Растровые графические дисплеи с регенерацией изображения

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 последнее время получил распространение термин ПЭЛ (pel), образованный от выражения picture element, он был принят в качестве стандартного фирмой IBM) в матрице в другую адресуемую точку или пиксел. Отрезок можно лишь аппроксимировать последовательностями точек (пикселов), близко лежащих к реальной траектории отрезка. Эту идею иллюстрирует рис. 9.1a.

Отрезок прямой из точек (пикселов) получится только в случае горизонтальных, вертикальных или расположенных под углом 45^o отрезков, как показано на рис. 9.1b. 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 512 * 512 требуется 2¹⁸ = 512² = 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. 9.2 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 кадра путем использования дополнительных битовых плоскостей. На рис. 9.3 показаны 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. 9.3 иллюстрирует 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 * 512 занимает 786432 (3 * 512 * 512) битов памяти.

Число доступных уровней интенсивности можно увеличить, незначительно расширив требуемую для этого память и воспользовавшись таблицей цветов, как это схематично показано на рис. 9.4.

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. Для получения дополнительных значений интенсивностей таблицу цветов необходимо изменить (перезагрузить).

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. Эти цвета и соответствующие им двоичные коды приведены в таблице.

Схема простого цветового растрового буфера рис. 9.5.

Для каждой из трех цветовых пушек могут использоваться дополнительные битовые плоскости. На рисунке рис. 9.6 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 16777216 ((2⁸)³ = 2²⁴) возможных цветов. Это «полноцветный» буфер кадра.

Полноцветный буфер кадра может быть далее еще увеличен путем использования групп битовых плоскостей в качестве индексов в таблицах цветов. 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 16777216 (2²⁴) цветовых оттенков из палитры 1073741824 (2³⁰) цветов, то есть около 17 млн. оттенков из палитры, содержащей более миллиарда цветов.

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

Например, если среднее время доступа к каждому индивидуальному пикселу равно 200 нс (200 * 10^-9 с), то для доступа ко всем пикселам кадра размером 512 * 512 потребуется 0.0524 с. Это эквивалентно скорости регенерации 19 кадров (картинок) в секунду, что значительно ниже минимально необходимой скорости 30 кадров в секунду. В буфере кадра размером 1024 * 1024 содержится немногим больше 1 млн. бит и при среднем времени доступа 200 нс требуется 0.21 с для доступа ко всем пикселам. Это составляет 5 кадров в секунду. Буфер кадра размером 4096 * 4096 содержит 16.78 млн. бит на каждую битовую плоскость! Доступ к ним займет 0.3 с. Для достижения скорости регенерации 30 кадров в секунду при таком растре требуется средняя эффективная скорость доступа 2 нс/пиксел.

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. При среднем времени доступа для каждой группы пикселов 1600 нс возможна работа в реальном времени для буферов кадров размером 512 * 512 и 1024 * 1024.

Хотя производительности, необходимой для работы в реальном масштабе времени с приемлемыми скоростями регенерации, на растровых устройствах достичь труднее, чем на векторных дисплеях с регенерацией, на них легче изображать сплошные фигуры с плавными переходами цветов. Как показано на рис. 9.7 растровое представление сплошной «полигональной» фигуры концептуально просто. Здесь представление сплошной фигуры, ограниченной отрезками L1, L2, L3, L4 достигается установкой всех пикселов внутри ограничивающего многоугольника в соответствующий цвет в буфере кадра.