SYSTÈMES GRAPHIQUES INFORMATIQUES
3.1 INTRODUCTION
Un système graphique se conçoit comme une extension à un système informatique centré autour d'un ordinateur, logiciel de base et des périphériques tels des unités de stockage, imprimantes, tables à dessiner et terminaux. La caractéristique principale d'un tel système est la possibilité de communiquer des informations de type analytique et séquentiel sous forme graphique. Le travail d'interprétation visuelle est maintenant possible grâce au développement de logiciels et surtout à la capacité de calcul accrue des ordinateurs modernes, et également grâce à la disponibilité de matériel d'affichage, écrans et tables traçantes.
Figure 3.1 Système graphique relié à un ordinateur central.
Schématiquement, un système graphique permet à l'usager de dessiner des «variables» graphiques de façon analogue à l'écriture de variables numériques par un énoncé WRITE du langage FORTRAN ou un énoncé printf du langage C. La réalisation prend la forme d'un programme informatique codé dans un langage à l'intérieur duquel l'usager inscrit des ordres graphiques sous la forme d'appels à des procédures.
Celles-ci génèrent des instructions codées qui sont acheminées vers une table traçante ou un écran cathodique où elles sont interprétées comme des mouvements. On illustre ce processus à la Figure 3.1.
Depuis une dizaine d'années, on assiste à une prolifération de tels logiciels qui tentent de réaliser ces objectifs.
Comme il n'est pas possible d'étudier tous les systèmes disponibles, on tentera ici de dégager les aspects communs de ces systèmes graphiques. On distingue essentiellement trois fonctions:
a) la création de l'objet et sa mise en forme informatisée, b) la manipulation des données définissant l'objet,
c) la production d'une image de l'objet, et de son affichage sur un support.
Figure 3.2 Station graphique autonome.
La création de l'objet consiste à définir, soit par un calcul, soit en spécifiant directement les valeurs, les coordonnées des points relatives à un système de référence. On doit également préciser par une structure de données les relations entre ces points. Les manipulations possibles sont nombreuses et dépendent du domaine d'application. On retrouve généralement des techniques de projections, définitions de courbes, rotation, translation, etc. Celles-ci permettent à l'utilisateur de positionner ou d'orienter l'objet en vue d'une meilleure étude des formes. Finalement, l'affichage réalise une image qui peut être observée. Le système génère alors le lien entre des valeurs numériques et la position d'un mécanisme d'écriture.
On constate donc qu'un système est constitué de plusieurs volets. La partie matérielle avec laquelle on l'associe généralement, quoique l'importance n'est pas déterminante. Ces autres aspects seront traités dans les chapitres qui suivent. Dans celui-ci, on présente le matériel comprenant les unités d'affichages et les périphériques d'interaction.
3.2 UNITÉS D'AFFICHAGE
De façon générale, une unité d'affichage est composée d'une surface ou support sur lequel un mécanisme d'écriture rend visibles les éléments d'un dessin ou d'une image.
Les caractéristiques des unités d'affichage dépendent du type de machine et varient d'un fabricant à l'autre. D'autre part, ces périphériques constituent un marché en pleine expansion donnant lieu à un très grand nombre de nouveautés. Il ne serait donc être question de présenter de façon détaillée l'ensemble de
ces équipements. On peut cependant en décrire, de façon générale, le mode de fonctionnement dans l'optique d'un usager non-spécialiste.
La restitution de l'information par un ordinateur est réalisée par essentiellement trois types de machines:
a) écrans cathodiques, b) imprimantes, c) tables traçantes.
Figure 3.3 Périphériques de sortie.
Celles-ci, par des principes différents, affichent sur une surface des caractères (mode alphanumérique) ou bien des points (mode graphique). Il s'agit dans chaque cas de positionner un élément électronique ou électromécanique (faisceau, tête ou plume) en un point de la surface et par un moyen quelconque d'y laisser une trace visible par l'oeil. Le premier type produit une image dynamique tandis que les deux derniers servent à la production d'images statiques.
