Работа с телесигналом и видео

ТВ-тюнер (TV tuner) – род телевизионного приёмника (тюнера), предназначенный для приёма телевизионного сигнала в различных форматах вещания с показом на мониторе компьютера (см. рис. 2.23). Кроме того, большинство современных ТВ-тюнеров принимают FM-радиостанции и могут использоваться для захвата видео.

Рис. 2.23. ТВ-тюнер.

ТВ-тюнеры очень многообразны и могут классифицироваться по ряду основных параметров, в том числе:

· по поддерживаемым стандартам телевещания;

· по способу подключения к компьютеру;

· по поддерживаемым операционным системам.

Классификация по стандартам телевещания:

Любой ТВ-тюнер в состоянии принимать и декодировать телевизионный сигнал в одном или нескольких стандартах телевещания.

В настоящее время наибольшее распространение на мировом рынке получают цифровые ТВ-тюнеры, позволяющие принимать цифровой сигнал в стандартах DVB-T (европейское эфирное цифровое вещание), DVB-C (европейское кабельное цифровое вещание), DVB-S (европейское спутниковое цифровое вещание), ATSC (американское цифровое вещание), ISDB (японское и южноамериканское цифровое вещание), DMB-T/H (китайское цифровое вещание).

Для совместимости со старыми телевизионными стандартами продолжают выпускаться ТВ-тюнеры, позволяющие принимать аналоговые сигналы PAL (европейское аналоговое вещание), SECAM (советское и французское аналоговое вещание), NTSC (американское и японское аналоговое вещание).

Как правило, чисто аналоговые ТВ-тюнеры в настоящее время уже не выпускаются, их заменили гибридные ТВ-тюнеры, позволяющие принимать как цифровой, так и аналоговый сигнал.

В России и других странах СНГ в настоящее время на практике исполь-

зуются стандарты SECAM и DVB-T для эфирного телевещания и SECAM, PAL и DVB-C для кабельного.

Главное различие между аналоговыми стандартами – частота кадров и разрешение. NTSC поддерживает разрешение 525 строк видеопотока с частотой 30 кадров в секунду, а PAL и SECAM – 625 строк с частотой в 25 кадров в секунду.

Качество цифровой трансляции видео (и аудио) значительно превосходит аналоговые видеостандарты, разрешение может достигать 720 или 1080 строк видео потока, при этом отсутствуют искажения изображения. В то же время, сам по себе цифровой способ кодирования изображения не обязательно означает увеличение разрешения: цифровые каналы могут кодироваться в стандартной чёткости, соответствующей аналоговым, либо повышенной чёткости (HDTV), т.е. в высоком разрешении.

В системах цифрового телевещания может использоваться кодирование информации, требующее установки в ТВ-тюнер специальных смарткарт для декодирования платных каналов (в частности, это повсеместно распространено в системах спутникового телевидения и часто используется в кабельных системах). Однако, установку модуля CI для смарткарт поддерживают далеко не все цифровые ТВ-тюнеры, большинство моделей для эфирного и кабельного телевещания в настоящее время выпускаются без этой возможности и, таким образом, пригодны для приёма только бесплатных цифровых каналов.

Классификация по способу подключения к компьютеру:

Наиболее общим является деление ТВ-тюнеров на внутренние и внешние, в зависимости от их расположения относительно корпуса системного блока компьютера. Более точным является деление по интерфейсу подключения.

На сегодняшний день наиболее распространены ТВ-тюнеры с интерфейсами USB, PCI, PCI Express и CardBus. Также существуют модели с интерфейсом FireWire и устаревшими ISA, PC Card.

Особняком стоят ТВ-тюнеры, подключаемые непосредственно к видеоинтерфейсу между компьютером и монитором, то есть DVI либо VGA. Такие тюнеры не требуют поддержки со стороны операционной системы и прикладного программного обеспечения компьютера, так как выводят телевизионную картинку на монитор независимо от компьютера. К их достоинствам относится универсальность по отношению к операционным системам, к недостаткам – невозможность записи видео и обычно не очень высокое максимальное допустимое разрешение монитора, ограничиваемое производительностью тюнера при обработке видеопотока.

Классификация по поддерживаемым операционным системам:

Подавляющее большинство ТВ-тюнеров штатно комплектуется поддержкой для операционной системы Microsoft Windows. Также для Windows доступно значительное количество альтернативных программ для работы с ТВ-тюнерами, которые, как правило, используют драйвер производителя, но отличающуюся интерфейсную оболочку.

