a G4, které přinesly radikální zvýšení výkonu v přijatelných cenových hladinách (na rozdíl od většiny počítačů založených na technologii RISC) a získání určitého náskoku před konkurencí. V uvedené době se firma Apple Computer dostala do značných ekonomických potíží díky některým chybám v řízení společnosti. Přesto, že nabízí velmi výkonné a spolehlivé stroje, ocitla se její ekonomika v červených číslech. Díky navázané spolupráci s firmou Microsoft a návratu zakladatele firmy Steve Jobse se podařilo firmu opět dostat na výsluní i v ekonomické oblasti. Dnes má firma vysoké renomé a přichází na trh s technologickými novinkami v oblasti přenosných zařízení (ipod, iphone, ipad). 1.1.3 Počítače založené na technologii RISC Architektura RISC (Reduced Instruction Set Computer) reprezentuje procesory s omezeným souborem instrukcí na rozdíl od architektury CISC (Complex Instruction Set Computer). Princip činnosti RISC procesoru je založen na poznatku, že při běžném zpracování dat se s větší četností používá jen malá část instrukčního souboru procesoru. Z toho vznikla myšlenka realizovat v procesoru jen jednodušší instrukce, přičemž složitější instrukce se realizují programově. Architektura procesoru s omezeným souborem instrukcí je zákonitě jednodušší, než u procesorů s architekturou CISC. Využitím této skutečnosti je možné do riskového procesoru implementovat technologie pro výrazné zvýšení jeho výkonu. Nejpoužívanější jsou paralelní zpracování a zřetězování instrukcí. Tímto způsobem se výkon procesoru může zvýšit až o řád oproti nejvýkonnějším procesorům CISC. Nejznámější riskové procesory jsou R7000 firmy Mips, procesory SPARC firmy Sun, procesor ALPHA firmy DEC, procesor HP7100LC firmy Hewlett Packard a procesor Power PC 604 firmy Motorola, který navíc cenou konkuruje procesorům Pentium a je používán i pro platformu Macintosh i pro běžné kancelářské a domácí počítače. Tyto procesory jsou určeny především pro výkonné servery a pracovní stanice firem Sun, Hewlett Packard, DEC, IBM a Silicon Graphics (servery Challenge, Origin a pracovní stanice Indigo, Indy, O2, Octane), které pracují pod operačním systémem Unix a začínají stále více pronikat do oblasti počítačové grafiky a DTP. 5

Obrázek 5: Pracovní stanice Octane (zdroj: www.serc.iisc.ernet.in) Uvedu typickou konfiguraci pracovní stanice Octane firmy Silicon Graphics z počátku roku 1997. 1 až 2 procesory 64-bit MIPS RISC R10000SC/180MHz, 1MB Secondary Cache 64 nebo 128 MB 8 GB RAM Sběrnice sedmiportový křížový spínač s přenosovou rychlostí 1,6 GB/s na port 2 x HD 4 GB - 8 GB CD ROM 32x Octane /MXI 32bitová double-buffered hardwarově akcelerovaná 3D grafika, hardwarová podpora OpenGL, GL, XWindows, hardware texture mapping, hardware Z-buffer, možnost dvou-monitorového připojení Rozhraní SCSI s možnostmi rozšíření PCI, 100Base-TX Ethernet, analogové a digitální audio, analogové a digitální video Renomované firmy z oblasti vývoje reprografických systémů, jako Scitex, Agfa, Dainippon Screen a další zařazují tyto stroje do svých systémů pro zpracování textu a obrazu. Začíná se tak stírat rozdíl mezi jejich High-End systémy a levnějšími systémy na bázi univerzálních počítačů. 1.1.4 High-End systémy A nyní ještě několik slov o tzv. High-End reprografických systémech. Renomované firmy z oblasti reprografie jako Scitex (systém WHISPER), Linotype Hell (systém DAWINCI) a další, se už léta zabývají vývojem reprografických systémů na vysoké technické úrovni. Tyto systémy měly implementovány speciální počítače, které nepatřily k žádné z výše uvedených platforem. Byly konstruovány speciálně pro použití v oblasti grafiky a jejich největší předností bylo optimální přizpůsobení hardware i software. Následkem byl vysoký výkon s mimořádně vysokou kvalitou zpracování. Tomu ale také odpovídají ceny těchto systémů, které se pohybují v milionech i desítkách milionů korun. Dnes výrobci implementují do těchto zařízení pracovní stanice založené na technologii RISC. To má za následek částečné snížení 6