3.3 ÉCRANS GRAPHIQUES 3.3.1 Écrans cathodiques
La visualisation dynamique est réalisée grâce à des écrans cathodiques. Bien qu'utilisable en mode alphanumérique, on associe les applications infographiques au mode graphique. Essentiellement, ces appareils comprennent un écran avec un revêtement de phosphore (support ou surface d'affichage) et un canon émetteur. Un faisceau d'électrons émit par la cathode de celui-ci est dirigé et focalisé sur l'écran qui s'illumine aux points frappés par le faisceau.
En utilisant ce système comme dispositif d'écriture, on peut former des éléments d'une image. Cependant comme le temps de rémanence du phosphore est faible, la persistance de l'image est d'assez courte durée.
Ceci nécessite un dispositif de régénération ou bien de mémorisation. Il existe plusieurs technologies qui se regroupent en trois catégories:
- écran à mémoire
- écran à balayage cavalier
- écran à balayage linéaire ou récurrent.
Les écrans à mémoire ont un mode de balayage quelconque ce qui évite la nécessité de restructurer l'information. De plus, en utilisant une technique d'entretien de l'image, on obtient une surface
"mémorisante". Essentiellement, l'écran se compose d'une grille où l'impact du faisceau provoque une polarisation secondaire entretenue par l'application d'un champ électrique opposé. Ainsi l'écran
"mémorise" l'image comme une distribution d'une charge sur le phosphore. Un premier canon applique une image (charge) sur le dos de l'écran (d'un matériau non conducteur) et, un second irradie l'écran pour maintenir cette charge qui fait émettre le phosphore.
Figure 3.4 Écran à mémoire.
Les avantages de cette technologie sont la qualité du tracé et la stabilité de l'image. Par contre, il n'est pas possible d'effacer sélectivement des éléments de l'image ou de produire un grand nombre de couleur.
Donc on se dispense d'un système de balayage complexe et de la nécessité de rafraîchir les points.
Également, la communication de la structure d'une image n'est pas reliée au système de balayage. Par contre, le mécanisme de balayage permet une certaine rusticité dans la fabrication. Cependant, malgré leur robustesse et leur faible coût de construction, ces systèmes ont cédé le pas aux écrans de type
"rafraîchi".
Les consoles à balayage cavalier disposent d'un système de mémoire intermédiaire permettant de rafraîchir les points. L'information est simplement codée et on peut effacer sélectivement des parties de l'image en modifiant l'information de la mémoire d'écran.
Avec ce type d'appareil, on obtient la persistance d'une image par un dispositif de rafraîchissement où celle-ci est continuellement "redessinée" . Le choix de la fréquence de cette action en fonction de la rémanence du phosphore, assure une stabilité à l'image, c'est à dire évite le papillotement. Le rafraîchissement de l'image peut être réalisé par deux méthodes de balayage. Dans le mode cavalier, le faisceau se déplace selon les traits du dessin dans un ordre quelconque suivant la logique du dessin.
Par contre, dans le mode récurrent ou linéaire, le parcours du faisceau est figé et se déplace horizontalement, ligne par ligne, de haut en bas. Une image est créée sur l'écran comme un ensemble de points obtenus en allumant/éteignant le faisceau. Dans ces deux cas, on nécessite une mémoire d'entretien
qui contient une description structurée du dessin. Celle-ci est lue par le canon à une fréquence de 30 à 60 fois par seconde. Ce dispositif autorise l'effacement sélectif de l'image.
Figure 3.5 Écran à balayage linéaire.