Ряд ТВ-тюнеров штатно поставляется с поддержкой Mac OS X либо поддерживается программным обеспечением независимых разработчиков для этой системы. Как правило, это устройства с интерфейсом USB, ввиду наиболее широкого распространения этого интерфейса на компьютерах Macintosh.

ТВ-тюнеры, подключаемые к видеоинтерфейсу монитора, способны работать с любыми операционными системами.

Веб-камера (также вебкамера) – цифровая видео или фотокамера (см. рис. 2.24), способная в реальном времени фиксировать изображения, предназначенные для дальнейшей передачи по сети Интернет (в программах типа Skype, Instant Messenger или в любом другом видеоприложении).

Веб-камеры, доставляющие изображения через интернет, закачивают изображения на веб-сервер либо по запросу, либо непрерывно, либо через регулярные промежутки времени. Это достигается путём подключения камеры к компьютеру или благодаря возможностям самой камеры. Некоторые современные модели обладают аппаратным и программным обеспечением, которое позволяет камере самостоятельно работать в качестве веб-сервера, FTP-сервера, FTP-клиента и (или) отсылать изображения электронной почтой.

Рис. 2.24. Веб-камера.

Веб-камеры, предназначенные для видеоконференций, – это, как правило, простые модели камер, подключаемые к компьютеру, на котором запущена программа типа Instant Messenger.

Модели камер, используемые в охранных целях, могут снабжаться дополнительными устройствами и функциями (такими, как детекторы движения, подключение внешних датчиков и т. п.).

Стандартно веб-камера содержит объектив, оптический фильтр, ПЗС или КМОП матрицу, схему цифровой обработки изображения, схему компрессии изображения и опционально веб-сервер для подключения к сети.

Плата видеозахвата – электронное устройство (чаще PCI или PCI-E, реже USB-совместимая плата) для преобразования аналогового видеосигнала в цифровой видеопоток (см.рис. 2.25).

Рис. 2.25. Плата видеозахвата.

Как правило, состоит из одного или нескольких АЦП и может обрабатывать сигнал от одного или нескольких аналоговых источников (видеокамер, приёмных телевизионных антенн, видеомагнитофонов и т.п.).

Наиболее распространены в качестве аппаратной части для систем видеонаблюдения.

Вопросы для самопроверки:

1.Что относится к устройствам ввода.

2. Что такое клавиатура, ее функции, способы подключения.

3. Что такое манипулятор, типа мышь, ее функции, способы подключения.

4. Что такое трекбол, его функции, способы подключения.

5. Что такое тачпэд, его функции, способы подключения.

6. Что такое трек-поинт, его функции, способы подключения.

7. Что такое графический планшет, его функции, способы подключения.

8. Что такое джойстик, его функции, способы подключения.

9. Что такое сканер, его функции, характеристики и способы подключения.

10. Что такое микрофон.

11. Что такое TВ-тюнер, его функции.

12. Что такое веб-камера, ее функции.

13. Что такое плата видеозахвата, ее функции.

Устройства вывода.

Это устройствавывода данных из системы оперативной памяти в систему внешней памяти или на устройства связи с внешними объектами.

Процессор может осуществлять программное управление операциями ввода/вывода, но не может являться объектом операции ввода или вывода.

К устройствам вывода относятся:

· монитор (служит для визуализации представленных выходных данных компьютера);

· принтер (предназначен для создания печатных копий выходных графических и текстовых данных);

· плоттер;

· наушники;

· колонки;

Монитор

Самым главным устройством вывода визуальной информации в PC является дисплей (display – устройство отображения). Дисплей может быть основан на различных физических принципах: здесь применимы электронно-лучевые трубки, газоплазменные матрицы, жидкокристаллические индикаторы и другие приборы. Наибольшее распространение получили дисплеи на электронно-лучевых трубках и жидкокристаллических матрицах, которым и уделим здесь основное внимание (см.рис. 2.26).

Рис. 2.26. Монитор: слева дисплей на электронно-лучевых трубках, справа – на жидкокристаллических матрицах.

