книги из ГПНТБ / Оперативные графические системы в автоматизации проектирования

При организации системы с использованием ТВ при­ емников можно выделить два основных метода постро­ ения изображения.

Метод непосредственного формирования телевизион­ ного растра. При использовании этого метода вся пло­ скость графического изображения условно разбивается на т элементов, образующих растр. Размер элемента растра определяется диаметром сфокусированного пятна на экране, а расстояние между элементами выбирается обычно таким, чтобы последовательность световых точек,

из большого числа произвольно расположенных графи­ ческих элементов, в растровую форму.

Для этого графические элементы интерполируются таким образом, чтобы получить изображение их контура в виде дискретных элементов (точек), имеющих коорди­ наты, соответствующие положению элементов растра. Далее ведется преобразование полученного массива ко­ ординат точек с целью их упорядочения вдоль строк и по строкам. В результате этого в ячейках памяти отобра­ жаемая информация будет представлена в виде последо­ вательности 0 и 1. Полученный массив передается в па­ мять графического процессора, которая используется для поддержания немелькающего изображения. При форми­ ровании изображения на экране синхронно с разверткой растра происходит опрос соответствующих ячеек памяти. Если в ячейке записана 1, то соответствующий элемент растра засвечивается, если 0, то не засвечивается.

Конфигурация отображающей части системы, постро­ енной по этому методу, приведена на рис. 4.9 [12—14]. В качестве памяти для регенерации изображения обычно используется магнитный барабан или диск. Применение памяти, непрерывно вращающейся со скоростью, равной частоте возобновления изображения, упрощает синхрони­ зацию развертки, а подключение дополнительного числа записывающе-считывающих головок позволяет одновре­ менно воспроизводить различные изображения на многих мониторах (ТВ приемниках). При такой организации ППГИ отпадает необходимость в генераторах графиче­

110

ских элементов; графический процессор становится до­ статочно простым, и в его функции входит лишь преобра­ зование двоичной последовательности в видеосигнал.

Достоинством подобного метода является то, что коэффициент заполнения растра может быть равным единице (сплошной светящийся растр). Это позволяет отображать на экране сложные изображения без замет­ ного мелькания.

Рис. 4.9. Структурная схема системы отображения с магнитным ба­ рабаном

В общем случае объем памяти для хранения растро­ вой развертки при 100% модуляции изображения выра­ жается соотношением

где т — число элементов разложения растра; пх — число элементов по горизонтали (строке); пу — число строк развертки изображения.

При этом частота выдачи кодов соседних элементов растра получается достаточно высокой и удовлетворяет неравенству

(4.22)

где fк — частота кадровой развертки.

Эта же частота fm определяет полосу пропускания канала связи (видеоканала) между памятью и ТВ прием­ ником. В данном случае применяемый в телевидении спо­ соб чересстрочной развертки, позволяющий сузить по­ лосу передаваемых частот вдвое, неприменим. Требова­ ние широкополосности канала связи вынуждает распола­

111

гать ТВ приемники вблизи обслуживающего устройства и применять коаксиальный кабель.

При заданной ширине полосы пропускания видеока­ нала н минимальной частоте регенерации изображения общее число элементов разложения растра является ве­ личиной вполне определенной. Наблюдаемая при этом зависимость между параметрами носит линейный харак­ тер [15].

Для нахождения компромиссного решения при про­ ектировании блоков отображающей части может быть принята более низкая разрешающая способность, исполь­ зован более широкополосный видеоканал или уменьшена частота регенерации.

Так как особенностью графического изображения явля­ ется малый коэффициент заполнения носителя (2—10%), то требование в запоминании всех элементов растра не­ зависимо от сложности изображения приводит к значи­ тельному увеличению объема памяти. Так, для хранения изображения, представляющего сложную поверхность, в случае координатного способа развертки необходимо использовать память объемом до 2 -104 бит, в то время как при растровом способе объем памяти может дости­ гать 3-105 бит. К памяти предъявляются повышенные требования и по времени обращения. Время считывания одного бита информации, определенное из (4.22), может составить менее 100 нсек. Уменьшение разрешающей способности может несколько снизить требования как к объему, так и к быстродействию памяти. Однако глаз­ ным недостатком такой организации ППГИ являются значительные затраты времени при формировании теле­ визионного описания изображения. Так как перевод координатного описания в растровое следует проводить при каждом изменении изображения, причем при этом преобразуется вся информация об изображении, то для достижения приемлемого времени реакции системы необ­ ходимо использовать достаточно мощную ЭВМ. Напри­ мер, машина SDS' с быстродействием в 300 тыс. опер/сек требует 0,28 сек для генерирования 4000 символов и 0,8 сек для построения изображения, состоящего из 12 000 несвязанных точек [13].

По этой причине данный метод не находит широкого применения для отображения произвольно расположен­ ных графических элементов, а только для воспроизведе-

112

мня алфавитно-цифровой информации и ограниченного

этого метода в структуре ППГИ дополнительно вводится

Рис. 4.10. Структурная схема системы отображения с промежуточной ЭЛТ

телевизионная система, которая посредством сканирова­ ния носителя изображения обеспечивает получение теле­ визионного растра и передачу видеосигнала на ТВ при­ емник. Таким образом, исключается программное преоб­ разование координатного описания в растровое, что значительно уменьшает время реакции системы. Однако при этом происходит некоторое ухудшение качества изображения за счет внесения помех со стороны телеви­ зионной системы.