Pratiquement, ces appareils sont les tubes de télévision dont un point sur la surface s'illumine lorsque frappée par un faisceau d'électrons. La position de celui-ci est contrôlée de façon à obtenir un balayage linéaire (ligne par ligne) de la surface. En variant son intensité on obtient une image. L'écran est divisé en un certain nombre de lignes et ensuite celles-ci en un nombre de pas donnant comme subdivision un carreau. La taille de ce carreau, ou "pixel" correspond à la résolution de l'écran.
La manière de structurer l'image est différente selon le mode de balayage. Avec le mode cavalier, la mémoire d'entretien ne conserve que les coordonnées des extrémités des traits à dessiner. Tandis qu'avec un système à balayage linéaire, l'image doit être traitée et reconstruite sous la forme de valeurs d'intensité correspondant aux points de l'écran. L'ordre ne respecte plus la logique du dessin, mais suit plutôt le mode de balayage de la surface. Cette différence est illustrée à la Figure 3.6. Le temps de rafraîchissement d'une image dans le premier cas est proportionnel à la complexité du dessin (c.-à-d. le nombre de traits). Donc pour des dessins composés d'un très grand nombre de traits, on apercevra à l'écran un papillotement. Par contre, le temps de rafraîchissement avec le balayage récurrent ne dépend que du nombre de points (c’est- à-dire la définition) de l'écran.
Figure 3.6 Modes de balayage.
Comme les systèmes à balayage cavalier exécutent une image comme une trace du faisceau, ils donnent une très bonne qualité de trait. Par contre avec le balayage linéaire n trait est restitué comme une suite de points illustrée à la Figure 3.7. La résolution sera généralement inférieure et varie considérablement d'un appareil à un autre. Cependant en stockant la valeur d'une intensité, on peut afficher différentes teintes et couleurs, et ce mode de balayage permet de remplir des surfaces.
Figure 3.7 Tracé en pixels.
La couleur est obtenue par l'application de trois phosphores différents ( un pour chacune des trois couleurs primaires) sous forme de petits triangles. L'émetteur comprend trois canons contrôlant l'intensité des couleurs primaires. Entre les canons et la surface, on pose une grille ou masque et lorsque les trois faisceaux atteignent une même triade, alors la couleur demandée sera produite par composition.
Figure 3.8 Écran couleur à balayage linéaire.
La complexité de ces appareils va en augmentant, de l'écran à mémoire à l'écran à balayage linéaire.
Cependant, plusieurs décennies de production de masse pour la télévision ont amélioré la conception et les procédés de fabrication des moniteurs ainsi que les circuits pour le contrôle du balayage. Avec quelques raffinements mineurs, on a pu adapter cette technologie pour des applications graphiques tout en
conservant un très haut niveau de fiabilité et des coûts faibles. De sorte qu'aujourd'hui, la très grande majorité des systèmes graphiques utilisent les écrans à balayage linéaire.
3.3.2 Écran à plasma
Cependant pour certaines applications, d'autres technologies sont utilisées comme des écrans à plasma.
Leur construction comprend deux plaques avec des électrodes horizontales et verticales respectivement.
En sandwich entre celles-ci un panneau de verre contenant des pores, très petites, remplies d'un gaz tel le néon. Un "point" est affiché en appliquant à un couple d'électrodes (une horizontale et une verticale) une tension qui excite le gaz dans la cellule se trouvant à l'intersection des deux électrodes. On se dispense ainsi d'un mécanisme de régénération d'image. Ces appareils sont robustes mais plutôt coûteux et sans possibilité de couleurs. Leur avantage majeur réside dans leur grande dimension et leur faible épaisseur.
Figure 3.9 Écran à plasma.
3.3.3 Affichages à cristaux liquides
Les écrans à cristaux liquides [LCD = liquid cristal display] sont basés sur la propriété de certains liquides de connaître une phase nématique se situant entre la phase solide et la phase liquide. Dans cette phase, le centre de gravité des molécules peut se déplacer comme dans un liquide, par contre l'axe longitudinal s'oriente dans une direction bien précise comme dans un cristal, d'où leur nom cristal liquide.
