Типы графических устройств: графические дисплеи на запоминающей трубке, векторные графические дисплеи с регенерацией изображения, растровые графические дисплеи с регенерацией изображения.

ТИПЫ ГРАФИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ.

Существует много разнообразных графических устройств для вывода изображений, построенных с помощью машинной графики. В качестве типичных примеров назовем перьевые графопостроители, точечно-матричные, электростатические и лазерные печатающие устройства, фильмирующие устройства, дисплеи на запоминающей трубке, векторные дисплеи  с регенерацией изображения и растровые дисплеи на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ). Мы ограничимся обсуждением дисплеев на ЭЛТ, поскольку в большинстве систем машинной графики используются дисплеи подобного типа и именно в этом типе дисплеев воплощены наиболее фундаментальные концепции вывода изображения.

Запоминающие ЭЛТ с прямым копированием изображения (рисование отрезками), векторные дисплеи с регенерацией изображения (рисование отрезками) и растровые сканирующие дисплеи с регенерацией (поточечное рисование) являются тремя основными типами дисплеев на базе ЭЛТ. Развитие электронной техники позволило использовать в одном дисплее несколько методов изображения. Мы будем рассматривать в основном

функциональные возможности дисплеев, а не особенности их электронной схемы.

ГРАФИЧЕСКИЕ ДИСПЛЕИ НА ЗАПОМИНАЮЩЕЙ ТРУБКЕ.

 Из всех дисплеев на ЭЛТ наиболее просто устроен дисплей на запоминающей ЭЛТ с прямым копированием изображения. Запоминающую ЭЛТ можно рассматривать как ЭЛТ, покрытую люминофором м длительными временем послесвечения. Линия или литера остаются на ней видимыми в течение длительного времени (до одного часа), прежде чем окончательно станут неразличимыми. Чтобы нарисовать отрезок на дисплее, интенсивность электронного луча увеличивают до такой величины, которая вызывает запоминание следа луча на люминофоре. Для стирания изображения на всю трубку подают специальное напряжение, снимающее свечение люминофора. Экран вспыхивает и принимает исходное (темное) состояние. Стирание занимает около 0.5 секунды. Поскольку вспыхивает вся трубка, то стираются все отрезки и литеры. Таким образом, стереть отдельные литеры нельзя, и изображение динамического движения  или анимация невозможны. Иногда для обеспечения возможности ограниченной регенерации используется промежуточное состояние (режим рисования поверх изображения) В этом случае интенсивность электронного луча принимает значение, меньше порогового, которое вызывает запоминание, но достаточное для свечения люминофора. Поскольку в этом режиме изображение не сохраняется, для его видимости необходима постоянная перерисовка.

Дисплей на запоминающей трубке способен изображать фактически неограниченное количество векторов, а мерцание изображения вообще невозможно. По вертикали обычно видно только 78% адресуемой области.

 Дисплей на запоминающей трубке – это векторный дисплей, или дисплей с произвольным сканированием. Это означает, что отрезок может быть нарисован непосредственно из одной точки в любую другую. Относительно легко, быстро и недорого можно получить твердую копию экрана. Дисплеи на запоминающей трубке в некоторой степени легче программировать, нежели векторные или растровые дисплеи с регенерацией изображения. Дисплеи на запоминающей ЭЛТ можно объединять с микрокомпьютерами в сателлитные графические системы или графические терминалы. 

ВЕКТОРНЫЕ ГРАФИЧЕСКИЕ ДИСПЛЕИ С РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ИЗОБРАЖЕНИЯ         .

В противоположность дисплею на запоминающей трубке в векторном дисплее с регенерацией изображения на базе ЭЛТ используется люминофор с очень коротким временем свечения. Такие дисплеи часто называю дисплеями с произвольным сканированием. Из-за того, что время послесвечения очень мало, изображение на ЭЛТ должно многократно перерисовываться или регенерировать. Минимальная скорость регенерации должна составлять 30, а предпочтительнее от 40 до 50 раз в секунду. Скорость регенерации, меньшая 30 раз в секунду, приведет к тому, что изображение будет мерцать. На такое изображение неприятно смотреть и его трудно использовать.