Электронно-лучевая трубка(ЭЛТ) по-английски сокращенно называется CRT (Cathode Ray Tube – катодно-лучевая трубка). Первые дисплеи на ЭЛТ появились еще до PC, и в них помимо ЭЛТ с окружающими ее схемами генераторов развертки и видеоусилителей находились и узлы, формирующие изображение (чаще – алфавитно-цифровое). Такие дисплеи применяются и сейчас как терминалы многопользовательских машин» (например, системах UNIX). В персональных компьютерах узлы, формирующие изображение, «переехали» в системный блок, в результате дисплей функционально упростился и стал похож на монитор, применяемый в телевидении. Монитор содержит только ЭЛТ с видеоусилителями сигналов яркости лучей, генераторы разверток, блок питания и схемы управления этими узлами. Традиционный телевизионный монитор имеет низкочастотный вход композитного видеосигнала или/и раздельные входы модуляции лучей и рассчитан на работу в стандартах PAL, SEC AM или NTSC, определяющих способы цветопередачи и фиксирующих частоты синхронизации. Монитор компьютера должен обеспечивать существенно более широкую полосу пропускания видеосигнала, поэтому композитный вход для него неприемлем. Кроме того, этому монитору приходится работать с разными параметрами синхронизации, которые зависят от выбранного режима разрешения и требований к развертке. Параметры синхронизации могут меняться в процессе работы, и компьютерный монитор должен отрабатывать эти переключения режимов.

В монохромных мониторах экран трубки покрыт однородным слоем мелкозернистого люминофора, который при хорошей фокусировке луча дает высокую четкость и разрешающую способность, фактически, определяемую лишь параметрами генераторов разверток. В цветных мониторах (см. рис .2.27) люминофор неоднороден – имеются три типа частиц, каждый из которых дает свечение своим базисным цветом. Соответственно, имеются три электронные пушки, каждая из которых «обстреливает» только свои частицы люминофора (специальное вещество, способное излучать свет при попадании на него быстрых электронов). Лучи всех трех пушек синхронно сканируют экран. Управляя интенсивностью каждого из лучей, получают требуемый цвет изображения каждой точки. Существует ряд технологий ЭЛТ, различающихся способом наведения лучей на свои частицы люминофора.

Рис. 2.27. Устройство цветного ЭЛТ дисплея: 1 - электронные пушки; 2 - электронные лучи; 3 - фокусирующая катушка; 4 - отклоняющие катушки; 5 - анод; 6 - маска, благодаря которой красный луч попадает на красный люминофор, и т.д; 7 - красные, зелёные и синие зёрна люминофора; 8 - маска и зёрна люминофора (увеличено).

Классической является ЭЛТ с теневой маской (shadow mask). Ее экран покрывается не сплошным люминофором, а отдельными зернами-триадами, расположенными треугольником. Каждое зерно состоит из трех крупиц люминофора, которые при попадании на них потока электронов светятся базисными цветами. Крупицы триад имеют строго фиксированное относительное расположение, и сами триады наносятся на поверхность в виде равномерной матрицы. Крупицы каждого цвета «обстреливаются» из отдельной электронной пушки через теневую маску с отверстиями, соответствующими зернам матрицы. Точность попадания лучей в свои крупицы обеспечивается тщательностью изготовления кинескопа и настройкой системы сведения лучей. Шаг матрицы зерен экрана (dot pitch) принято измерять в миллиметрах. В первом приближении можно считать, что он совпадает с размером зерна. Однако отождествлять эти два параметра не очень корректно, и термин «dot pitch» лучше перевести как зернистость экрана, но не размер зерна. Недостатком теневой маски является ее низкая относительная прозрачность, что снижает энергию луча, достигающего люминофора. В результате изображение не очень яркое и насыщенное. Однако теневая маска обеспечивает самый «круглый» пиксел, благодаря чему изображение мелких деталей самое четкое. Поскольку электронные пушки цветов RGB располагаются треугольником (зеркально по отношению к триадам люминофора), мониторы с теневой маской имеют экран, выпуклый и по вертикали, и по горизонтали. Это не очень удобно (трудно избежать бликов).

В ЭЛТ со щелевой маской (slot mask) вместо отверстий в маске имеются вертикальные щели, а цветной люминофор наносится чередующимися полосами (тоже вертикальными). Прозрачность выше – следовательно, цвета более яркие и насыщенные. Однако пикселы получаются немного вытянутыми по вертикали. Пушки располагаются в одной горизонтальной плоскости, что позволяет сделать экран выпуклым только по горизонтали (по вертикали его поверхность прямолинейна).

