компьютерная графика учебное пособие

Чтобы по возможности уменьшить число сложений, p вычисляется таким образом, чтобы выполнялось:

Для того чтобы можно было отобразить больше векторов без мерцания одновременно выполняют построение вектора на экране и определение инкремента dP/2 p для следующего. Этим способом можно выполнять в сумматоре без помех следующие сложения при начале нового вектора. При обработке коротких векторов можно, для повышения скорости вычислений, находить инкремент dP/2 p в «барабанном сдвигателе» (это сдвиговый регистр, в котором решена проблема перехода через границы слов). При использовании быстрых переключающих схем удается достичь времени прорисовки диагонали дисплея за 20 мкс при разрешении 1024×1024 (тактовая частота 50 МГц).

Другое улучшение может быть получено использованием округления. Для этого перед началом генерации вектора в оба сумматора надо загрузить 0.5. Отклонение вычерченной точки от точной позиции будет по максимуму равно половине растрового расстояния.

В растровых дисплеях ступеньки в одну дискрету возникают обязательно. Их устранение возможно не за счет уточнения позиционирования, как в векторных, а за счет корректировки изображений пикселов, что приводит к понижению пространственного разрешения. Более подробно борьба с лестничным эффектом в растровых дисплеях освещена во второй части курса.

Другие алгоритмы генерации векторов

Описанный выше генератор векторов имеет тот недостаток, что точки могут прописываться дважды и поэтому на дисплее с произвольным сканированием могут вызывать нежелательные колебания яркости. Кроме того из-за независимого вычисления обеих координат нет предпочтительных направлений.

Субъективно, однако, лучше смотрятся вектора с единичным шагом по большей относительной координате (несимметричный ЦДА). Для dX > dY (при dX,dY > 0) это означает, что координата по X направлению должна увеличиться на 1 dX раз, а координата по Y-направлению должна также dX раз увеличиться, но на dY/dX. Так как, как правило, dX не является степенью двойки, то требуется выполнения деления, что затруднено при аппаратной реализации.

Разработаны алгоритмы цифрового генератора векторов для окружностей и конических сечений.

Цифровой генератор векторов представляет собой специализированный, легко применимый процессор, встраиваемый в современные растровые системы как один из функционально-ориентированных процессоров. Его интеграция с приборами вывода различной точности и скорости показана на рис. 0.8.4.

Знакогенератор

Знаки (буквы, цифры, значки), наряду с векторами, являются наиболее широко употребимыми графическими примитивами. Они в общем представлены в закодированной форме, например, ASCII, КОИ-8 и т.д. Эти коды преобразуются знакогенератором в координатные значения для представления соответствующих знаков.

Векторный метод

Знаки запомнены в генераторе символов в виде приращений координат. Для формирования изображения знака вызывается генератор векторов для построения отрезков, составляющих знак. Для повышения эффективности кодирования используются короткие векторы в виде отрезков, соединяющих точки специального символьного растра. Знак кодируется как последовательность номеров растровых точек. Фактические относительные координаты, которые передаются генератору векторов, должны перед этим преобразоваться, чтобы, например, сохранить масштаб или направление вычерчивания знаков. При этом такое преобразование не влияет на качество знака. Генератор знаков, работающий таким образом, имеет высокое качество генерации знаков и пригоден для генерации определенных пользователем последовательностей символов.

Метод матрицы точек

При использовании такого метода знаки заданы как последовательности точек внутри точечной матрицы (например, 5×7 или 16×32 точек) и запомнены в генераторе знаков. При выводе знака матрица знака сканируется по строкам или по столбцам и используется для управления включением/выключением луча. Качество символов приемлемое только при отображении 1:1. Координатные преобразования, за исключением сдвига и поворота на углы, кратные 90, как правило, невозможны. Так как тогда каждая отдельная точка знака должна бы была преобразовываться и соответствующим образом выводиться, что приводило бы к затратам времени, неприемлемым для большинства приложений.

Наряду с управлением отклонением включением/выключением луча в некоторых реализациях знакогенератор формирует сигналы для управления межсимвольным расстоянием в строке. Знакогенераторы с матрицей точек обычно используются в дисплеях с растровым сканированием луча.

Генераторы кривых и плоскостей

Наряду с генераторами векторов и знаков, многие дисплеи имеют генераторы кривых и плоскостей. Преимущество их использования в первую очередь состоит большей скорости вычерчивания а, кроме того, экономится память для хранения картины и требуется меньшее время для ее передачи. В основном, используются генераторы дуг окружностей и эллипсов.

0.8.2 Преобразования

Преобразование изображения заключается либо в его геометрическом, координатном преобразовании, либо в преобразовании видимости, заключающемся, в частности, в отсечении частей полной сцены, невидимых в заданном окне просмотра.

Координатные преобразования

Дисплеи большой мощности обеспечивают выполнение геометрических преобразований (сдвиг, вращение, масштабирование, перспектива) в реальном времени с помощью аппаратуры перемножения матриц. При этом используются однородные координаты, позволяющие любое преобразование представить как умножение координат вектора на матрицу 4×4. На преобразование требуется 16 умножений и 12 сложений. При перспективных преобразованиях дополнительно требуются 2 деления. Аппаратура преобразований, в основном, реализуется на СБИС. На обычных стандартных чипах достигнуты времена преобразования в 3 мкс (без делений).