По типу промежуточной ЭЛТ системы можно разде­ лить на два класса: системы с использованием обычной ЭЛТ, требующей постоянной регенерации изображения, и системы, применяющие специальные ЭЛТ (ЗЭЛТ) или электроннолучевые преобразователи «сигнал — сигнал».

На рис. 4.10 приведена конфигурация отображающей части ППГИ, использующей для первичного формирова­ ния изображения ЭЛТ с электростатическим отклонени­ ем, которая отличается высокой разрешающей способ­ ностью (1500 линий), хорошим качеством изображения [16, 17]. Применение ЭЛТ с электростатическим откло­ нением позволяет получить высокие скорости вычерчива-

имя (время перехода луча в соседнюю точку 100 нсек). Однократно построенное па этой трубке изображение с помощью телевизионной системы преобразуется в видео­ сигнал, который записывается на одну дорожку магнит­ ного диска, посредством которого осуществляется перио­ дическое воспроизведение изображения па ТВ приемнике.

Принятый способ построения изображения позволяет создать миогопультовую систему с большим числом ТВ приемников (до 50). При этом для каждого устройства для хранения изображения выделяется отдельная дорож­ ка видеодиска.

При формировании телевизионного сигнала и записи его на видеодиск изображение на промежуточной ЭЛТ может полностью строиться за период воспроизведения одного полного телевизионного кадра, а запись этого изображения па диск — в течение следующего кадра. Это определяет величину времени преобразования изобра­ жения

Время, требуемое для модификации изображения на любом ТВ приемнике при поочередном обслуживании одной сканирующей системой, определится соотно­ шением

(4.24)

где К — число ТВ приемников.

При частоте кадровой развертки 50 гц и использова­ нии 50 устройств fM= 4 сек. Для уменьшения этого време­ ни можно применить несколько сканирующих систем.

Для передачи видеосигнала связь диска с ТВ прием­ ником можно осуществить различными методами, выби­ раемыми в зависимости от количества устройств, требу­ емого расстояния и др.

Самым простым методом связи является использова­ ние видеосигнала, считываемого с диска, и передача его к каждому, ТВ приемнику по обычному коаксиальному кабелю. При этом качество изображения оказывается удовлетворительным при удалении индикаторных устройств от диска на небольшом расстоянии (до 1 км). На больших расстояниях, а также при необходимости обслуживания большого числа ТВ приемников качество сигнала ухудшается. Введение же в такие системы высо­

114

кочастотных модуляторов и демодуляторов является не­ экономичным.

Когда расстояние передачи превышает несколько километров, применяют методы, связанные с использова­ нием модуляции видеосигнала высокочастотной (ВЧ) несущей. При этом ВЧ сигнал может передаваться как с помощью проводных средств — кабельные системы, так и беспроводных.

Применяя методы частотного или временного разде­ ления каналов, возможно вести обслуживание несколь­ ких индикаторных устройств одним коаксиальным кабе­ лем. Для этого в систему необходимо добавить блоки модуляторов для каждого сигнала и демодуляторов в каждое устройство.

Использование в системе промежуточной ЭЛТ с люминофором, обладающим малым временем послесве­ чения, а также видеодиска, длительность операций с ко­ торым синхронизирована с периодом регенерации, накла­ дывает ограничения на время первичного формирования изображения, что приводит к снижению объема одновре­ менно отображаемой информации.

Обеспечение миогопультовости в такой системе требу­ ет применения графического процессора, обладающего большой производительностью, по выполняющего огра­ ниченный набор операций. Это делает его специализиро­ ванным и дорогостоящим.

При необходимости воспроизведения большого объ­ ема информации возможно применение в качестве промежуточной ЭЛТ накопительной ЭЛТ с электриче­ ским считыванием. Эта ЭЛТ обладает свойством дли­ тельного запоминания изображения (до 15 мин), что позволяет строить на ней изображение за большой про­ межуток времени, а считывание производить с помощью телевизионной системы, обеспечивая получение телевизи­ онной развертки с высокой частотой повторения кадров

[18, 19].

Конфигурация такой системы приведена на рис. 4.11. Свойство запоминания изображения делает излишним применение в системе памяти для периодического воспро­ изведения изображения, дает возможность упростить графический процессор, а для связи его с центральным процессором использовать канал с невысокой пропуск­ ной способностью. По истечении времени, необходимого

для сохранения изображения на накопительной трубке, в центральный процессор поступает запрос на повторный вывод массива графических команд. Отсутствие жестких ограничений на время построения изображения позволя­ ет ряд функций реализовать программным образом (генераторы векторов, символов), что удешевляет систему.