Pour les affichages LCD à effet de champ, le cristal se trouve entre deux surfaces traitées de façon à orienter orthogonalement les molécules du cristal liquide d'une surface à l'autre. En l'absence de champ électrique, la structure des molécules est telle qu'elle fera subir une rotation de 90 (à un plan d'une onde lumineuse polarisée. L'application d'un champ électrique permet par contre, de forcer l’alignement des molécules.
Figure 3.10 Écran à cristal liquide.
Combiné avec des filtres polariseurs appropriés, l'on obtient un élément qui est transparent en l'absence d'un champ magnétique et opaque en présence d'un champ électrique.
Les écrans LCD ont une faible dimension, consomment peu, et permettent une bonne lisibilité dans des conditions d'éclairage variées. Toutefois, la définition est relativement faible (600 x 200), le temps de réponse est lent (200 ms) et l'angle de vision est limité.
Tout récemment sont apparus sur le marché des ordinateurs, les écrans couleur à cristaux liquides. Voici une brève description de leur fonctionnement.
Un panneau de produits chimiques phosphorescents pris en sandwich entre deux plaques de verre génère une lumière qui frappe le cristal liquide de l'arrière.
Le processeur graphique envoie des courants électriques qui activent les transistors situés au bas de l'écran. Chacun de ces transistors parmi un million est associé à un cristal contrôlant l’affichage d’une des trois couleurs primaires : rouge, vert et bleu. Trois de ces pixels forment ensemble un « pixel logique », c’est-à-dire un point sur l’écran.
Figure 3.11 Écran à cristaux liquides couleur, définition VGA.
Le courant passant par un pixel illumine le cristal liquide associé à ce pixel. Ceci entraîne un changement de direction de la molécule du cristal qui laisse passer les ondes de lumière, seulement si elles vibrent dans une certaine direction, ce qu'on appelle polarisation. Les ondes de lumière peuvent passer à travers les cristaux auxquels on n'a pas appliqué de courant; mais ces ondes sont déphasées de 90° par rapport aux pixels recevant du courant.
La variété des couleurs pour un écran VGA résulte d'instructions complexes du processeur graphique qui indique à quelle fréquence chaque pixel de couleur est allumé durant un cycle. Par exemple, si le pixel rouge est allumé à 100% du temps, le pixel vert à 50% du temps, et le pixel bleu à 25% du temps, la couleur résultante est orange.
La lumière polarisée pour chaque pixel de couleur rouge, vert, et bleu frappe la couche externe de l'écran, qui est un filtre polariseur qui laisse passer seulement les ondes de lumière qui vibre dans la direction des cristaux allumés. Les ondes de lumière passant à travers les cristaux éteints sont bloquées par le filtre polariseur.
3.4 IMPRIMANTES GRAPHIQUES 3.4.1 Imprimantes
L'imprimante graphique est un périphérique de sortie d'un système graphique permettant de fournir un document définitif. Il existe des imprimantes utilisant différentes technologies et ainsi permettant de fournir des dessins graphiques de différentes qualités.
Imprimante à percussion
Les imprimantes à percussion ou à frappe comprennent deux mécanismes indépendants. Le premier déroule le papier, c'est-à-dire la surface d'affichage une ligne à la fois et le second déplace une tête le long de cette ligne. Ceci permet de diviser la page en un nombre de carreaux à l'intérieur desquels la tête frappe un des caractères ou symboles disponibles. Du point de vue du graphisme, ce type de machine est identique aux écrans alphanumériques à balayage linéaire. On ne peut pas adresser les "points" ou carreaux de la surface de façon quelconque, ce qui exige que l'information soit transformée au préalable pour ce type d'affichage(comme pour les écrans à balayage récurrent). Un autre inconvénient est la taille assez grossière du carreau, c'est-à-dire une mauvaise résolution. Il est possible néanmoins par des astuces de programmation d'obtenir des images d'un haut niveau de réalisme, tel qu'illustré à la Figure 3.12. Cette approche ne peut pas être couramment utilisée.
