1. ВВЕДЕНИЕ.
Задача вывода информации, представленной в графической форме, возникла одновременно с появлением вычислительных, и ее решение - одна из основных целей вычислительных средств, применяемых для автоматизации проектирования. Устройства, выполняющие функции вывода графической информации на бумажный и некоторые другие носителей, называются графопостроителями или плоттерами (от англ. plotter) - термин, который, как и многие другие транслитерированные англоязычные термины, уже вытеснил свой русскоязычный аналог. В этом реферате рассмотрены основные плоттерные технологии(plot/print technologies), тенденции рынка, достоинства и недостатки различных типов плоттеров и характеристики, котороые необходимо учитывать при выборе конкретного плоттера.
Хочу заметить, что большинство рассмотренных ниже технологий используется в плоттерах не только большого (А0, А1) формата, являющихся предметом данного реферата, но и в плоттерах меньшего формата и даже в принтерах.
2. ПЕРЬЕВЫЕ ПЛОТТЕРЫ (ПП, PEN PLOTTER).
Перьевые плоттеры - это электромеханические устройства векторного типа, и на ПП традиционно выводят графические изображения различные векторные программные системы типа AutoCAD. ПП создают изображение при помощи пищущих элементов, обобщенно называемых перьями, хотя имеется несколько видов таких элементов, отличающихся друг от друга используемым видом жидкого красителя. Пищущие элементы бывают одноразовые и многоразовые (допускающие перезарядку). Перо крепится в держателе пищущего узла, который имеет одну или две степени свободы перемещения.
Существует два типа ПП: планшетные, в которых бумага неподвижна, а перо перемещается по всей плоскости изображения, и барабанные (или рулонные ), в которых перо перемещается вдоль одной оси координат, а бумага- вдоль другой за счет захвата транспортным валом, обычно врикционным. Пермещения выполняются при помощи шаговых (в подавляющем большинстве плоттеров ) или линейных электродвигателей, создающих довольно большой шум. Хотя точность вывода информации барабанными плоттерами несколко ниже, чем планшетными, она удовлетворяет требованиям большинства задач. Эти плоттеры более компактны и могут отрезать от рулона лист необходимого размера автоматически, что определило их доминирование на рынке больших ПП (ПП формата А3 обычно планшетные).
Отличительной особенностью ПП являются выское качество получаемого изображения и хорошая цветопередача при использоварии цветных пищущих элементов. К сожалению, скорость вывода информации в ПП невысока, несмотряна все более быструю механику и попытки оптимизации процедуры рисования; существует и проблема подбора пары носитель - чернила.
Карандашно-перьевые плоттеры (КПП, pen/pencil) - разновидность перьевых - отличаются возможностью установки специлизированного пишущего узла с цанговым механизмом для использования обчных карандашных грифелей, который обеспечивает постоянное усилие нажима грифеля на бумагу и его автоподачу при стачивании. В результате не требуется постоянно следить за процессом вывода информации, как при эксплуатации ПП, в которых может засоряться канал истечения красителя.
Дополнительные преимущества карандашной технологии:
_ "Краситель" карандашных грифелей не высыхает, и карандаш пишет на любой скорости (при использовании жидких красителей необходимо учитывать время их вытекания из пера и время высыхания)
_ Карандаш позволяет рисовать на любых бумажных носителях, в том числе и не очень высокого качества; при этом изображения качественны, дают хорошие оттиски при копировании, и в то же время их можно корректировать ластиком.
_ Грифели просто купить, значительно экономя на расходных материалах.
ПП и КПП осбенно привлекательны для тех, кому важнее качество, нежели количество изображений, и кто имеет скромный бюджет.
Все остальные типы плоттеров образуют изображения на носителе информации, используя различные физические процессы, в частности прибегагая к дискретному (растровому) способу его создания.
3. СТРУЙНЫЕ ПЛОТТЕРЫ (СП, INK-JET PLOTTER).
