Plutonium #19
20 августа 2001

Программирование - формирование изображения на экране монитора.

............................................................
        ФОРМИРОВАНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ НА ЭКРАНЕ МОНИТОРА:
                       ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ
                        (компиляция)
............................................................

(с) Tertius Gaudens

  1 Зрение

  1.1 Психофизиологические характеристики

     Принято  считать, что около 90% информации человек получает
при  помощи  зрительного аппарата. И, прежде, чем перейти к этим
самым  "общим  принципам",  следует  рассмотреть его неко- торые
особенности.   При   этом   следует  учесть,  что  все  нижепри-
веденные,  взятые  из  различных  источников,  данные,  получены
экспериментально  (поэтому  не  могут  считаться  точными), при-
чем, прежде всего, применительно к ТВ изображению.
  Восприятие разделяют на такие этапы:
  - обнаружение;
  - различение;
  - опознание;
  - декодирование (интерпретация).
  Этот процесс характеризуют следующие понятия.
     Предметность  -  яркость, цвет, величина, форма изображения
воспринимаются, как отнесенные к некому предмету.
     Целостность  - изображение воспринимается в ЦЕЛОМ (т.е. не-
возможно  сделать  оптимальным  какой-либо  его  ОТДЕЛЬНЫЙ пара-
метр).
     Структурность  -  предмет воспринимается как структура, со-
вокупность  составных  частей.  Основную  информацию  об объекте
несет  контур  и  "критческие  точки"  контура, в которых проис-
ходит  резкое  изменение  направления  линий.  Контуры,  образо-
ванные  прямыми  линиями,  распознаются  быстрее,  чем  криволи-
нейные.
     Константность  - предмет воспринимается независимо от усло-
вий  его  наблюдения  (например,  кусок  угля  на солнце блестит
куда сильнее, чем лист белой бумуги, однако мы их не пута- ем).
     Селективность  -  изображение  воспринимается, как объект и
фон.  Объект  выделяется,  исходя  из  из его цвета, формы, раз-
мера,  размещения,  а также - исходя из собственного опыта. Если
показатели  объекта  и  фона близки (прежде всего - по размеру и
конфигурации),   то   значение   субъективного   фактора   резко
возрастает.  Известен  хрестоматийный  пример:  в  случае, когда
изображение  и  фон  имеют  одинаковую  площадь,  поперемен-  но
воспринимается как фон/изображение то одно, то другое.

  ┌────────────────┐
  │              /│
  │            /  │
  │          /    │
  │      >  <      │
  │    /          │
  │  /            │
  │/              │
  └────────────────┘

     Аперцепция  -  восприятие  исходя  из  собственного  опыта.
(Объект,  незначительно  отличающийся  от  предыдущего,  воспри-
нимается именно как предыдущий)
     Адаптация  -  скорость  реакции  глаза на изображение и его
изменение.  Она  зависит  от  уровня  яркости  изображения,  его
фона,  окружающей  среды,  т.е.  освещенности  изображения. Глаз
адаптируется  к  изменению  яркости  при  дневном  свете за нес-
колько секунд, в темноте - за минуты.
     Интересен  эффект  "локальной адаптации": цветоразличитель-
ная  способность  глаза  снижается  при  ДЛИТЕЛЬНОМ рассматрива-
нии  цветных  деталей.  В  то  же  время  чувствительность глаза
повышается,  если  фон  имеет  цветнность  и  яркость, близкую к
цветности  рассматриваемых  деталей.  (Посмотрите  на 3 соседние
цветные  строки  текста:  не  покажется ли вам на какое-то мгно-
вение,  что  средняя  строка  имеет  несколько другие цвет и яр-
кость?)