Figure 3.12 Image obtenue sur une imprimante à percussion.
Imprimante à matrices
L'inconvénient de la faible résolution peut être contourné par des imprimantes à matrices où le déroulement du papier se fait en incréments beaucoup plus petits qu'une ligne d'impression alphanumérique, et où le positionnement de la tête se fait également en incréments plus petits que la largeur d'un caractère. Le mécanisme de frappe est remplacé de plusieurs façons. Certaines imprimantes possèdent une tête d'impression formée d'une rangée de 8 à 24 aiguilles actionnées par un mécanisme électromagnétique. Lorsque actionnée, une de ces aiguilles percute le ruban encreur déposant ainsi un point sur le papier. Certaines de ces imprimantes utilisent des rubans encreurs contenant en plus du noir, trois couleurs de base, et ainsi permettent l'impression de quatre à huit couleurs par passages successifs.
Imprimante à jet d’encre
Une variante des imprimantes à matrices est l'imprimante à jet d'encre. La rangée d'aiguilles de la tête d'impression est remplacée par une tête munie de petits trous ( habituellement quatre) par lesquels des jets d'encre sont déposés sur le papier.
Figure 3.13 Une cartouche remplie d’encre se déplace à l’horizontale tandis que le papier se déplace vertic alement.
(a) (b)
Figure 3.14 (a) (b) Une impulsion électrique passe dans une résistance à couche mince au fond d’une alvéole (1 parmi 50) relié à un bec sur la cartouche d’impression.
Chaque bec a un diamètre inférieur à un cheveu humain.
(a) (b)
Figure 3.15 a) La résistance à couche mince chauffe l’encre au fond de l’alvéole à 900o Fahrenheit durant quelques microsecondes. L’encre bout et se transforme en une bulle de vapeur;
b) la bulle de vapeur prend de l’expansion et pousse l’encre par le bec de l’alvéole.
Figure 3.16 a) La gouttelette d’encre est projetée sur le papier. Le volume est d’environ un millionième d’une goutte sortant d’un compte-gouttes; b) la résistance se refroidit et la bulle disparaît. La succion résultante attire de l’encre du réservoir et l’alvéole se remplit d’encre en provenance du réservoir.
Imprimante électrostatique
L'imprimante électrostatique est une imprimante à tambour utilisant un papier spécial. L'impression se fait en trois temps : une charge électrique est appliquée au papier par une rangée d'électrodes très fines (200 par pouce); le papier passe par un révélateur liquide [toner] contenant des particules de carbone qui se déposent aux endroits chargés du papier; après aspiration du liquide excédentaire, le papier est séché. On obtient alors une très bonne résolution et une assez grande vitesse d'impression. La couleur est extrêmement coûteuse, elle est basée sur une répétition du processus pour quatre bains différents pour les couleurs noir, jaune, magenta et cyan.
Figure 3.17 Imprimante électrostatique.
(a) (b)
Imprimante laser
Une imprimante est en fait une photocopieuse modifiée, dans laquelle l'image ne provient pas d'un original, mais est dessinée par un rayon laser directement sur le tambour. Le procédé est composé des étapes suivantes:
• le rayon laser balaye ligne par ligne pour former une image électrostatique latente sur le tambour photosensible,
• l'image est développée par l'attraction de particules de carbone d'un révélateur,
• l'image est transférée sur le papier par l'application d'une tension,
• l'image est fixée sur le papier par pression et chaleur,
• le tambour est nettoyé.
Figure 3.18 Imprimante laser.
Une couronne distribue une charge sur le tambour photosensible.