Струйная технология создания изображения известна с 70-х годов, но истинный ее прорыв на рынке стал возможен только с разработкой фирмой Canon технологии создания реактивного пузырька (Bubblejet) - направленного распыления чернил на бумагу при помощи сотен мельчайших форсунок одноразовой печатающей головки. Каждой форсунке соответствует свой микорскопический нагревательный элемент (терморезистор), который мгновенно (за 7-10 мкс) нагревается под воздействием электрического импульса. Чернила закипают, и пары создают пузырек, который выталкивает из форсунки каплю чернил. Когда импульс кончается, терморезистор столь же быстро остывает, а пузырек исчезает.
Печатающие головки могут быть "цветными" и иметь соответствующее число групп форсунок. Для создания полноценного изображения используется стандартная для полиграфии цветовая схема CMYK, использующая четыре цвета: Cyan - голубой, Magenta - пурпурный, Yellow - желтый и Black - черный. Сложные цвета образуются смешением основных, причем получение оттенков различных цветов достигается путем сгущения или разрежения точек соответствующего цвета в фрагменте изображения (аналогичный способ используется при получении различных оттенков"серого"при выводе монохромных изображений).
Струйная технология имеет ряд достоинств. Сюда можно отнести простоту реализации, высокое разрешение, низкую потребляемую мощность и относительно высокую скорость печати. Приемлемая цена, высокое качество и большие возможности делают СП серьезным конкурентом перьевых устройств. Спрос на СП со стороны работающих с настольными издательскими системами и пользователей систем автоматизированного проектирования, выпускающих сложные чертежи формата А0, растет, однако невысокая скорость вывода графической информации и выцветание со временем полученного цветного изображения без принятия специальных мер (использования ламинирования или специальной "самоламинирующейся" бумаги) ограничивает их применение.
4. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ПЛОТТЕРЫ
(ЭП, ELEСTROSTATIC PLOTTER).
Электростатическая технология основывается на создании скрытого электрического изображения (потенциального рельефа) на поверхности носителя - специальной электростатической бумаги, рабочая поверхность которой покрыта тонким слоем диэлектрика, а основа пропитана гидрофильными солями для обеспечения требуемых влажности и электропроводности. Потенциальный рельеф формируется при осаждении на поверхность диэлектрика свободных зарядов, образующихся при возбуждении тончайших электродов записывающей головки высоковольтными импульсами напряжения. Когда бумага проходит через проявляющий узел с жидким намагниченным тонером, частицы тонера оседают на заряженных участках бумаги. Полная цветовая гамма получается за четыре цикла создания скрытого изображения и прохода носителя через четыре проявляющих узла с соответствующими тонерами.
Электростатические плоттеры можно было бы считать идеальными устройствами, если бы не необходимость поддержания стабильных температуры и влажности в помещении, необходимость тщательного обслуживания и их высокая стоимость, в связи с чем ЭП приобретают пользователи, имеющие оправданно высокие требования к производительности и качеству. Для достижения максимальной эффективности ЭП обычно работают как сетевые устройства, для чего снабжены адаптерами сетевого интерфейса. Немаловажны также высокая устойчивость изображения к воздействию ультрафиолетовых лучей и невысокая (на уровне стоимости высококачественной типографской) стоимость электростатической бумаги. ЭП применяют при высокой степени автоматизации проектных работ в солидных организациях и в геоинформационных системах (ГИС).
5. ПЛОТТЕРЫ ПРЯМОГО ВЫВОДА ИЗОБРАЖЕНИЯ
(ППВИ, DIRECT IMAGING PLOTTER).
Изображение в ППВИ создается на специальной термобумаге (бумаге, пропитанной теплочувствительным веществом) длинной (на всю ширину плоттера) "гребенкой" миниатюрных нагревателей. Термобумага, которая обычно подается с рулона, движется вдоль "гребенки" и меняет цвет в местах нагрева. Изображение получается высококачественным (разрешение до 800 dpi (dots per inch - точка/дюйм)), но, увы, только монохромным.
Сейчас цены на термобумагу снизились, недостаки, когда-то прису щие ей (чувствительность к изменениям температуры окружающей среды и низкая контрастность изображения), устранены, а типы термоносителей включают в себя стандартную белую бумагу, кальку и даже полиэфирную пленку. Качество этих носителей удовлетворяет самым строгим архивным требованиям.