  1.2 Поле зрения

     Общее  поле зрения одного глаза составляет 140...160 град.,
двух - больше 200 град.
  Поле зрения состоит из:
     - центрального в 4 град.;
     -  ясного  в  30...35  град.  (распознавание без различения
мелких деталей);
     -  периферического в 75...90 град. (выявление без распозна-
вания).
     Различие  в показателях угла зрения по горизонтали и верти-
кали  приводит  к  тому,  что  при перемещении наблюдаемого объ-
екта  его  скорость по вертикали кажется большей в 1,3 раза, чем
по горизонтали.
     Минимальная  угловая  разрешающая способность глаза изменя-
ется  от  0,5...2'  в  идеальных  условиях до 3...10' в условиях
дефицита времени и прочих неблагоприятных факторов.


  1.3 Способность к сканированию

     Недостаточная  острота периферического зрения компенсирует-
ся  подвижностью  глаза  -  поисковой (выявление) и гностической
(различение деталей и распознавание).
     Процесс  визуального поиска, выявления и распозавания изоб-
ражения  в  пределах  угла  зрения состоит в сканировании глаза-
ми  определенных  точек фиксации. Длительность поиска зависит от
угловых размеров объекта и поля поиска. Считается, что:
     -  максимум  точек  фиксации  сосредоточен  в центральной и
правой  нижней  части  экрана,  а  минимум - в левой нижней час-
ти;
     -  средее угловое расстояние между точками фиксации состав-
ляет 8,6 град.;
     -  с  увеличением  угла  зрения время фиксации уменьшается,
расстояние  между  точками  фиксации  увеличивается, а эффектив-
ность  поиска резко уменьшается, т.к. увеличивается количест- во
точек фиксации за пределами экрана.
     -  поиск  происходит  в  направлении  "слева-направо, свер-
ху-вниз".


  1.4 Восприятие яркости

     Глаз  человека  воспринимает  следующие  диапазоны  яркости
(кандел/кв.м):

           -6      -4
     - 3*10  ... 10   - ночной;

         -4
     - 10  ... 3 - сумеречный;

                4
     - 3... 3*10   - дневной.

     Количество  градаций  яркости,  воспринимаемых глазом, сос-
тавляет  q  =  90...200.  Отсюда количество разрядов квантования
видеосигнала должно составлять

                   m = log q > 7
                          2

  1.5 Восприятие цвета

     Цветность  относительно спектральной чувствительности глаза
определяет   комфортность  и  разрешающую  способность  восприя-
тия.  Считается,  что глаз человека способен воспринимать 3...17
тыс. цветов, а с учетом яркости - 3...10 млн.
     Ho  если  речь  идет  не  о "эстетическом восприятии", а об
идентификации,  то  количество  этих  градаций  резко уменьшает-
ся. Например, при монохромном воспроизведении идентифициру- ются
лишь    5...8   полутонов.   С   применением   раскраски   (т.н.
"псевдоцветового кодирования") изображения его информатив- ность
резко    повышается.    Соответственно   повышаются   точность и
оперативность его восприятия.
     В  то  же время при чрезмерной "раскраске" изображение при-
обретает   весьма   сложную  цветовую  структуру,  однозначность
интерпретации  которой  ухудшается.  Кроме  того,  нарушению це-
лостности  изображения  способствует  нарушение  принципа монох-
ромности,  яркости  и  непрерывности  в  3-мерном цветовом прос-
танстве.
     Поэтому  в  случае, если раскраска применяется для удобства
работы  оператора,  количество  ее  градаций  должно  быть мини-
мально  необходимым.  Найболее  эффективным  псевдоцветовое  ко-
дирование считается при m 4  0< 7  04.
     Цветоразрешающая  способность  глаза в несколько раз меньше
его яркостной разрешающей способности.
     Трехкомпонентность  зрения существует только при пространс-
твенной  частоте  df  <  0,5  МГц  (крупные  объекты).  По  мере
уменьшения  размера  цветных  деталей  на  изображении  глаз пе-
рестает  различать  между  собой  сначала желтые и синие детали,
затем  -  красные  и  зеленые.  В  дальнейшем желтые и голубова-
то-зеленые   цвета  начинают  восприниматься,  как  белый  цвет,
синий и красный - как черный.
     Резкое снижение спосбности к цветоразличению происходит при
угловом  размере  деталей в 15'. На таких "критических" частотах
может  наблюдаться  "мерцание цвета" - несколько "просвечивающих
друг сквозь друга" цветов.
     Этот  эффект можно использовать при имитации "удаляющегося"
объекта   -  степень  изменения  цвета  может  служить  сигналом
удаленности.
     При  0,5 < df < 1,5 Мгц воспринимаемый цвет является смесью
оранжевого  и  голубого.  При  df  > 1,5 МГц (по другим источни-
кам  -  при  df  >  4  МГц) изображение воспринимается только по
яркостным  градациям.  Поэтому  допустимо  не  передавать инфор-
мацию  о  цвете мелких деталей: в НТСЦ df цветности = 1,5 МГц, и
сигналы  цветности  передаются  через  строку.  В  ПАЛ  df цвет-
ности  +  4,44  МГц  (приблизительно), и сигналы цветности пере-
даются в каждой строке.
     Таким  образом, по ТВ мы видим не цветное, а "раскрашенное"
изображение.


