Plutonium #19 20 августа 2001

Программирование

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).

                             * * *