Учитывая их высокую надежность, производительность (может достигать 50 листов формата А0 в день) и низкие эксплуатационные затраты, плоттеры ПВИ применяют в крупных проектных организациях для вывода проверочных копий. В связи с этим в их стандартную конфигурацию входит сетевой адаптер. Технические характеристики ППВИ соответсвуют требованиям прикладных задач инженерного проектирования, архитектуры, строительства, городского планирования и электросхемотехники.
6. ПЛОТТЕРЫ НА ОСНОВЕ ТЕРМОПЕРЕДАЧИ
(ПТП, THERMAL TRANSFER PLOTTER).
Отличие этих плоттеров от ППВИ состоит в том, что в них между термонагревателями и бумагой (или прозрачной пленкой!) размещается "донорный цветоноситель" - тонкая, толщиной 5-10 мкм, лента (например, лавсановая), обращенная к бумаге красящим слоем, выполненным на восковой основе с низкой (менее 100ш С) температурой плавления.
На донорной ленте последовательно нанесены области каждого из основных цветов размером, соответствующим листу используемого формата. В процессе вывода информации бумажный лист с наложенной на него донорной лентой проходит под печатающей головкой, которая состоит из тысяч мельчайших нагревательных элементов. Воск в местах нагрева расплавляется, и пигмент остается на листе. За один проход наносится один цвет. се изображение получается за четыре прохода. Таким образом, на каждый лист цветного изображения затрачивается в четыре раза больше красящей ленты, чем на лист монохромного.
Ввиду дороговизны каждого отпечатка эти плоттеры используются в составе средств автоматизированного проектироваия для высококачественного вывода объектов трехмерного моделирования, в системах картографии, где требуется высокое качество воспроизведения цветов, и рекламными агенствами для вывода цветопроб плакатов и транспарантов для красочных презентаций.
7. ЛАЗЕРНЫЕ (СВЕТОДИОДНЫЕ) ПЛОТТЕРЫ
(ЛП, LASER/LED PLOTTER).
Эти плоттеры базируются на электрографической технологии, в основу которой положены физические процессы внутреннего фотоэффекта в светочувствительных полупроводниковых слоях селеносодержащих материалов и силовое воздействие электростатического поля. Промежуточный носитель изображения (вращающийся селеновый барабан) в темноте может быть заряжен до потенциала в сотни вольт. Луч света снимает этот заряд, создавая скрытое электростатическое изображение, которое притягивает намагниченный мелкодисперсный тонер, переносимый затем механическим путем на бумагу. После этого бумага с нанесенным тонером проходит через нагреватель, в результате чего частицы тонера запекаются, создавая изображение.
Некоторое время назад создание скрытого изображения на барабане осуществлялось исключительно при помощи лазера. Для управления перемещением лазерного луча служила сложная система вращающихся зеркальных многогранников или призм или линз. Вследствие этого плоттеры, использующие лазеры, боятся тряски и ударов, которые могут сбить настройку. Избежать сложностей с оптикой и сделать систему проще, легче и надежнее позволило применение линеек точечных полупроводниковых светодиодов (light-emitting diode - LED).
Лазерные и LED-плоттеры ввиду высокого быстродействия (лист формата А1 выводится менее чем за полминуты) удобно использовать как сетевые устройства, и они имеют в стандартной комплектации адаптор сетевого интерфейса. Не менее важно и то, что эти плоттеры могут работать на обычной бумаги, что сокращает эксплуатационные затраты.
LED-плоттеры становятся все более популярными, хотя по стоимости сравнимы с монохромными электростатическими.
Область их применения: сложный технический дизайн, архитектура, картография и другое, т.е. везде, где требования к производительности и качеству результатов высоки, но наличие цвета не требуется.
Время от времени предрекается появление цветных лазерных плоттеров, но пока еще это слишком дорого.
8. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПЛОТТЕРОВ.
Теперь давайте рассмотрим основные параметры, приводимые производителями плоттеров.
8.1 НОСИТЕЛЬ И ИЗОБРАЖЕНИЕ.
Тип носителя (media type) напрямую влияет на эксплуатационные расходы: чем дороже и "экзотичнее" носитель, тем они выше.