В ЭЛТ с апертурной решеткой (aperture grilles) люминофор тоже нанесен вертикальными полосами, но в качестве маски в них используются вертикально натянутые нити, выстроенные «частоколом». Маску поддерживает одна или несколько горизонтальных проволочек, тень от которых заметна на экране. У 15-дюймовых мониторов проволочка одна, она расположена снизу на высоте примерно 1/3 экрана. У мониторов большего размера их может быть 2-3. Яркость и насыщенность цветов наилучшая, но четкость пикселов хуже, чем у щелевой и, тем более, у теневой маски. Экран таких трубок плоский.

Из рассмотренных трех типов трубок трубки с теневыми масками больше всего подходят для задач САПР (и обработки текста), трубки с апертурными решетками – для художественной графики и мультимедийных систем (наилучшая цветопередача). Щелевая маска – компромиссный вариант.

Матричные дисплеи. Дисплеи на электронно-лучевых трубках применительно к портативным компьютерам имеют два принципиальных неустранимых недостатка – большие габариты (объем) и потребляемую мощность. В наколенных (LapTop) и блокнотных (NoteBook) ПК применяют плоские дисплейные панели (flat panel display), основанные на различных физических принципах. В последнее время плоские дисплеи стали применять и для настольных компью-

теров, а дисплеи на электронно-лучевых трубках все быстрее уходят в историю.

Именно о плоских дисплеях далее пойдет речь.

Плоские дисплеи выполняются в виде матрицы ячеек с какими-либо электрооптическими эффектами.

Дисплеи на жидкокристаллических панелях(Liquid Crystal Display, LCD), или ЖК-дисплеи, основаны на изменении оптической поляризации отраженного или проходящего света под действием электрического поля. Слой жидкокристаллического вещества расположен между двумя стеклами с поляризационными решетками. Жидкокристаллическое вещество способно менять направление поляризации проходящего света в зависимости от состояния молекул. При отсутствии электрического поля направление поляризации меняется на 90°, а в дисплеях, изготовленных по технологии STN (Super Twisted Nematic), поворот достигает 270°. Под действием электрического поля молекулы «распрямляются», и угол поворота уменьшается. Таким образом, в сочетании с поляризационными решетками стекол можно управлять прозрачностью элемента, изменяя величину электрического поля. В дисплеях DSTN (Double Super Twisted Nematic) ячейки сдваиваются, что позволяет повысить контрастность изображения. Дисплейная панель представляет собой матрицу ячеек, каждая из которых находится на пересечении вертикальных и горизонтальных координатных проводников. В пассивной матрице (passive matrix) дисплеев на жидкие кристаллы воздействуют поля самих координатных проводников. Ячейкам пассивной матрицы свойственна большая инерционность – порядка 300-400 мс (время на «перестройку» структуры молекул жидкокристаллического вещества), из-за чего на такие дисплеи плохо выводится динамическое изображение. Специально для них применяется особый режим отображения указателя мыши – за ним тянется шлейф, без которого быстро перемещаемый указатель визуально теряется. В активной матрице (active matrix) каждая ячейка управляется транзистором, которым, в свою очередь, управляют через координатные шины. В любом случае панели требуют подсветки — либо задней (back light), либо боковой (side light) от дополнительного (чаще люминесцентного) источника освещения. Иногда используют внешнее освещение, при этом за панелью располагается зеркальная поверхность. Активные матрицы обеспечивают более высокую контрастность изображения. Цветные дисплеи имеют более сложные ячейки, состоящие из трех элементов для управления каждым из базисных цветов.

Рис. 2.28. Устройство цветного LCD монитора

Современные плоские TFT LCD-дисплеи (см. рис.2.28)представляют собой «бутерброд» из двух стекол, между которыми расположены слои жидкокристаллического вещества и матрица тонкопленочных транзисторов (Thin Film Transistor, TFT). На переднем и заднем стеклах нанесены поляризационные решетки со взаимно перпендикулярным направлением поляризации. Жидкокристаллическая прослойка при отсутствии электрического поля поворачивает угол поляризации проходящего света на 90°, благодаря чему «бутерброд» становится прозрачным для проходящих лучей. Под действием электрического поля от напряжения, подаваемого транзистором каждой ячейки матрицы, угол поворота поляризации может быть уменьшен до нуля. Чем больше приложенное напряжение, тем меньше угол поворота и тем менее прозрачной будет ячейка. Инерционность ячеек активной матрицы у старых дисплеев составляла 20-30 мс – меньше, чем для пассивной, но все равно ощутимо. На современных дисплеях инерционность снизили до 2 мс, и на них хорошо смотрятся «живое» видео и динамические игры.