  1.6 Распознаваемые цвета

     Считается,  что  ТОЧHО  идентифицируются  (помимо  белого и
черного) следующие цвета:
  - фиолетовый;
  - голубой;
  - зелено-голубой;
  - голубовато-зеленый;
  - зеленый;
  - желтый;
  - оранжевый;
  - оранжево-красный;
  - красный.
     Сопоставим  эти данные с тестовой ТВ таблицей. При однораз-
рядном  RGB-кодировании,  дополненном  трехразрядным  кодом  яр-
кости, на мониторе воспроизводятся 8 цветов:

─────────┬─────┬────────
Код      │Цвета│Яркости
─────────┼─────┼────────
Цвет     │R G B│Y2 Y1 Y0
─────────┼─────┼────────
белый    │1 1 1│ 1  1  1
желтый   │1 1 0│ 1  1  0
голубой  │0 1 1│ 1  0  1
зеленый  │0 1 0│ 1  0  0
пурпурный│1 0 1│ 0  1  1
красный  │1 0 0│ 0  1  0
синий    │0 1 1│ 0  0  1
черный   │0 0 0│ 0  0  0
─────────┴─────┴────────
    2 Изображение

  2.1 Кодирование изображений

     Следует различать 2 вида изображений:
     -  предъявляемое  зрителю  - то, которое должно быть макси-
мально приближенным к реальному;
     -  предъявляемое  оператору  - то, которое должно содержать
минимум  идентификаионных  признаков  с  целью максимального ус-
корения распознавания и принятия решения.
     Распространенными  способами кодирования изображений счита-
ются:
  - знаковый и координатный (наиболее совершенные);
     -  цветовой  и  яркостной (имеют ограничения, обусловленные
субьективным фактором восприятия);
  - с помощью мелькания изображения.


  2.2 Формат кадра

     Формат  воспроизведения  Ф выбирается исходя из характерис-
тик  зрения  и  условий  оптимального  соотношения  сканирования
глазом  по  горизонтали  и  вертикали.  С  учетом ограниченности
сканирования  глазом  по вертикали и удобства сканирования им по
горизонтали,   общепринятым  является  соотношение  Ф  <  2:1. В
стандартных  ТВ  развертках  Ф  = 4:3, при этом оптимальный угол
наблюдения  экрана составляет 25...30 град., что соот- ветствует
дистанции  наблюдения  в  4...5  высот экрана. При иных условиях
наблюдения возможны и другие значения Ф:

─────────────────────┬───────────────────────────────
 Формат изображения  │       Тип формата
────────────┬────────┤
Соотношение │Числовое│
 сторон     │значение│
────────────┼────────┼───────────────────────────────
    5 : 4   │  1,25  │Оптимальный экран осциллографа
    4 : 3   │  1,33  │Телевизионный
      -     │  1,37  │Европейский кинематографический
    1/2     │        │
   2    : 1 │  1,41  │Формат ЕСКД
            │        │
    5 : 3   │  1,67  │Экран ТПЧ
      -     │  1,73  │Европейский широкоформатный
   16 : 9   │  1,78  │Екран ТВЧ
      -     │  1,85  │Американский широкоформатный
    2 : 1   │  2     │Оптимальный кинематографический
────────────┴────────┴───────────────────────────────

  Сопоставим эти данные с форматами IBM-совместимых систем:

─────────────┬─────────┬────────────────────
Тип стандарта│Разложе- │      Формат:
             │   ние   │соотнош. │числ. знач.
─────────────┼─────────┼─────────┼──────────
     EGA     │ 640x350 │  64:35  │  1,83
─────────────┼─────────┼─────────┼──────────
     HGC     │ 720x348 │  60:29  │  2,01
─────────────┼─────────┼─────────┼──────────
     VGA     │ 640x400 │   8:5   │  1,6
             │ 720x400 │   9:5   │  1,8
             │ 640x480 │   4:3   │  1,33
─────────────┼─────────┼─────────┼──────────
    SVGA     │ 800x600 │   4:3   │  1,33
─────────────┼─────────┼─────────┼──────────
     GDC     │ 960x720 │   4:3   │  1,33
             │1024x768 │   4:3   │  1,33
─────────────┼─────────┼─────────┼──────────
    WYSE     │1280x800 │   8:5   │  1,6
             │1664x1200│ 104:75  │  1,39
─────────────┴─────────┴─────────┴──────────

     Отсюда  видно, что Ф = 16:9 = 5,33:3 = 1,78 хорошо согласо-
вывается  с  европейским  (1,73)  и  американским (1,85) кинема-
тографическими форматами, а также с развертками VGA (1,6; 1,8) и
EGA (1,83). Именно поэтому он оптимален для большого экрана ТВЧ.


  2.3 Частота кадра и тип развертки

     Частота  сигнала, при которой он кажется непрерывным, назы-
вантся  "критическая  частота  мельканий".  Этот показатель рас-
тет по экспоненте с увеличением яркости и площади изображе- ния.

─────────┬──┬──┬──┬──
    В    │10│20│40│60
(кд/кв.м 1) 0│  │  │  │
 1───────── 0┼ 1── 0┼ 1── 0┼ 1── 0┼ 1──
f (Гц)   │20│25│30│32
─────────┴──┴──┴──┴──

     Для  восприятия  изображения движущегося объекта достаточно
обеспечить  частоту  его  сканирования  в  20...25 кадр/с. В ки-
нематографе принята частота смены кадра 24 кадр/с.
     В  ТВ  системах качество визуального восприятия изображения
зависит от частоты воспроизведения кадра Fв.

──────┬─────┬─────┬────┬──────┬──────┬──────
Fв(Гц)│  17 │  25 │ 30 │  40  │  50  │  55
──────┼─────┼─────┼────┼──────┼──────┼──────
  %   │  50 │  86 │ 94 │  98,9│  99,5│  99,9
──────┴─────┴─────┴────┴──────┴──────┴──────

     При  средней  яркости  экрана  критическая частота мерцания
изображения  Fв 4   0>  46 Гц. Такая же зависимость существует и
для  сканирования  изображения,  однако  в  этом  случае частота
сканирования  (Fс)  может быть уменьшена вдвое. В стандартных ТВ
системах  реализация  Fк  =  Fв  > 46 Гц нес- колько затруднена.
Поэтому,  исходя  из  допустимости  Fв  = 2Fс, в них применяется
черезстрочная  развертка.  Кадр раскладыва- ется на Kч 4  0полей
(Kч 4    0-   коэффициеэнт  черезстрочности).  Пос-  кольку  при
увеличении   Kч 4   0резко  увеличиваются  помехи,  вызван-  ные
сдвигом  строк,  то в ТВ системах принято K 4ч  0= 2. При этом в
четном  поле растра воспроизводятся строки 2i (i = 0,1,2,...), в
нечетных - 2i + 1.