Максимальный размер листа (max. media size) при использовании нарезанных заранее или максимальная ширина листа носителя (max. media width) при использовании рулонного носителя больше фактических соответственно размера рабочего поля носителя (image size) или ширины рабочего поля (image width), т.е. пространства, где плоттер рисует, на размер полей по краям листа (border, margins) из-за необходимости его перемещения в процессе создания изображения.
Формат листа (drawing size) определяет максимальный стандартный формат, который может быть вписан в размер рабочего поля.
Длина носителя (media length) для рулонных плоттеров зависит от его толщины (чем тоньше носитель, тем он длиннее), так как допустимый диаметр рулона ограничен. Иногда можно встретиь параметр - максимальная толщина носителя (max. media thickness). Понятно, что малая толщина носителя сужает возможности использовани плоттера.
8.2 ПАРАМЕТРЫ ТОЧНОСТИ.
То, насколько плоттер удовлетворяет потребности пользователя, во многом определяется его параметрами точности. Данные, обычно приводимые в технической документации, требуют дополнительного анализа, так как, во-первых, не существует универсального показателя точности, а во -вторых, эти показатели у разных типов плоттеров характеризуют фактические разные параметры.
Механическая точность (mechanical resolution, resolution) имеет смысл только для перьевых плоттеров и характеризует то, с какой точностью их механическая система способна позиционировать пишущий узел. Она всегда существенно лучше фактической точности, обеспечиваемой плоттером, поскольку, с одной стороны, центр пишущего элемента совсем необязательно попадет строго в установленную позицию, а, с другой пятно, создаваемое пишущим элементом, имеет ненулевые размеры.
Программно задаваемое разрешение (software resolution) определяет, с какой точностью (разрядностью) могут кодироваться координаты в графическом файле, пересылаемом плоттеру. К точности координат в выходно чертеже этот параметр имеет весьма отдаленное отношение, так как обычно существенно превышает механическую точность плоттера.
Разрешение печати (resolution).
Этот параметр используется в растровых плоттреах и измеряется числом точек на дюйм (dots per inch, dpi) в зарубежным плоттерах и числом точек на миллиметр - в отечественных. Чем величина больше, тем разрешение выше.
Следует иметь в виду, что разрешение полноцветной печати для некоторых видов цветных плоттеров (например, струйных) меньше, чем разрешение монохромной печати. Так, например, при разешении 1200 точка/дюйм в монохромном режиме тот же плоттер в полноцветном режиме будет обеспечивать разрешение 1200/N (N=2--4, в зависимости от конструктивных особенностей пишущей головки плоттера).
Точность (accuracy).
Когда этот параметр указан в явном виде для перьевых плоттеров, надо учитывать, что он соответсвует только некоторым, весьма определенным, условиям работы плоттера. Например, применение бумаги с повышенной шероховатостью (отечечественный ватман) или другого пишущего узла (отличающегося от тестового, а также износ механики плоттера вследствие эксплуатации существенно повлияте на эту характеристику.
Повторяемость (repeatability).
Этот параметр весьма значим для перьевых плоттерови определяет точность, с которой плоттер многократно позиционирует пишущий узел в одной и той же точке в процессе рисования.
Погрешность остановки пера (end point accuracy) характеризует величину погрешности позиционирования пишущего узла перьевых плоттеров, возникающую при установке пишущего узла в начальную точку вектора после холостого перемещения, происходящего на максимальной скорости.
8.3 ПАРАМЕТРЫ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ.
Скорость печати, или перемещения носителя (media travel speed).
Эта характеристика присуща растровым плоттерам, и обычно определяет максимально технически возможную скорость печати уже подготовленной информации. В то же время для высокопроизводительных плоттеров узкое место - процессы пересылки графической информации и ее инерпретации в плоттере и реальная скорость печати с учетом этих процессов ниже. Поэтому тип интерфейса (interface, input ports) - весьма важный параметр, характеризующий не только то, каким образом можно подключать плоттер, но и скорость печати. Стандартными дял плоттеров является проследовательный интерфейс RS-232C и более быстрый паралельный интерфейс Centronics. Для высокопроизводительных растровых плоттеров с большими объемами передаваемой информации желательно наличие нескольких одновременно работающих стандартных интерфейсов.