В цветных дисплеях пиксел состоит из трех ячеек, каждая из которых снабжена своим светофильтром (красным, зеленым или синим). Управляя тремя транзисторами пиксела, можно изменять его цвет и яркость, что, собственно, и требуется от дисплея. Разрешающая способность по цвету у ЖК-мониторов пока ниже – только 6 бит на каждый цветовой канал, так что 24-битный режим True Color они могут только эмулировать.

Размер пиксела плоского дисплея близок к зерну ЭЛТ-мониторов. Есть дисплеи с очень мелкими пикселами. С одной стороны, это хорошо – при том же размере можно выводить больше информации. С другой стороны, при недостаточной остроте зрения мелкие значки и буквы меню будут читаться с трудом. При мелких пикселах, как правило, дисплей обладает меньшим углом обзора и худшей цветопередачей.

Матричная организация экрана не позволяет изменять разрешение экрана с той же легкостью, что у ЭЛТ-монитора: увеличить его просто невозможно, а уменьшить без потери качества можно только одновременно с уменьшением размера изображения. Естественное (native) разрешение определяется форматом матрицы. В графическом режиме с меньшим или большим разрешением доступно два варианта: использование не всей матрицы (или вывод не всех пикселов) или масштабирование. Масштабирование выполняется встроенными средствами монитора, выполняющими интерполяцию цвета каждого пиксела экрана, что, естественно, ухудшает качество изображения.

В ЖК-дисплеях управление осуществляется всеми ячейками одной строки одновременно (а не последовательно, как пробегает луч ЭЛТ). Это позволяет увеличить время, в течение которого производится управление ячейкой. Для повышения контрастности часто применяют двойное сканирование: экран разбивается на две части, в которых сканирование происходит одновременно. Таким образом, время управления ячейкой удваивается.

В любом случае аналоговые сигналы RGB от VGA-интерфейса непосредственно использоваться для управления матрицей не могут. В ЖК-дисплеях эти сигналы оцифровываются, полученные значения (для каждого пиксела) сохраняются в буферной памяти и оттуда уже построчно выводятся на матрицу. К сожалению, в обычном VGA-интерфейсе нет сигнала синхронизации пикселов, так что дисплею приходится формировать стробы для отсчетов пикселов самостоятельно, привязывая их к импульсам строчной синхронизации. При этом, естественно, появляется дополнительная погрешность (апертурная) оцифровки сигнала и, следовательно, качество изображения ухудшается. В интерфейсах EVC и DVI-A сигнал пиксельной синхронизации присутствует, что несколько облегчает оцифровку.

Матричная организация располагает к применению цифрового интерфейса связи с графическим адаптером. Однако большинство плоских дисплеев имеет обычный аналоговый интерфейс, совместимый с любым (S)VGA-адаптером. Более дорогие модели снабжаются цифровым интерфейсом DVI (иногда и DFP). Заметим, что из-за инерционности ячеек слишком высокой частоты развертки не требуется – даже при 60 Гц мерцания экрана нет.

К преимуществам ЖК-дисплеев (TFT LCD)относятся высокая яркость изображения, отсутствие геометрических искажений, четкая фокусировка» отсутствие мерцания экрана (из-за инерционности ячеек), малое энергопотребление (25-40 Вт) и тепловыделение; вдобавок они легче и занимают меньше места. Кроме того, они практически нечувствительны к внешним электромагнитным полям, от которых плавает, дергается и искажается изображение ЭЛТ-мониторов. Ряд моделей позволяет поворачивать экран на 90° (и, соответственно, менять местами координаты) – так, что он принимает «портретную» ориентацию. Вместе с тем TFT-дисплеи имеют ряд недостатков, обусловленных их природой, – это, в частности, низкая контрастность изображения, зависимость качества изображения от угла наблюдения (меньший угол нормального восприятия цветного изображения), инерционность ячеек, невозможность смены разрешения (кроме как малопривлекательной интерполяцией), возможность отказа ячеек (на дисплее допускается неработоспособность нескольких транзисторов) и, конечно же, пока высокая цена. Фотореалистичность изображений, характерная для современных ЭЛТ-дисплеев, для ЖК-дисплеев пока что недостижима.