Для векторного дисплея с регенерацией кроме ЭЛТ требуются еще два элемента: дисплейный буфер и дисплейный контроллер. Дисплейный буфер – это непрерывный участок памяти, содержащий всю информацию, необходимую для вывода изображения на ЭЛТ. Функция дисплейного контроллера заключается в том, чтобы циклически обрабатывать эту информацию со скоростью регенерации. Сложность (число изображаемых векторов) рисунка ограничивается двумя факторами – размером дисплейного буфера и скоростью дисплейного контроллера. Еще одним ограничением является скорость обработки геометрической информации, например, скорость выполнения таких операций, как преобразование и отсечение, генерация текстовой информации.

Представим блок-схемы двух высокопроизводительных дисплеев.

В обоих случаях предполагается, что такие геометрические преобразования, как поворот, перенос, масштабирование, перспективное проецирование и отсечение, реализованы аппаратно в геометрическом процессоре. В первом случае геометрический процессор работает медленнее, чем это необходимо при регенерации применяемых на практике изображений (от 4000 до 5000) векторов. Таким образом, геометрические данные, посылаемые центральным процессором устройства (ЦПУ) графическому дисплею, обрабатываются до сохранения в дисплейном буфере.  Значит в нем содержатся только те инструкции, которые необходимы генератору векторов и литер для вывода изображения. Дисплейный контроллер считывает информацию из дисплейного буфера и посылает ее генератору векторов и литер. При достижении конца дисплейного буфера контроллер возвращается в его начало и цикл повторяется снова.

  При использовании первой схемы возникает идея двойной буферизации и раздельного изменения изображения и его регенерации. Так как в этой конфигурации геометрический процессор не успевает сгенерировать новое или измененное изображение во время одного цикла регенерации, то дисплейный буфер делится на две части. В то время, как измененное изображение обрабатывается и записывается в одну половину буфера, дисплейный контроллер регенерирует ЭЛТ из другой половины буфера. Таким образом, новое или измененное изображение может генерироваться каждый второй, третий, четвертый и т.д. циклы регенерации. Использование двойной буферизации предотвращает одновременный вывод части старого и части нового измененного изображения в течение одного и более циклов регенерации.

   Во второй схеме геометрический процессор работает быстрее, чем необходимо для регенерации достаточно сложных изображений. В этом случае исходная геометрическая база данных, посланная из ЦПУ, сохраняется непосредственно в дисплейном буфере, а векторы обычно задаются в пользовательских (мировых) координатах в виде чисел с плавающей точкой. Дисплейный контроллер за один цикл регенерации считывает информацию из дисплейного буфера, пропускает ее через геометрический процессор и результат передает генератору векторов. При таком способе обработки геометрические преобразования должны выполняться в течение одного цикла регенерации.

 При использовании контроллера любой схемы в дисплейном буфере существуют инструкции рисования каждого вектора, литеры и подкартинки. Следовательно, любой конкретный элемент может быть изменен независимо от любого другого. Эта особенность в совокупности с малым временем послесвечения люминофора позволяет изображать динамическое движение

В большинстве случаев лишь часть изображения является динамически изменяемой. Реально большая часть картинки остается статичной. Такое разделение наводит на мысль о сегментации дисплейного буфера. Идея иллюстрируется на следующих рисунках.

Здесь неподвижны горизонтальный отрезок, заштрихованная часть и точка А, используемая для показа опоры отрезка АВ, то есть они не изменяются от одного цикла к другому. В то же время для показа динамического движения положение конца отрезка АВ и буквы В изменяются. Это изолированные части базы данных изображения помещены в отдельные сегменты дисплейного буфера. В первой конфигурации геометрический процессор может игнорировать статический сегмент в дисплейном буфере, так как он не изменяется, а это существенно сокращает работу геометрического процессора при изменении рисунка. В данном случае должно модифицироваться только изображение в динамическом сегменте. Еще одним достоинством подобного метода является то, что при таком разделении сокращается количество данных, передаваемых из ЦПУ в геометрический процессор при каждом изменении изображения.

  Разные типы сегментации возможны для конфигурации при второй схеме. Напомним, что здесь база данных изображения сохраняется в дисплейном буфере в мировых (пользовательских) координатах, а обработка изображения происходит в каждом цикле регенерации. Для картинки, показанной на предпоследнем рисунке, в дисплейном буфере создаются два сегмента – статический и динамический. В любом случае обработка изображения совершается «на лету». Информацию в динамическом сегменте можно изменить с помощью функций, предоставляемых геометрическим процессором. Таким образом, модификация изображения может происходить локально в графическом устройстве и для этого связь с ЦПУ не нужна. В частном случае, показанном на предпоследнем рисунке, единственной функцией, необходимой для локального динамического изменения, является поворот вокруг точки А.