cen. Přestože se už delší dobu předpovídá konec slávy těchto zařízení, skutečnost je taková, že se díky svým výkonům a kvalitě udržují stále na trhu. 1.2 Vstupní periferie počítačové grafiky 1.2.1 Myš Nejznámějším vstupním polohovacím zařízením je myš. Používá se k identifikaci objektů na obrazovce, modifikaci objektů a v počítačové grafice ke kreslení objektů. Základní princip činnosti spočívá v odvalování koule po zdrsněném povrchu podložky. Koule po přitlačení a pohybu po podložce uvádí do pohybu dva snímače souřadnic x, y. Snímače jsou tvořeny kotoučky s clonkami, které zakrývají nebo propouští světlo z LED diody na optoelektrický snímací prvek. Každému impulsu z optočlenu odpovídá určitá vzdálenost při posuvu myši na podložce. Z počtu impulsů napočítaných ve směrech x, y získáme relativní souřadnice v obou směrech. Posuv myši je vizuálně spojen s pohybem kurzoru na obrazovce a tímto způsobem lze snadno na obrazovce označovat objekty. Pomocí tlačítka myši se potom souřadnice označeného objektu zavedou pro zpracování programem. Konstrukční variantou myši je tzv. trackball. 1.2.2 Skener Dalším důležitým vstupním zařízením používaným v DTP je skener. Tento přístroj je určen k optickému snímání grafických předloh. Mohou to být jak neprůhledné (fotografie), tak transparentní předlohy (folie, diapozitivy). Princip činnosti skeneru spočívá v osvětlování předlohy speciálním zdrojem světla s rovnoměrnou intenzitou a následným snímáním odraženého světla od jednotlivých bodů předlohy, nejčastěji řádkovým snímačem s řadou CCD prvků. Na prvcích CCD (Charge Coupled Devices) vzniká elektrický náboj úměrný osvětlení a tedy intenzitě světla odraženého od bodu snímané předlohy. Tento náboj se z CCD prvků postupně převede na elektrické napětí a tak na výstupu snímače skeneru dostáváme elektrická napětí úměrná optickým hustotám bodů předlohy. Řádkový snímač snímá celou plochu mechanickým přemisťováním podél předlohy nebo je pevný a mechanicky se přemisťuje předloha. Základními parametry skeneru jsou rozlišení, denzita, hloubka barev, rychlost snímání a velikost snímané plochy. Rozlišení udává, kolik ještě rozlišitelných bodů předlohy lze nasnímat na délce jednoho palce (2,54 cm). U levnějších plošných skenerů bývá tento parametr v rozmezí 500 až 2000 dpi, u drahých bubnových skenerů až 10 000 dpi. Hodnota denzity charakterizuje, jak skener snímá rozdíl mezi bílou a černou barvou na předloze. Parametr hloubky barev udává, kolik bitů 7

obsahuje informace o barvě jednoho sejmutého bodu. Skener s 24 bitovou barvou má pro každou barevnou složku přiděleno 8 bitů. Podle konstrukce můžeme skenery dělit na ruční, plošné a bubnové. Vztah pro volbu rozlišení R při skenovaní R = 2 F Z kde F je síťová frekvence reprodukce a Z je zvětšení oproti skenovanému originálu. 1.2.3 Digitizér a tablet Digitizéry a tablety jsou dalšími vstupními zařízeními pro počítačovou grafiku. Jsou určeny především pro digitalizaci některých typů technických výkresů (digitizéry) nebo pro ovládání grafických programů (tablety) a jejich činnost je založena na různých principech. Funkce tabletu může být založena například na kapacitním principu. Pracovní plocha je zhotovena z tenké folie, na jejíž obě strany jsou naneseny elektricky vodivé spoje, na jedné straně rovnoběžné s osou x, na druhé straně s osou y. Do těchto vodičů jsou přiváděny elektrické kódované impulsy. Čidlo, které se pohybuje nad touto plochou, přijímá přes kapacitu tyto impulsy a pomocí nich identifikuje absolutní souřadnice x, y. Tímto způsobem lze na ploše 30 x 30 cm dosáhnout rozlišení 1 000 x 1 000 bodů. Digitizéry a tablety snímají na rozdíl od myši absolutní souřadnice. 1.2.4 Kamera a fotoaparát Dalším vstupním periferním zařízením počítačové grafiky jsou dnes CCD kamery a digitální fotoaparáty. Technologie CCD snímačů dosáhla takové úrovně, že je možné umisťovat jednotlivé CCD prvky na čipu ve vzdálenostech 10 15 μm, což umožňuje na 10 mm délky umístit 700 1000 CCD prvků. Pomocí CCD kamer můžeme snímat například libovolné objekty na tiskovém archu, vzorky biologických materiálů a dále je zpracovávat a vyhodnocovat pomocí algoritmů počítačové grafiky. Pomocí digitálních fotoaparátů lze snímat libovolné scény a nasnímané obrazy převádět do programů, které je dále zpracují. 8

