1.2. Типы графических устройств

Существует много разнообразных устройств для вывода изображений, построенных с помощью машинной графики. В качестве типичных примеров можно назвать 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). 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.

Существует 3 основных типа дисплеев на базе ЭЛТ:

1. запоминающие ЭЛТ с прямым копированием изображения (рисование отрезками);
2. векторные дисплеи с регенерацией изображения (рисование отрезками);
3. растровые сканирующие дисплеи с регенерацией (поточечное рисование).

Развитие электронной техники позволило использовать в одном дисплее несколько методов изображения.

Графические дисплеи на запоминающей трубке. Запоминающую ЭЛТ можно рассматривать как ЭЛТ, покрытую люминофором с длительным временем послесвечения. Линия или литера остаются на ней видимыми в течение длительного времени (до одного часа), прежде чем станут окончательно 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. Поскольку вспыхивает вся трубка, то стираются все отрезки и литеры. Таким образом, стереть отдельные линии 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, меньшее 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. Это векторный дисплей, или дисплей с произвольным сканированием, поэтому отрезок (вектор) может быть нарисован непосредственно из одной адресуемой точки в любую другую.

Векторные графические дисплеи с регенерацией изображения. В противоположность дисплею на запоминающей трубке в векторном (рисующем отрезки или векторы) дисплее с регенерацией изображения на базе ЭЛТ используется люминофор с очень коротким временем послесвечения. Из-за того что время послесвечения люминофора мало, изображение на ЭЛТ за секунду должно многократно перерисовываться или регенерироваться.

Для векторного дисплея с регенерацией требуется кроме ЭЛТ 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.

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 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.

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 512x512 требуется 2¹⁸, 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. 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). Всего можно получить 2^N уровней интенсивности.

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 табл. 1.1. Схема простого цветового растрового буфера кадра показана на рис. 1.1.

 

 

	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

 

Таблица 1.1. Цветовые комбинации для простого буфера кадра с тремя битовыми плоскостями.