Газоплазменные панели(gas plasma) основаны на свечении газа под действием электрического поля. Эти панели используются в больших плоских телевизорах. В компьютерных мониторах их пока не применяют из-за больших размеров пикселов.

Светодиодные матрицы, или матрицыLED(Light Emitted Diode – светоизлучающий диод), казалось бы, могли стать решением всех проблем плоских дисплеев. Однако светодиоды имеют настолько высокую потребляемую мощность по сравнению с другими типами индикаторов, поэтому их в плоских панелях не применяют.

Параметры монитора. Мониторы подразделяются на монохромные (monochrome, или mono) и цветные (color). Монохромные мониторы практически вышли из употребления.

Важнейшие характеристики ЖК-дисплеев:

· Разрешение – горизонтальный и вертикальный размеры, выраженные в пикселях. В отличие от ЭЛТ-мониторов, ЖК имеют одно фиксированное разрешение, остальные достигаются интерполяцией.

· Размер точки (размер пиксела) – расстояние между центрами соседних пикселей. Непосредственно связан с физическим разрешением.

· Соотношение сторон экрана (формат) – отношение ширины к высоте (5:4, 4:3, 8:5, 5:3, 16:9 и др.)

· Видимая диагональ – размер самой панели, измеренный по диагонали. Площадь дисплеев зависит также от формата: монитор с форматом 4:3 имеет большую площадь, чем с форматом 16:9 при одинаковой диагонали.

· Контрастность – отношение яркостей самой светлой и самой тёмной точек. В некоторых мониторах используется адаптивный уровень подсветки с использованием дополнительных ламп, приведённая для них цифра контрастности (так называемая динамическая) не относится к статическому изображению.

· Яркость – количество света, излучаемое дисплеем, обычно измеряется в канделах на квадратный метр.

· Время отклика – минимальное время, необходимое пикселю для изменения своей яркости. Методы измерения неоднозначны.

· Угол обзора – угол, при котором падение контраста достигает заданного, для разных типов матриц и разными производителями вычисляется по-разному, и часто не подлежит сравнению.

· Тип матрицы: технология, по которой изготовлен ЖК-дисплей.

· Тип интерфейсного кабеля: D-Sub, DVI, USB, HDMI, DisplayPort, S-Video.

Принтер

Принтер – это устройство, способное выводить изображение (печатать, откуда и название) на бумагу или пленку. Принтеры создают так называемые твердые копии(hard copy) документов. Твердость означает невозможность их последующей произвольной модификации (стирания и подчистки в расчет не берутся). По этому признаку принтеры относятся к пассивным устройствам графического вывода, их противоположность – активные устройства вывода (дисплеи).

По способу печати принтеры разделяются на буквопечатающие и знакосинтезирующие (что аналогично текстовому и графическому режимам дисплея), а также последовательные и параллельные. В последовательных принтерах печать осуществляется поэлементно с продвижением по строке, и после прохода строки переходят к печати следующей строки. В параллельных принтерах строка печатается целиком. Буквопечатающие принтерыспособны печатать только строчки символов из фиксированного набора, что ограничивает область их применения печатью текстовых документов без возможности использования привычного уже разнообразия шрифтов. Вместе с тем, у них есть преимущество в качестве печатаемых символов, а в ряде случаев – и в скорости печати. Таких принтеров существовало (и поныне существует) несколько типов. Знакосинтезирующие, они же матричные, принтеры позволяют печатать произвольные изображения. По способу нанесения красителя они делятся на ударные (игольчатые), термические, струйные и лазерные, хотя под матричными, как правило, подразумевают именно игольчатые.

Матричные игольчатые принтеры (см. рис. 2.29).Игольчатые принтеры – «ветераны» печатающих устройств ПК. По нынешним меркам их разрешение низкое (до 360 dpi), скорость и качество невысокие, цветопередача плохая, и они самые шумные. Однако они обеспечивают самую дешевую печать (дешевы и принтер, и расходные материалы); они неприхотливы к бумаге, могут работать под копирку (и без ленты) и дают механический оттиск. Последние два свойства обусловливают ряд их специфических применений (например, оттиск реализует одну из степеней защиты в новых паспортах).

