1-9 РАСТРОВЫЕ ГРАФИЧЕСКИЕ ДИСПЛЕИ С РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ИЗОБРАЖЕНИЯ

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 иначе. Растровое устройство можно представить в виде матрицы дискретных ячеек (точек), каждая из которых может быть подсвечена, т.е. 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, что и проиллюстрировано на рис. 1-23а. Как видно из рис. 1-23b, отрезок прямой из точек получится только в случае горизонтальных, вертикальных или расположенных под углом 45° отрезков. Все другие отрезки будут выглядеть как последовательности ступенек. Это явление называется лестничным эффектом, или «зазубренностью». Методы, позволяющие устранить лестничный эффект обсуждаются в [1-1].

Рис. 1-23 Растровая развертка отрезка.

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 х 512 требуется , или 262 144, бита памяти в одной битовой плоскости. Изображение в буфере кадра строится побитно. Из-за того что бит памяти имеет только два состояния (двоичные 0 или 1), при одной битовой плоскости 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 нужно считать и преобразовать, прежде чем он будет отображен на растровой ЭЛТ. На рис. 1-24 приведена схема графического устройства с черно-белой растровой ЭЛТ, которое построено на принципе буферизации кадра в одной битовой плоскости.

Рис. 1-24 Черно-белый буфер кадра (с одной битовой плоскостью) для растрового графического устройства.

Рис. 1-25 Полутоновый черно-белый буфер кадра с  битовыми плоскостями.

Цвета или полутона серого цвета могут быть введены в буфер кадра путем использования дополнительных битовых плоскостей. На рис. 1-25 показаны схемы буфера кадра с  битовыми плоскостями для градации серого цвета. Интенсивность каждого пиксела на ЭЛТ управляется содержимым соответствующих пикселов в каждой из  битовых плоскостей. В соответствующую позицию регистра загружается бинарная величина (0 или 1) из каждой плоскости. Получившееся в результате двоичное число интерпретируется как уровень интенсивности между 0 и . С помощью ЦАП это число преобразуется в напряжение между 0 (темный экран) и  (максимальная интенсивность свечения). Таким образом можно получить  уровней интенсивности. Рис. 1-25 иллюстрирует систему с тремя битовыми плоскостями для 8 () уровней интенсивности. Для каждой битовой плоскости требуется полный объем памяти при заданном разрешении растра: например, буфер кадра с тремя битовыми плоскостями для растра 512 х 512 занимает 7864 32 (3 х 512 х 512) битов памяти.

Таблица 1-1 Комбинации цветов для простого 3-битового буфера кадра

	Красный	Зеленый	Синий
Черный	0	0	0
Красный	1	0	0
Зеленый	0	1	0
Синий	0	0	1
Желтый	1	1	0
Голубой	0	1	1
Пурпурный	1	0	1
Белый	1	1	1

Число доступных уровней интенсивности можно увеличить, незначительно расширив требуемую для этого память и воспользовавшись таблицей цветов, как это схематично показано на рис. 1-26. После считывания из буфера кадра битовых плоскостей получившееся число используется как индекс в таблице цветов, в которой должно содержаться  элементов. Каждый ее элемент может иметь  бит, причем  может быть больше . В этом случае можно получить  значений интенсивности, но одновременно могут быть доступны лишь  из них. Для получения дополнительных значений интенсивности необходимо изменить или перезагрузить таблицу цветов.

Поскольку существует три основных цвета, можно реализовать простой цветовой буфер кадра с тремя битовыми плоскостями, по одной на каждый из цветов. Отдельная битовая плоскость управляет индивидуальной электронной пушкой для каждого из трех основных цветов, используемых в устройстве. Комбинации их трех основных цветов дают восемь цветов на экране ЭЛТ, которые вместе с соответствующими им двоичными кодами приведены в табл. 1-1. Схема простого цветового растрового буфера кадра показана на рис. 1-27.

Для каждой из трех цветовых пушек могут использоваться дополнительные битовые плоскости. На рис. 1-28 схематично показан цветовой буфер кадра с 8 битовыми плоскостями на каждый цвет, т. е. буфер кадра с 24 битовыми плоскостями. Каждая группа плоскостей управляет 8-разрядным ЦАП и может генерировать 256 () оттенков, или интенсивностей, красного, зеленого или синего цвета. Их можно комбинировать для получения 16 777 216  возможных цветов. Это «полноцветный» буфер кадра.

Полноцветный буфер кадра можно еще увеличить путем использования групп битовых плоскостей в качестве индексов в таблицах цветов, как это показано на рис. 1-29. При  битах на цвет и -разрядных элементах таблиц цветов одновременно могут быть показаны  цветовых оттенков из палитры с  возможных цветов. Например, при буфере кадра с 24 битовыми плоскостями () и тремя 10-разрядными таблицами цветов () могут быть получены 16 777 216 () цветовых оттенков из палитры 1 073 741 824 () цветов, т. е. около 17 млн. оттенков из палитры немногим менее чем 1 млрд. цветов. Несмотря на то, что на рис. 1-29 схематически показаны три различных таблицы цветов, при небольшом количестве физических битовых плоскостей (не более 12) более предпочтительной является ситуация, когда изменение цветов осуществляется непрерывно в таблице с   элементами.

Рис. 1-26 Полутоновый черно-белый буфер кадра с  битовыми плоскостями и -разрядной таблицей цветов.

Рис. 1-27 Простой цветовой буфер кадра.

Рис. 1-28 Цветовой буфер кадра с 24 битовыми плоскостями.

Из-за большого количества пикселов в растровых графических устройствах трудно достигнуть производительности, необходимой для работы в реальном масштабе времени, а также для работы с приемлемой частотой регенерации, или смены кадра. Например, если среднее время доступа к каждому отдельному пикселу равно 200 не , то для организации доступа ко всем пикселам кадра размером 512 х 512 потребуется 0.0524 с, что эквивалентно частоте регенерации 19 кадров (картинок) в секунду, а это значительно меньше минимально необходимой частоты, равной 30 кадр/с. В буфере кадра размером 1024 х 1024 содержится немногим более 1 млн. бит (1 Мбит), и при среднем времени доступа 200 не требуется 0.21 с для обращения ко всем пикселам, что составляет 5 кадр/с. Буфер кадра размером 4096 х 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. Напомним, что за этот небольшой период времени свет успевает пройти два фута.

Работа в реальном времени с растровыми графическими устройствами осуществляется путем одновременного доступа к группам по 16, 32, 64 и более пикселов. В случае цветового 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 не возможна работа в реальном времени для буферов кадров размером 512 х 512 и 1024 х 1024.

Несмотря на то, что для растровых устройств труднее достигнуть производительности, необходимой для работы в реальном масштабе времени с приемлемыми скоростями регенерации, чем на векторных дисплеях с регенерацией изображения, на них легче изображать сплошные фигуры с плавными переходами цветов. Как показано на рис. 1-30, растровое представление сплошной «полигональной» фигуры концептуально достаточно просто. Здесь представление сплошной фигуры, ограниченной отрезками , достигается установкой всех пикселов внутри ограничивающего многоугольника в соответствующий цвет в буфере кадра. Алгоритм «растровой развертки» сплошной области обсуждается в работе [1-1].

Рис. 1-29 Цветовой буфер кадра с 24 битовыми плоскостями и 10-разрядной таблицей цветов.

Рис. 1-30 Изображение сплошной фигуры на растровом графическом устройстве.