1.3 Výstupní periferie počítačové grafiky 1.3.1 Displej Základním výstupním periferním zařízením počítače a také systémů DTP je displej. Displeje jsou založeny na principu katodové obrazovky CRT (Cathode Ray Tubes), dále na principu LED diod (Light Emitting Diode) a na principu zobrazovačů LCD (Liquid Crystal Display). Princip činnosti CRT katodové obrazovky spočívá ve vychylování elektronového paprsku do určitého bodu na stínítku obrazovky a dále v jasové modulaci tohoto bodu. Bod (pixel) může být monochromatický nebo barevný tj. složený ze tří monochromatických pixelů. Základním parametrem zobrazení na displeji je rozlišovací schopnost. Tento parametr udává počet ještě rozlišitelných pixelů na 1 palec délky. Průměrné obrazovky mohou dosahovat asi 100 dpi, špičkové až 200 dpi. Rozlišovací schopnost závisí na kvalitě luminoforu, na zaostření elektronového paprsku a na kvalitě vychylovacího systému. LCD displej je tenká plochá matice obrazových pixelů, která je naaranžována před zdroj světla. Každý pixel je tvořen sloupcem LC molekul a je uložen mezi dvě průhledné elektrody a dva polarizační filtry s kolmými osami polarizace. Pokud by mezi filtry nebyl LC krystal, světlo by neprocházelo z důvodu kolmých os polarizace. Přítomný LC krystal natáčí rovinu polarizace úměrně velikosti náboje přivedeného na průhledné elektrody. Tím je umožněn průchod světla přes druhý filtr k pozorovateli s jasem úměrným elektrickému náboji na elektrodách. Molekuly LC krystalu se totiž natáčejí úměrně velikosti přivedeného náboje a tím natáčejí polarizační rovinu procházejícího světla. Výhody LCD displejů Oproti CRT obrazovkám spočívají v malých rozměrech, dosahování vyšších kontrastů a jasů, nevýhodou je nižší barevný rozsah. Důležitým parametrem zobrazení je stranový poměr, což je poměr počtu bodů ve vodorovném směru k počtu bodů ve svislém směru. Nejpoužívanější velikosti rozlišení na celkový rozměr obrazovky a stranových poměrů jsou 640 x 480 bodů, 800 x 600 bodů, 1024 x 768 bodů, 1280 x 1024 bodů, 1600 x 1200 bodů. Funkční součástí zobrazení na displejích jsou zobrazovací procesory (grafické adaptéry, videokarty), které zprostředkovávají zobrazování informací uložených v paměti počítače na obrazovku displeje. Kvalita a výkonnost těchto procesorů je obzvláště důležitá v oblasti počítačové grafiky a DTP vzhledem k nárokům, které jsou kladeny na zpracování v této oblasti. Funkce grafických adaptérů spočívá v řízení některých funkcí zobrazení (regenerace zobrazení na obrazovce, geometrický formát zobrazení, počet barev atd.). 9