Рис. 2.29. Матричный принтер: слева – внешний вид, справа – устройство.

Игольчатые принтеры (dot matrix printer) имеют печатающую головку, на которой расположена матрица игольчатых молоточков, управляемых электромагнитами. Иголки ударяют по бумаге через красящую ленту, бумага лежит на валике, перемещаясь только продольно (перевод строк выполняется поворотом валика), но в обоих направлениях. Перемещение по строке выполняет сама печатающая головка – она довольно легкая, поэтому ее можно двигать быстро. Управляет всей механикой встроенный микроконтроллер принтера. В его ведении находятся шаговые двигатели подачи бумаги и перемещения головки по строке, а также приводы иголок, которых может быть от 8 до 24. На принтере имеются механические или оптоэлектронные датчики крайних положений каретки, а также датчик конца бумаги. Управляя этими механизмами и пользуясь датчиками, можно вывести любое изображение. Во время печати головка движется по строке слева направо, и ударами иголок отпечатываются требуемые точки. После того как строка отпечатана, передвигается бумага и выполняется печать следующей строки. Если бумагу не перемещать, то можно повторно пропечатывать отдельные элементы (символы), и они будут выглядеть ярче. У «умных» принтеров печать может выполняться и на обратном ходе головки (это экономит время), хотя из-за люфтов механики возможно не очень точное совмещение точек, отпечатанных на прямом и обратном ходе. Матричные принтеры могут работать как в графическом, так и в символьном режиме. Развертку символов в точечное изображение выполняет встроенный процессор (микроконтроллер) принтера, у которого есть ПЗУ с таблицами знакогенераторов. Обычно принтеры имеют несколько таблиц (для разных языков и шрифтов), переключаемых программно (по командам от компьютера), аппаратно (переключателями на принтере) или с помощью кнопок панели управления принтером.

Контроллер принтера по интерфейсу принимает от компьютера поток байтов, содержащий данные для печати и управляющие команды. Данные принимаются в буферное ОЗУ, откуда извлекаются и интерпретируются в соответствии с возможностями механики. Принтер обеспечивает обратную связь с компьютером: управляет потоком (останавливает по заполнении буфера) и сообщает свое состояние – готовность (On-Line), конец бумаги (Paper End), ошибка (Error). Это позволяет программе работать с принтером не вслепую и сообщать пользователю о необходимости вмешательства. Принтер способен печатать поступающие к нему данные, когда он включен, у него есть бумага и он подготовлен к работе. В этом состоянии (On-Line) принтер готов к приему данных от компьютера (если у него есть место в буферной памяти). Заметим, что принтер печатает строку только после того, как «поймет», что у него в буферной памяти собран окончательный образ для этой строки. В символьном режиме строка будет отпечатана в следующих случаях:

- принято столько символов, сколько умещается в строке, и еще хотя бы один (принтеру полагается воспринимать код «забоя», по которому он должен аннулировать предыдущий символ);

- принят символ возврата каретки (CR), перевода строки (LF) или формата (FF);

- оператор нажал кнопку перевода строки или формата (для их срабатывания принтер должен быть переведен в состояние Off-Line, печать строки может быть вызвана и переводом в это состояние).

Таким образом, матричный принтер является устройством построчного вывода. В графическом режиме идея печати та же – строка печатается целиком, когда для нее готовы данные (для всех используемых иголок). При переводе принтера в состояние Off-line печать и прием данных приостанавливаются, но оставшиеся в буфере данные сохраняются. Буфер очищается по включении питания, аппаратному сбросу по сигналу интерфейса и по приеме специальной команды.

По включении питания, аппаратному или программному сбросу контроллер выполняет самотестирование и приводит механику в исходное состояние. Для этого он перемещает головку до срабатывания датчика левого положения, чтобы откалибровать систему позиционирования. Некоторые принтеры после этого немного прогоняют головку вправо, чтобы она не мешала заправке бумаги.