При выборе плоттера дял некоторых приложений полезно знать быстродействие его процессора (контроллера). Например, это существенно, если вы хотите готовить данные на языке PostScript и собираететсь использовать растровый плоттер, имеющий всроенный интерпретатор PostScript-файлов.
Максимальная скорость взаимного перемещения пишущего узла и носителя (max. speed). Этот параметр, приводимый дял перьевых плоттеров, часто только вводит в заблуждение. Техническая возможность перемещать пишущий узел с большой скоростью и реальная скорость рисования - это, как говорится, две большие разницы. Реальная скорость рисования определеятся максимальной скоростью нанесения непрерывной линии пишущим узлом (max. plotting speed) и максимальным ускорением перемещения (acceleration) пишущего узла. Максимальная скорость наненсения непрерывной линии указана на упаковке пишущего узла, а не в технических характеристиках плоттера и определяется, например, скоростью истечения чернил! А максимальное ускорение, которое может быть придано пищушему узлу, сродни термину "приемистость автомобиля" и влияет на потери времени при изменении направления пишущего узла, что происходит постоянно. На потери времени также влияет скорость поднятия/опускания пера (pen response time).
8.4 ПАМЯТЬ.
Для улучшения функциональных показателей (быстродействие, удобство работы, автономность и др.) плоттер имеет всроенную память, в которую загружается графическая информация, обрабатываемая процессором плоттера в процессе создания изображения.
Стандартный буфер - это оперативная память в плоттере стандартной конфигурации. Современные модели плоттеров большлго формата имеют стандартный буфер (memory) емкостью (memory capacity, standard buffer size) от 1 Мбайт. В некоторых моделях плоттеров можно устанавливать дополнительные блоки памяти, так называемое расширение буффера (memory upgrade, optional buffer) емкостью до 64 Мбайт. У высокопроизводительных плоттеров с несколькими каналами приема информации также должна быть дополнительная дисковая память (disk) - встроенный жесткий диск, на который записывается графическая информация.
Для перьевых плоттеров размер памяти определяет только способность работать в режиме off-line (т.е. автономно) после загрузки файла чертежа.
Для растровых плоттеров это жизненно важный параметр, так как он, в конечном счете определяет разрешение и формат изображения, обеспечиваемые плоттером.
8.5 ФОРМАТЫ ДАННЫХ.
Графические языки, стандартные форматы данных (protocol support, standard data formats, graphic languages).
Как уже указывалось, существует два принципа создания изображения - векторный и растровый.
Первый характерен для перьевых плоттеров, а второй - для всех остальных.
Однако не следует путать принцип создания изображения и то, какую графическую информацию - растровую или векторную - можно вывести на данном плоттере. Способность плоттера выводить тот или иной вид графической информации определяется соответствующим программным обеспечением и набором графических языков и форматов данных, которые "понимает" плоттер.
Проблема заключается в том, что часто и/или форматы данных информации в компьютере не соответствуют разрешению и/или форматам данных плоттера. И если векторные графические языки, такие, как HPGL, фактически стандарт для любого плоттера (т.е. всегда обеспечен вывод векторной графической информации), то вывод растровой информации на растровом же плоттере не всегда может быть осуществлен без специальных драйверов. Как правило, это драйверы поставляются вместе с плоттером, но в некоторых случаях их просто может не быть.
Поэтому для того чтобы плоттер работал с выбранным программным обеспечением, необходимо удостовериться, что форматы данных и графические языки, поддерживаемые вашим плоттером и этим программным обеспечением, совпадают.
Ряд фирм-производителей выпускают модели плоттеров с возможностью подключения дополнительных фунциональных блоков, которые позволяют расширять набор графических языков и форматов данных, "понимаемых" плоттером. Наиболее часто это делается для языка PostScript.
8.6 ЧЕРТЕЖНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.
Цветовая палитра (colour palette).
Для цветных растровых плоттеров этот параметр характеризует максимально возможное количество цветов, с которым способен работать плоттер, но количество одновременно отображаемых цветов всегда меньше и определеятся числом цветов однородной заливки (area fill colours). Например (гипотетический случай), при цветовой палитре в 16,7 млн. цветов одновременно могут отобразиться только 8192 из них.