Základními parametry grafických adaptérů jsou rozlišení a počet zobrazovaných barev. Tyto parametry jsou závislé na velikosti obrazové paměti adaptéru (dnes běžně 1-2 GB). Obrazová paměť je vlastně předloha obrazového rastru na obrazovce. Například při zobrazení 1024 x 768 pixelů na obrazovce má obrazová paměť velikost 1024 x 768 x 8 bitů t.j. asi 800 KB při zobrazení 256 barev. Při zobrazení 16.7 mil. barev (tedy při 24 bitové hloubce barev) je potřeba paměť o velikosti 1024 x 768 x 24 bitů t.j. asi 2.5 MB. Nejpoužívanější standard grafických adaptérů je v současné době Video Graphics Adapter - VGA. Při stoupajících nárocích na zpracování zobrazení především v oblasti barevné grafiky se do grafických adaptérů implementují tzv. grafické akcelerátory. Jsou to vlastně speciální procesory, které přidávají do grafického adaptéru další funkce a odlehčují tím výpočet procesoru počítače. Jsou to například blokové přesuny, kreslení čar, vyplňování ploch, generování kurzoru a pod. 1.3.2 Tiskárna a plotr Tiskárny a plotry jsou další periferní zařízení, jejichž kvalita je rozhodující pro kvalitní výsledky grafického zpracování. Pro oblast počítačové grafiky a DTP je potřeba používat pouze kvalitních tiskáren, což jsou tiskárny laserové, některé inkoustové, voskové a sublimační. Obrázek 6: Princip laserové tiskárny 10

U laserové tiskárny (Obrázek 6) je obsah stránky uložen v paměti tiskárny. Pomocí interpreteru jazyka popisu stránky (například HPPCL nebo PostScript) se obsah paměti čte a provádějí se jeho příkazy. Potom se stránka převede do bitové mapy. Obrázek 7: Laserový paprsek kreslí na válec obsah tištěné stránky (zdroj: cs.wikipedia.org) Pomocí tzv. korony se dielektrický válec nabije elektrickým nábojem a laserový paprsek modulovaný obsahem bitové mapy kreslí na válec z dielektrického materiálu obsah tištěné stránky tak, že v místě tištěného bodu toto místo vybije. Elektricky nabitý toner se v tomto místě uchytí a při následujícím kontaktu s papírem se na něj přenese. Následně se toner na papíru fixuje teplem. Laserové tiskárny dosahují velkých rozlišení v rozmezí 600 až 1200 dpi a rychlost tisku až 16 stránek za minutu. Velikosti vnitřních pamětí dosahují až 32 MB a některé používají pro řízení tisku RISC procesory. Nejznámějším a nejrozšířenějším typem laserové tiskárny je v našich krajích zřejmě tiskárna HP LaserJet a její modifikace. 1.3.3 RIP RIP (Raster Image Procesor) je dalším periferním zařízením pro oblast přípravy publikací, které slouží k řízení osvitové jednotky. RIP přebírá do své paměti soubor dat tiskové stránky, pomocí interpreteru jazyka pro popis stránky provede příslušné příkazy a provede tedy konečnou modifikaci stránky podle toho, jak ji grafik vypracoval. Výsledek je uložen do seznamu hotových objektů. 11

Druhou hlavní funkcí procesoru RIP je převod interpretované stránky do rastrového formátu (bitové mapy) při současném zpracování tónovaných motivů. Výsledný soubor se pak posílá k dalšímu zpracování na osvitovou jednotku. RIPy konstruované jako speciální hardware začínají být nahrazovány tzv. softwarovými RIPy, což jsou nejčastěji pracovní stanice s procesory RISC (například SPARC-stations firmy SUN). Otázky na procvičení 1. Uveďte tři počítačové platformy vhodné pro oblast počítačové grafiky a DTP? 2. Vysvětlete princip činnosti RISC procesoru a u jaké platformy je používána? 3. Vyjmenujte vstupní periferie používané v počítačové grafice? 4. Vyjmenujte výstupní periferie používané v počítačové grafice? 5. Vysvětlete co znamená zkratka RIP a jakou má funkci? Odkazy a další studijní prameny http://it.pedf.cuni.cz/prakcin/image.php?kap=3&sub=&id=43 První prodávaný mikroprocesor Intel 4004 http://it.pedf.cuni.cz/prakcin/image.php?kap=3&sub=&id=46 Osobní počítač Apple 2 včetně dvojice externích disketových jednotek a joysticku http://it.pedf.cuni.cz/prakcin/image.php?kap=3&sub=&id=47 - Osobní počítač IBM PC Model 5150 z roku 1981 12