Pendant que le tambour tourne, un miroir prismatique focalise les impulsions du laser à travers une lentille cylindrique sur le tambour. Lorsque la lumière atteint le tambour, la charge est enlevée, créant ainsi une image latente. Le révélateur est attiré seulement par les éléments de la surface chargée. Une charge électrostatique est appliquée au papier, et ainsi, le révélateur est transféré sur le papier. Une lampe de prénettoyage ainsi qu’une brosse nettoient le tambour. Finalement, une lampe décharge la surface pour éliminer les résidus.
La vitesse d’impression varie de 4 pages à la minute à plus de 300 pages à la minute pour les gros modèles. L’imprimante laser a l’avantage d’utiliser du papier normal.
Figure 3.19 non disponible dans autre fichier!
Figure 3.19 Image obtenue sur une imprimante à aiguilles, traceur de courbes et imprimante laser.
Imprimantes à ions
Les imprimantes laser font partie de la classe des imprimantes électrophotographiques. Pour les imprimantes à haut volume, une autre technologie appelée à dépôt d'ions permet de produire des sorties d'aussi bonne qualité, à un moindre coût, principalement pour l'entretien du matériel et requiert moins d'énergie.
Figure 3.20 Imprimante à ions.
Une cartouche de faisceaux d’électrons génère des électrons (effet de couronne) sur un tambour diélectrique qui tourne. Ces plaques d’électrons sur la surface du tambour forment une image latente qui attire les particules du révélateur provenant d’un rouleau.
Un rouleau fixe le révélateur du tambour par pression sur le papier. Un éclair au xénon élimine le lustre. Enfin, un grattoir enlève les résidus du révélateur du tambour et une tringle d’effaçage élimine l’image latente.
Imprimante couleur à transfert thermique
Appelées parfois imprimantes laser couleur, les imprimantes à transfert thermique permettent de transférer l'encre d'une feuille au papier en chauffant les pixels (points) appropriés. En utilisant les encres cyan, magenta, jaune et noire, on produit des imprimés de huit couleurs par trois passes successives, une pour chaque couleur primaire.
En combinant les pixels, technique appelée demi-ton (halftoning ou dithering), par exemple, des cellules de deux pixels, on peut obtenir 124 couleurs à partir des huit couleurs de base.
Figure 3.21 Cinq niveaux d’intensité obtenus par une matrice 2 x 2 de pixels noirs.
Figure 3.22 Imprimante à transfert thermique.
La feuille d’encre et le papier sont entraînés vers un rouleau, qui les serre sur les têtes d’impression thermiques. Les commandes d’un contrôleur activent des semi-conducteurs dans les têtes d’impression pour mélanger et déposer les particules de colorant aux endroits appropriés sur le papier. Ce procédé est répété pour chaque couleur primaire jusqu’à ce qu’on obtienne la couleur désirée.
3.4.2 Tables à dessin
Dans la catégorie de la visualisation passive, on retrouve les traceurs de courbes à plat, à rouleaux ou tambours. Comme pour les imprimantes le support est une feuille de papier. Le mécanisme d'écriture pour les traceurs plats est une tête avec une ou plusieurs plumes que l'on positionne indépendamment selon deux coordonnées. Dans le cas des traceurs à tambour, on contrôle la tête selon une direction et le déroulement du papier selon l'autre. Un point sur la surface d'affichage peut-être adressé de façon quelconque. Dans ce sens ces machines s'apparentent aux écrans à balayage cavalier.
La surface d'affichage peut être considérée comme divisée en carreaux dont les dimensions sont la longueur du pas des moteurs qui contrôlent la plume ou le tambour du papier. Selon le prix, on obtient des vitesses de traçage allant de 1 pouce à 50 po/sec et plus. Ces équipements ont un niveau de fonctionnalité assez faible se limitant à des traits (segments de droites). Dans certains cas (traceurs électrostatiques), on peut obtenir du remplissage permettant un rendu de plus haut niveau.