Число типов линий (line types).
Этот параметр используется для характеристики векторной графики и определяет для некоторых плоттеров количество встроенных ("зашитых" в постоянной памяти или задаваемых внутренней программой) типов линий. Наличие встроенных типов линий не означает, что чертеж не может содержать и большего чем указано, числа линий, так как ряд компьютерных программ готовит данные для вывода на плоттер, не используя встроенные типы линий.
Число штриховок (area fill types, hatch types).
Ряд перьевых и растровых плоттеров способны закрашивать замкнутые области путем штрихования, и этот параметр характеризует количество встроенных (аппаратно реализованных) видов штриховок. Он, как и число типов линий, не относится к числу критичных, поскольку далеко не все программные средства используют возможности встроенного управления штрихованием, а создают штриховку самостоятельно.
Еще несколько параметров, характеризующих исключительно перьевые плоттеры.
Давление на пишущий элемент (pen force).
Параметр определяет применимость дял данного плоттера того или иного носителя и пишущего элемента. Излишне высокое давление на пишущий элемент может привести к замятию или прорезанию носителя, а также порче пишущего элемента, а недостаточное - к потере непрерывности рисуемых линий.
Типы пишущих элементов (pen type).
Чем больше список применяемых типов пишущих элементов (а в их число могут входить фломастеры, шариковые стержни и рапидографы с различными характеристиками), тем проще будет найти расходные материалы для плоттера. Ну, и конечно, тип пишущего узла оказывает критическое влияние на реальную производительность плоттера.
Число пишущих элементов в карусели (No. of pens).
Это параметр определяет возможное число одновременно отображаемых цветов или ширину линий на чертеже.
Специфический для карандашно-перьевых плоттеров параметр - грифеледержатель (pencil holder). Он описывает характеристики карандашного пишущего узла. Если грифеледержатель имеет бункер на несколько грифелей, то это существенно повышает автономность работы плоттера, так как замена исписавшегося грифеля при этом производится автоматически, без прерывания работы.
Специфическим для режущих плоттеров является параметр тип лезвий (cutting kit). Он аналогичен параметру типы пишущих узлов.
Ну и, наконец, одной из наиболее серьезных, но крайне редко встречающихся в документации и рекламных листках на плоттеры характеристик является наработка на отказ (MTBF - mean time before failure). Если данный параметр присутствует в документации, это уже говорит о высоком качестве устройства, так как, если он низок, его вряд ли будут афишировать.
Сегодня можно считать, что надежность плоттеров, поставляемых на рынок солидными фирмами, составляет десятки тысяч часов.
9. ТЕНДЕНЦИИ РЫНКА.
Рынок широкоформатных плоттеров растет на фоне острого соперничества используемых технологий. Прочные позиции удерживают карандашноперьевые плоттеры, выигрывающие на дешевых расходных материалах.
В последние годы значительно улучшились технические характеристики цветных струйных плоттеров. Имея существенно меньшую стоимость, по качеству изображения они стали приближаться к цветным электростатическим плоттерам. Ожидается появление новых производителей СП, что неизбежно должно повысить остроту конкуренци и привести к снижению цен на эти изделия, а значит, и к более широкому использованию цвета при подготовке документов.
Чтобы противостоять наступлению струйных цветных плоттеров, производители других типов устройств постоянно усовершенствуют их характристики.
Что касается LED-плоттеров, высокая цена делает их пока еще мало доступными широким массам пользователей, однако поскольку эти устройства находятся в одной "весовой категории" с монохромными электростатическими, то постепенно начинают их вытеснять.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.
1. Еремин Л.В., Королев А.Ю., Косарев В.П. и др. Экономическая информатика и вычислительная техника. -М.: Изд-во "Финансы и статистика", 1993.
2. Косарев В.П., Сурков Е.М., Бакова И.В. Технические средства АСУ. -М.: Изд-во "Финансы и статистика", 1986.
3. Персональный компьютер: диалог и программные средства. Учебное пособие /Под ред. В.М.Матюшка -М.:Изд-во УДН, 1991.