При длительном времени запоминания изображения (10—15 мин) частота запросов на вывод графических

Накопительная ЭЛТ

ТВ

приемник

Рис. 4.11. Структурная схема системы .отображения с промежуточной ЭЛТ типа «сигнал — сигнал»

команд мала, поэтому загрузка центрального процессора по обслуживанию подсистемы отображения оказывается невысокой.

Однако применение накопительной ЭЛТ несколько снижает оперативность системы, так как стирание изоб­ ражения на ней требует значительного времени (до одной секунды), а выборочное стирание затруднительно. Недостатком также является некоторая потеря разреша­ ющей способности, обусловленная как характеристиками накопительной ЭЛТ, так и процессом преобразования развертки.

Методы ввода графической информации. Использова­ ние в качестве индикаторного устройства ТВ приемника несколько усложняет процесс ввода графической инфор­ мации. Наличие телевизионной развертки изображения делает непригодным применение обычных средств (свето­ вое перо, устройство управления световым маркером и др.) без их изменения.

В случае использования светового пера в управление вводом необходимо ввести дополнительно два счетчика, содержимое которых определяет положение указанной точки на экране телевизора [17]. Оба счетчика работают синхронно с телевизионной разверткой; один из них опре­ деляет номер строки, накапливая синхроимпульсы строч­

116

ной развертки, другой •— положение элемента в строке, подсчитывая импульсы от специального генератора. Импульсами кадровой развертки оба счетчика устанав­ ливаются в ноль, подготавливаясь для нового цикла ввода. При временном разделении каналов считывания возможно применение одного счетчика, последовательно использующегося сначала для выделения номера строки, а затем положения элемента в строке.

Для получения высокой разрешающей способности при вводе информации частота генератора должна быть достаточно высокой и удовлетворять соотношению

которого принадлежит элемент с данными координатами. К недостаткам приведенного метода следует отнести возникновение трудностей при его применении в случае чересстрочной развертки, невысокую точность в опреде­ лении положения указанного элемента, связанную с низкой разрешающей способностью светового пера, а также невозможность указания на незасвеченную

область экрана.

Вторым возможным методом является использование кшопельного механизма, управляющего перемещением светового маркера на экране телевизора.

При совмещении маркера с идентифицируемым эле­ ментом содержимое регистров кшопельного механизма определяет указанный элемент растра.

Блок-схема вводного устройства, построенного со­ гласно этому методу, представлена на рис. 4.12. Для за­ свечивания маркера в нужном месте экрана используется комбинированный аналого-цифровой метод с применени­ ем двух компараторов. Цифровой компаратор сравнива­ ет содержимое регистра Ум кшопельного механизма и

117

счетчика У, накапливающего синхроимпульсы строчной развертки. В момент совпадения этих кодов с выхода компаратора снимается разрешающий потенциал, опре­ деляющий номер строки. В свою очередь аналоговый компаратор сравнивает два напряжения: напряжение с цифро-аналогового преобразователя, подключенного к регистру Хм кшопелы-юго механизма, и пилообразное напряжение генератора строчной развертки. При равен-

Рис. 4.12. Блок-схема устройства ввода при растровом методе по­ строения изображения

стве этих напряжений выходной импульс аналогового компаратора через открытый вентиль В1 поступает в видеотракт ТВ приемника, засвечивая небольшую черту (1 мм) на экране.

Цикл сравнения по обеим координатам длится в тече­ ние одного телевизионного кадра, поэтому синхроимпуль­ сом кадровой развертки счетчик У устанавливается в нуль.

Схемаустройства несколько изменится при примене­ нии чересстрочной развертки. При этом необходимо пре­ образовать содержимое счетчика У в зависимости от отображаемого полукадра.

При прочерчивании нечетных строк код на счетчике У должен быть изменен по следующему правилу:

118

Разрешающая способность данного устройства глав­ ным образом зависит от характеристик аналогового компаратора и определяется длительностью выходного импульса, получаемого с него. Если разрешающую спо­ собность представить в элементах растра, то

ющая способность устройства определяется шестью эле­ ментами растра. Предварительное определение ширины зоны «видения» устройства позволит надлежащим обра­ зом корректировать координату X светового маркера.

Использование в качестве промежуточной ЭЛТ нако­ пительной ЭЛТ с электрическим считыванием информа­ ции позволяет отображать маркер, перемещая его по экрану этой трубки. В процессе сканирования изображе­ ние маркера будет воспроизводиться на ТВ приемнике. Управление перемещением маркера на накопительный ЭЛТ можно организовать двумя способами.

В первом случае содержимое регистров кмюпельного механизма периодически, с частотой 30—50 гц считыва­ ется в регистры отклонения, перемещая луч в соответст­ вующую точку экрана. Затем для отображения маркера в этом месте необходимо использовать ток записи ниже порогового, вызывающего запоминание изображения. Следовательно, контур изображения светового маркера не запоминается и процесс его отображения проводится тем же способом, что и в обычных ЭЛТ с регенерацией.

К недостаткам следует отнести некоторое снижение яркости изображения маркера по сравнению с остальным рисунком, воспроизводимым на ТВ приемнике.

При втором способе можно использовать метод селек­ тивного стирания. При этом перед очередным отображе­ нием маркера, согласно новым координатам, его необхо-

119