Par contre, la qualité des documents est parfaite et ces machines doivent être utilisées en différé. Pour des dessins qui doivent servir comme une aide à la réflexion, les recopies d'écran de qualité moindre peuvent être utilisée.
On peut regrouper les divers types d'équipements selon le type de dessins réalisés:
• Les dessins au trait constitués en fait de segments de droite.
• Les dessins au point ( ou images) constitués de pixels (ou point adressable du support).
Figure 3.23 Traceurs de courbes.
3.5 PÉRIPHÉRIQUES DE DIALOGUE
De nombreux terminaux et postes de travail graphiques comprennent des périphériques pour le dialogue entre l'usager et l'application. On retrouve d'abord différents claviers pour identifier des choix ou des fonctions ainsi que pour les entrées textuelles et numériques. Pour préciser une entrée à l'écran soit un élément d'un menu, soit une entité graphique (un trait) ou encore les coordonnées d'un point, on utilise un pointeur. La position et son déplacement sont contrôlés par divers mécanismes tels que les souris [mouse], manches à balai [joystick], les boules roulantes [trackball]. Le relevé précis de coordonnées se fait sur des tablettes graphiques [graphic tablet] de grande dimension. Les photostyles [light pen] qui permettent de pointer directement à l'écran ont un mode de fonctionnement bien adapté aux écrans à balayage cavalier et, on ne les retrouve plus avec les écrans à balayage récurrent.
Dans certaines applications, il est plus aisé de communiquer des valeurs numériques à l'aide d'un valuateur (un rhéostat ou potentiomètre) qu'avec un clavier, surtout si l'on désire varier la valeur de façon continue.
Finalement à différents degrés de fiabilité, on trouve des écrans tactiles pour effectuer des choix à l'écran, des systèmes pour la parole, et le relevé de coordonnées en trois dimensions. Ces périphériques de dialogue seront décrits plus en détail dans un chapitre ultérieur.
3.6 SYSTÈMES D’AFFICHAGE À BALAYAGE LINÉAIRE
Un système graphique utilise une ou plusieurs unités de traitement qui participent aux tâches de l'ensemble et allègent la charge de l'unité centrale. Dans une application infographique, on distingue trois niveaux de tâches:
• la création de l'objet qui relève du calcul numérique, et de la modélisation géométrique et du calcul numérique;
• le traitement de l'objet qui comprend certaines manipulations telles que les transformations, l'élimination des parties cachées, le coloriage, etc...;
• la production et l'affichage d'une image sur un support (écran, papier, ...).
La répartition de ces tâches entre l'unité centrale et le poste de travail donne lieu à différentes architectures. D'autre part, ce partage évolue avec les progrès technologiques et le recours de plus en plus fréquent à des processus spécialisés.
L'objectif d'un processeur graphique est de traduire l'information numérique de l'application provenant de l'unité centrale en une suite de voltages pour l'unité d'affichage. Dans l’architecture la plus simple (Figure 3.24), pour le contrôle du mécanisme d'écriture, tout le travail est réalisé sur l'unité centrale et alors le poste de travail ne comprend qu'un contrôleur vidéo. L’unité centrale produit l’image en discrétisant l’objet graphique et en écrivant dans la mémoire de trame les bits ( 0 ou 1 pour un écran monochrome) correspondant aux pixels devant être allumés à l’écran.
Figure 3.24 Architecture d’un système à balayage linéaire.
Étant donné que la mémoire de trame est stockée n’importe où dans la mémoire du système, le contrôleur vidéo accède la mémoire de trame par le bus du système.
Figure 3.25 L’origine du repère pour identifier les positions à l’écran est habituellement dans le coin inférieur gauche.