Для динамического изменения последнего рисунка требуется связь с ЦПУ, т.е. некоторое интеллектуальное изменение изображения. Снова создаются два сегмента: статический сегмент, содержащий опорную линию, заштрихованную часть и букву А, и динамический сегмент, состоящий из кривой АВ и буквы В. Предположим, что форма кривой АВ должна изменяться от одного цикла регенерации к другому в зависимости от физических факторов. Это осуществляет прикладная программа в ЦПУ. Для модификации сегмента с изменяющимся изображением должны быть посланы и сохранены в дисплейном буфере новые данные. например форма кривой.

РАСТРОВЫЕ ГРАФИЧЕСКИЕ ДИСПЛЕИ С РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ИЗОБРАЖЕНИЯ.

Как дисплеи на запоминающих ЭЛТ, так и дисплеи с произвольным сканированием являются устройствами рисования отрезков, т.е. отрезок может быть нарисован непосредственно из любой адресуемой точки в любую другую. Графическое устройство на растровой ЭЛТ работает по-другому. Растровое устройство можно рассматривать как матрицу дискретных ячеек (точек), каждая из которых может быть подсвечена. Таким образом, оно является точечно-рисующим устройством. Невозможно, за исключением специальных случаев, непосредственно нарисовать отрезок прямой из одной адресуемой точки или пиксела в матрице в другую адресуемую точку или пиксел. Отрезок можно лишь аппроксимировать последовательностями точек (пикселов), близко лежащих к  реальной траектории отрезка. Эту идею иллюстрирует следующий рисунок.

Отрезок прямой из точек (пикселов) получится только в случае горизонтальных, вертикальных или расположенных под углом 45º отрезков, как показано на рисунке справа. Все другие отрезки будут выглядеть как последовательность ступенек. Это явление называют лестничным эффектом или «зазубренность». Методы устранения лестничного эффекта мы рассмотрим позднее.

Чаще всего для графических устройств с растровой ЭЛТ используется буфер кадра. Буфер кадра представляет собой  большой непрерывный участок памяти компьютера. Для каждой точки или пиксела в растре отводится как минимум один бит памяти. Эта память называется битовой плоскостью. Изображение в буфере кадров строится побитно. Из-за того, что бит памяти имеет только два состояния (двоичное 0 или 1), имея одну битовую плоскость, можно получить лишь черно- белое изображение. Битовая плоскость является цифровым устройством, тогда как растровая ЭЛТ – аналоговое устройство, для работы которого требуется электрическое напряжение. Поэтому при считывании информации из буфера кадра и ее выводе на графическое устройство с растровой ЭЛТ должно происходить преобразование из цифрового представлении в аналоговый сигнал. Такое преобразование выполняет цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).  Каждый пиксел буфера кадра должен быть считан и преобразован, прежде чем он будет отображен на ЭЛТ.

 Цвета или полутона серого цвета могут быть введены в буфер кадра путем использования дополнительных битовых плоскостей. Интенсивность каждого пиксела на ЭЛТ управляется содержимым соответствующих пикселов в каждой из N битовых плоскостей. В соответствующую позицию регистра загружается бинарная величина (0 или 1) из каждой плоскости. Двоичное число, получившееся в результате, интерпретируется как уровень интенсивности между 0 и 2^N-1. С помощью ЦАП это число преобразуется в напряжение между 0 (темный экран) и 2^N-1 (максимальная интенсивность свечения).

   Число доступных уровней интенсивности можно увеличить, незначительно расширив требуемую для этого память и воспользовавшись таблицей цветов. После считывания кадра битовых плоскостей получившиеся число используется как индекс в таблице цветов.

  Поскольку существует три основных цвета, можно реализовать простой цветной буфер с тремя битовыми плоскостями, по одной для каждого из  основных цветов. Каждая битовая плоскость управляет индивидуальной электронной пушкой для каждого из трех основных цветов используемых в видеотехнике. Три основных цвета, комбинируясь на ЭЛТ. Дают восемь цветов.

Друзья! Приглашаем вас к обсуждению. Если у вас есть своё мнение, напишите нам в комментарии.