Разрешающая способность матричного принтера определяется размером матрицы иголок, но и не только им. Точки можно пропечатывать, смещая головку (влево-вправо) и бумагу (вверх-вниз) даже на долю шага, так что точки сольются в почти гладкую линию. Правда, для этого требуется довольно точная механика. Разрешающая способность печати связана со скоростью: поскольку иголки все-таки инерционны, предельная частота их срабатывания ограничена. Поэтому для высокого разрешения скорость перемещения головки и бумаги невысока. Первые модели матричных принтеров были довольно грубыми, последующие позволяют достигать разрешения вплоть до 360 dpi (точек на дюйм) по обеим координатам. Принтеры, как правило, могут работать в режимах с различным разрешением: от малого разрешения для быстрой печати черновиков (draft) до разрешения NLQ (Near Line Quality – качество печати, близкое к гладким буквам пишущих машинок), считающегося высоким.

Цветные матричные принтеры работают с многоцветной (обычно трехцветной) красящей лентой. Каждая строка печатается за несколько проходов головки, и на каждый проход устанавливается лента определенного цвета. Конечно, эта цветная печать происходит небыстро, да и качество цветопередачи невысокое.

Матричные принтеры весьма неприхотливы: могут печатать практически на любой бумаге – листовой, рулонной, фальцованной. Листовая бумага подается фрикционным механизмом – валиком, к которому она прижимается обрезиненным роликом. Листы могут заправляться вручную, в более дорогих моделях имеются специальные лотки для автоматической подачи бумаги из пачки. Для печати из рулона или стопки фальцованной бумаги с перфорацией по краям механизм подачи бумаги имеет траки – резиновые или пластмассовые «гусеницы» с зубчиками. Траки расположены на общей оси и обеспечивают подачу бумаги без перекосов, неизбежных (пусть и в небольшой степени) при фрикционной подаче. Узкие принтеры позволяют печатать на бумаге шириной до формата А4 (вертикально заправленный лист), широкие – до формата A3 (горизонтально заправленный лист). Принтеры имеют направляющие, регулируемые по ширине листа, а у моделей с траками направляющие двигаются вместе с траками. Существуют специальные приспособления для печати этикеток.

Параллельные матричные принтеры (например, Mannesmann Tally) не имеют подвижной печатающей головки – у них иголки расположены вдоль всей печатаемой строки. За счет этого печать происходит очень быстро (с той же скоростью, что и у барабанных буквопечатающих принтеров). Горизонтальное разрешение у этих принтеров не обязательно определяется числом иголок: печатающий блок может немного перемещаться вдоль строки, и каждая строка может быть отпечатана за несколько ударов со смещением на каждом ударе точек друг относительно друга на доли шага иголок. От этих принтеров в основном требуется высокая скорость печати символов, так что механизм повышения разрешения, безусловно снижающий скорость, может включаться лишь для графической печати и «экзотических» шрифтов. Эти принтеры, как правило, широкие и работают с рулонной и фальцованной бумагой с перфорацией по краям (фрикционная подача на большой длине всегда будет уводить бумагу в сторону). Принтеры очень дорогие, но при большом объеме текстовой печати весьма эффективные. Расходный материал – красящая лента.

Управление принтером интуитивно понятно большинству пользователей. На лицевой панели принтера имеется несколько кнопок управления и индикаторов режима. Для заправки и прогона бумаги следует пользоваться кнопками панели управления – вращать рукоятку валика при включенном принтере обычно не рекомендуют (при этом приходится «бороться» с шаговым двигателем подачи бумаги).

Включение питания при нажатой кнопке FF или LF обычно переводит принтер в режим тестовой распечатки, из которого можно выйти выключением питания (иногда и нажатием кнопки On Line). Включение питания с нажатием определенной комбинации кнопок (каких именно – указывается в инструкции) переводит современные принтеры в диалоговый режим настройки параметров.

Матричные принтеры обеспечивают недорогую печать – расходным материалом является красящая лента, заправленная в картридж. Проще всего заменять картридж, но дешевле – ленту (то и другое продается по отдельности). Однако следует учитывать, что картриджи специфичны для каждой модели или семейства моделей (это видно невооруженным глазом). Ленты тоже различаются – шириной и длиной, а также конфигурацией (обычное кольцо или лента Мебиуса, то есть лента с одной поверхностью). Каждый картридж рассчитан именно на свою ленту. Слишком длинная лента не уместится в картридже, слишком короткая будет быстро изнашиваться. Лента не той ширины или конфигурации (Мебиуса в