Le contrôleur vidéo balaye la mémoire de trame ligne par ligne à une certaine fréquence, typiquement 60 fois par seconde. Pour un grand nombre de moniteurs, l’origine des coordonnées est définie dans le coin gauche inférieur (Figure 3.25). La surface d’affichage est représentée comme le premier quadrant d’un système cartésien en deux dimensions. Les lignes de balayage sont étiquetées de ymax pour la ligne supérieure au haut de l’écran à 0 au bas de l’écran. D’autre part, la position des pixels pour chaque ligne de balayage varie de 0 à xmax.
Dans un système couleur, un code correspondant à une couleur est stocké dans la mémoire de trame. Par exemple, si 4 bits sont utilisés pour chaque pixel, on peut coder 24 = 16 couleurs. Les opérations de base d’un contrôleur vidéo sont illustrées à la Figure 3.26. Deux registres sont utilisés pour stocker les coordonnées des pixels de l’écran. Initialement, les registres x et y sont respectivement 0 et ymax. Le code stocké dans la mémoire de trame pour ce pixel est utilisé pour contrôler l’intensité du faisceau. Le registre x est incrémenté de 1 et le processus est répété pour chaque pixel jusqu’à la fin de la ligne. Alors, le registre x est remis à zéro, et le registre y est décrémenté de 1. On répète le processus pour chacun des pixels de la ligne jusqu’à ce que la ligne 0 soit atteinte; alors, les registres x et y reprennent respectivement les valeurs 0 et ymax, et le processus recommence.
Étant donné que l’écran doit être rafraîchi 60 fois par seconde, ce processus ne peut s’accommoder de puces de mémoire RAM. Pour accélérer ce processus, le contrôleur vidéo lit dans la mémoire de trame des blocs de code correspondant à des blocs de bits adjacents. Ces blocs d’intensité sont stockés dans des registres séparés et utilisés pour contrôler l’intensité du faisceau.
Figure 3.26 Opérations de base du processus de rafraîchissement du contrôleur vidéo.
Dans des systèmes plus évolués, le contrôleur peut effectuer des opérations plus complexes. Par exemple, certains systèmes possèdent un double tampon pour la mémoire de trame. Ainsi, en accédant à tour de rôle ces deux tampons, on peut créer de l’animation. Certains systèmes possèdent aussi une table de couleurs correspondant aux intensités du faisceau pour les trois couleurs primaires (rouge, vert, bleu); le code de la mémoire de trame sera utilisé comme index pour accéder cette table.
Contrôleur graphique
La Figure 3.27 illustre l’organisation d’un système à balayage linéaire avec un processeur d’affichage séparé souvent appelé contrôleur graphique ou coprocesseur d’affichage. Le but de ce processeur est de libérer le processeur de l’unité centrale de traitement des opérations graphiques. En plus du processeur, ce contrôleur graphique possède habituellement une mémoire qui sera utilisée pour ses opérations et la mémoire de trame pour l’écran.
Figure 3.27 Architecture d’un système à balayage linéaire avec un contrôleur graphique.
Le processeur graphique est alors plus complexe et traite de l'information numérique plus proche de l'application ou de l'usager. C'est-à-dire que le programme d'application génère des entités graphiques telles que des points, courbes et polygones dans un repère cartésien dont les dimensions sont celles de l'application et non pas celles de l'écran. Le processeur se charge de faire les conversions nécessaires. Ce processus de conversion s’appelle conversion de vecteurs à trame. D’autres fonctions prises en charge sont des transformations (rotation, déplacement, ...), la génération de différents types de traits, le remplissage de polygones. Dans les appareils les plus récents, ces opérations sont réalisées en trois dimensions avec le modèle de lumière et élimination de parties cachées.
La définition de l'image est limitée par la taille de la mémoire tampon ou mémoire de trame (d'affichage).
Pour fixer les ordres de grandeur, un écran de très bonne qualité a une définition typique de 1024x768. Pour un affichage noir et blanc, un bit est nécessaire pour définir l'intensité (allume/éteint). Pour inclure de la couleur, il faut, disons 24 bits ou davantage par pixel soit une mémoire de 3 mégaoctets.
