Теория_КГ / Растровые дисплеи_КГ

ТИПЫ ГРАФИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

Существует много разнообразных устройств для вывода изображений, построенных с помощью компьютерной графики. В качестве типичных примеров назовем перьевые графопостроители, точечно-матричные, электростатические и лазерные печатающие устройства, векторные дисплеи с регенерацией изображения и растровые дисплеи на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ). Как дисплеи на запоминающих ЭЛТ, так и дисплеи с произволь­ным сканированием являются устройствами рисования отрезков, т. е. отрезок прямой может быть нарисован непосредственно из любой адресуемой точки в любую другую. Графическое устройство на растровой ЭЛТ работает по-другому.

Ограничимся обсуж­дением растровых дисплеев на ЭЛТ, поскольку в большинстве систем компьютерной графики используются дисплеи подобного типа.

РАСТРОВЫЕ ГРАФИЧЕСКИЕ ДИСПЛЕИ

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.

Рис. 1. Растровая развертка отрезка.

Эту идею иллюстрирует рис. 1. Отрезок прямой из точек (пикселов) получится только в случае гори­зонтальных, вертикальных или расположенных под углом 45° отрезков, как показано на рис. 1. Все другие отрезки будут выгля­деть как последовательности ступенек. Это явление называется лестничным эффектом, или «зазубренностью».

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. Для квадратного растра размером 512Х 512 требуется 2¹⁸ (2⁹ = 512; 2¹⁸ = 512 X 512), или 262144 бита памяти в одной битовой плоскости. Изображение в бу­фере кадра 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 представ­ления 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 растровой ЭЛТ. На рис. 2 приведена схема графи­ческого устройства с черно-белой растровой ЭЛТ, построенного на основе буфера кадра с одной битовой плоскостью.

Цвета или полутона серого цвета могут быть введены в буфер

Рис.2. Черно-белый буфер кадра (с одной битовой плоскостью) для растрового графического устройства.

кадра путем использования дополнительных битовых плоскостей. На рис. 3 показана схема буфера кадра с N битовыми плоско­стями для градаций серого цвета. 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). Всего можно получить 2^N уровней интенсивности. Рис. 3иллюстриру­ет систему с тремя битовыми плоскостями для 8 (2³) уровней ин­тенсивности. Для каждой битовой плоскости требуется полный объем памяти при данном разрешении растра: например, буфер кадра с тремя битовыми плоскостями для растра 512 х 512 занима­ет 786432 (3 * 512* 512) битов памяти.

Рис.3. Полутоновый черно-белый буфер кадра с N битовыми плоскостями.

Рис.4. Полутоновый черно-белый буфер кадра с N битовыми плоскостями и W-разрядной таблицей цветов.

Число доступных уровней интенсивности можно увеличить, не­значительно расширив требуемую для этого память и воспользо­вавшись таблицей цветов, как это схематично показано на рис.4. После считывания из буфера кадра битовых плоскостей получившееся число используется как индекс в таблице цветов. В этой таблице должно содержаться 2^N элементов. Каждый ее эле­мент может содержать W бит, причем W может быть больше N . В последнем случае можно получить 2^W значений интенсивности, но одновременно могут быть доступны лишь 2^N из них.

Поскольку существует три основных цвета, можно реализовать простой цветной буфер кадра 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.

Схема простого цветового растрового буфера кадра показана на рис.4.

Для каждой из трех цветовых пушек могут использоваться до­полнительные битовые плоскости.

Рис.4. Простой цветной буфер кадра

На рис. 5 схематично показан цветной буфер кадра с 8 битовыми плоскостями на каждый цвет, то есть буфер кадра с 24 битовыми плоскостями. Каждая группа битовых плоскостей управляет 8-разрядным ЦАП. Каждая такая группа может генерировать 256 (2⁸) оттенков или интенсивностей красного, зеленого или синего цвета. Их можно скомбинировать в 16 777 216 [(2⁸)³ = 2²⁴] возможных цветов. Это «полноцветный» буфер кадра.

Рис.5. Цветной буфер кадра с 24 битовыми плоскостями.

Полноцветный буфер кадра может быть далее еще увеличен путем использования групп битовых плоскостей в качестве индексов в таблицах цветов, как это показано на рис.6. При N битах на цвет и W -разрядных элементах таблиц цветов одновременно может быть показано (2³)^N цветовых оттенков из палитры (2³)^W возможных цветов. Например, при буфере кадра с 24 битовыми плоскостя­ми (N = 8) и тремя 10-разрядными таблицами цветов (W = 10) может быть получено 16 777 216 (2²⁴) цветовых оттенков из палитры 1 073 741 824 (2³⁰) цветов, т. е. около 17 млн. оттенков из палитры немногим меньше чем 1 миллиард цветов.

Рис.6. Цветной буфер кадра с 24 битовыми плоскостями и 10-разрядной табли­цей цветов.

Из-за большого количества пикселов в растровых графических устройствах трудно достичь производительности, необходимой для работы в реальном времени, а также приемлемой скорости регене­рации, или смены, кадра.

Работа в реальном времени с растровыми графическими устройствами осуществляется путем одновременного доступа к груп­пам по 16, 32, 64 и более пикселов. В случае цветного буфера кадра каждый пиксел может содержать до 32 бит, при этом все битовые плоскости для каждого пиксела доступны одновременно.

ЛИТЕРАТУРА

1-1 Роджерс Д. Ф., Адамc Дж. Математические основы машинной графики.— M.: Машиностроение, 1989.

1-2 Ньюмен У., Спрулл Р. Основы интерактивной машинной графики. — M.:, 1996.

1-3 Фоли Дж., вэн Дэм А. Основы интерактивной машинной графики. В 2-х т. — M.:, 1997