  ─────────────────────────── -- строка четного поля
  ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ -- строка нечетного поля
  ───────────────────────────
  ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─
  ───────────────────────────
  ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─

     Смещение  четных  и  нечетных строк относительно друг друга
достигается  нечетным количеством количества строк развертки Z и
разностью в полстроки между полями.

  ┌───────────┐
  │         │
  │         │
  │ _ __ _ _│
  │          │
  │          │
  │ _ _ _ _ _│
  └───────────┘

     При  воспроизведении  глаз по очереди воспринимант четные и
нечетные  строки,  которые,  благодаря  инерционности  централь-
ного  зрения,  составляют  единое изображение. Таким образом при
чересстрочной развертке кадр состоит из двух полей:

                   чс      чс
                 2Fк   = Fп   = 2Fск = Fв,

а построчной (Kч 4  0= 1) содержит только одно поле:

                  пс    пс
                 Fк  4  0= Fп  = Fск 4  0= Fв
       чс   пс
  где Fк,  Fк 5  0 - частота кадра при,  соответственно,  че-
ресстрочной и построчной развертке;
      Fп - частота поля.
  Исходя из этого,  в европейских ТВ системах  ПАЛ  и  СЕКАМ
          чр                пр
     принята Fк 5  0= 25 Гц и Fп 4  0= Fк  5  0= 50 Гц, а в
                       американской НТСЦ
 чр
   Fк 5  0 = 29,97 (приблизительно 7  030) Гц и F 4п  7  060
                      (приблизительно) Гц.
  (Из-за этого кинофильмы по ТВ идут быстрее, чем в кино).
     При  воспроизведении  на больших экранах и дисплеях угловой
размер  и  яркость  изображения  увеличиваются.  Это  приводит к
введеннию  в процесс наблюдения более инерционных периферий- ных
зон   глаза,   и   начинает  наблюдаться  мерцание  изображения,
вызванное черезстрочностью и недостаточной для для таких уг- лов
зрения  Fк.  Поэтому  в  дисплейных  системах применяется только
построчная  развертка  и  Fк,  повышенная  сравнительно с ТВ. (В
высококачественных   системах   Fк 4   0повышена  вдвое  сравни-
тельно с построчной ТВ разверткой, т.е. может составлять 100 или
120 Гц).

                             * * *



Другие статьи номера:

Вступление - не заставил себя долго ждать новый номер нашей газеты ;).

Софт - X-DOS о планах развития новой оперционной системы для Спектрума.

News - Черная ворона - новый электронный журналы на Спектруме.

News - Новости, старости: Chaos Construction 2001 состоялся, Pussy стала freeware, новое бумажное издание на спектруме, Raver покинул ряды Phantasy, новая версия эмулятора спектрума Real Speccy, Assembly 2001, новый коммандер Real Commander 2.0, Delirium Tremens уходят со спектрума...

Press - обзор свежей прессы: Explorer 1,2,3, IzhNews #0C, Body, Zx-Light, Inferno #2, ULTIMATUM#2, MADNESS #1, KoSME#0.

Humor - юмор.

Fazan - Поток БезФазания от Анонимного Лица/GmdTeam.

Программирование - формирование изображения на экране монитора.

Программирование - формирование изображения на экране монитора (продолжение).

Демопати - Chaos C0NstRucTI0n'2001 отчет от Shiru Otaku.

Демопати - Chaos C0NstRucTI0n'2001: результаты.

Демосцена - портрет "нового" Спектрумиста.

Авторы - авторы газеты.


Темы: Игры, Программное обеспечение, Пресса, Аппаратное обеспечение, Сеть, Демосцена, Люди, Программирование

Похожие статьи:
Эмуляторы - Укрощение эмулятора ZX Spectrum.
Вступление - содержание номера.
PUSH HL - Тушение любой музыки, не прибегая к иницилизации ее.

В этот день...   20 января