Отсечение векторов

Если изображение выходит за пределы экрана, то на части дисплеев увеличивается время построения за счет того, что изображение строится в «уме». В некоторых дисплеях выход за пределы экрана приводит к искажению картины, так как координаты просто ограничиваются при достижении ими граничных значений, а не выполняется точный расчет координат пересечения (эффект «стягивания» изображения). Некоторые, в основном, простые дисплеи просто не допускают выхода за пределы экрана. Все это, особенно в связи с широким использованием технологии просмотра окнами, требует выполнения отсечения сцены по границам окна видимости.

Программное исполнение отсечения достаточно медленный процесс, поэтому, естественно, в мощные дисплеи встраивается соответствующее оборудование.

Первое сообщение об аппаратуре отсечения, реализующей алгоритм Коэна-Сазерленда для отсечения отрезка на прямоугольном окне в устройстве Clipping Diviger, появилось в 1968 г.

Имеются реализации в СБИС варианта алгоритма Сазерленда-Ходгмана для отсечения многоугольника на прямоугольном окне. В этом алгоритме многоугольник последовательно отсекается всеми четырьмя сторонами окна.

0.8.3 Дисплейный контроллер

Из блок-схемы простой графической системы (см. рис. 0.8.1), после рассмотрения работы дисплейного генератора и блока преобразований, ясно назначение дисплейного контроллера:
· связь с компьютером;
· управление формированием изображения;
· обработка графического ввода.

Специального пояснения обеспечение связи с компьютером повидимому не требует.

В чем заключается обработка графического ввода будет в основном уяснено при рассмотрении различных устройств ввода.

Здесь требует пояснений лишь функция управления формированием изображений, которая зависит от выбранной архитектуры. Если, например, дисплейный файл находится в ЦП, то ЦП выставляет стартовый адрес и инициирует контроллер. Когда контроллеру требуется следующая команда, то он приостанавливает процессор и выполняет доступ к памяти. Полученная команда декодируется и исполняется. Это могут быть команды построений, управления атрибутами построения, выполнения преобразований, отсечения, задания следующего адреса доступа и т.д. Понятно, что в этом случае контроллер отнимает время ЦП, которое могло бы быть использовано более полезным образом. С этой целью проанализируем различные построения графических системы.

0.8.4 Варианты архитектуры графических систем

Здесь мы рассмотрим самые общие соображения по построению графической системы, не зависящие от метода формирования изображения (произвольное или растровое сканирование луча).

Ясно, что отображение, хотя временами и очень трудная, но стабильная проблема, в то время как моделирование определяется потенциально бесконечным количеством приложений. Поэтому, оговорив интерфейс, есть смысл разделять моделирование и отображение так чтобы было возможно из независимое развитие.

Принципиальным моментом в разработке распределенной системы является выбор оптимального разделения функций между подсистемами моделирования и отображения. Естественно предполагать, что какая-либо граница раздела должна находиться в месте полного завершения выполнения некоторой функции. Кроме того, вряд ли целесообразно разделять между различными подсистемами некоторый файл данных и программу (процессор) его «интенсивной» обработки. Для уяснения задачи распределения функций рассмотрим модель графической системы с точки зрения процессов преобразования информации при формировании изображения.

Процесс вывода может быть представлен следующей схемой:

В этой модели отдана дань традиционному соображению о полезности структурированного дисплейного файла, представляющего собой иерархию вложенных объектов. Каждый объект, кроме примитивных элементов, может содержать экземпляры объектов нижнего уровня. Экземпляр объекта может сопровождаться набором совершаемых над ним преобразований. Использование экземпляров объекта выполняется либо его копированием, либо ссылкой (аналогично вызову подпрограммы). На самом же деле такое описание изображения подразумевает иерархичность его структуры, которая действительно имеет место в только ряде задач проектирования.

Следует отметить, что, так называемая, аппаратно-ориентированная форма для современных дисплеев, как правило, весьма высокоуровневая и включает в себя типичные наборы примитивов, атрибутов, средств сегментирования и даже структурирования. Аппаратность же в основном заключается в использовании некоторой вполне определенной формы кодирования, причем обычно наиболее компактной.

Из рассмотренного ясно, что наиболее целесообразны границы раздела ВЫВ1, ВЫВ3, ВЫВ4. Причем первые две обеспечивают аппаратную независимость, а последняя соответствует минимальным требованиям к подсистеме отображения.

Естественно полагать, что подсистема моделирования находится в ЦП, а подсистема отображения представлена дисплейным процессором.

Для повышения быстродействия при выполнении преобразований используются архитектуры с двойной буферизацией, использующие два дисплейных контроллера и два буфера для сохранения изображения. Дисплейный контроллер 1 выполняет преобразования и формирует линейный дисплейный файл в одном из буферов. Параллельно с этим более простым дисплейный контроллером 2 ведется отображение из второго буфера. Затем буфера переключаются.

0.8.5 Области применения векторных дисплеев

Основными качествами векторных дисплеев являются:

· векторное представление с высоким разрешением,

· динамическое представление с преобразованиями в реальном масштабе времени,

Параметры векторных дисплеев по разрешению, достигнутые уже более десятилетия назад, все еще проблематичны для растровых устройств. Так, например, дисплей СМ 7316 (НИИ периферийного оборудования, Киев, 1982 г.) мог отображать без мерцания до 4000-6000 векторов и 4096 символов при разрешении 2048×2048.

Поэтому такие дисплеи хорошо подходят для задач САПР, в которых требуется быстрое представление большого числа отрезков и малое время ответа на воздействие пользователя.

Кроме этого векторные дисплеи (их геометрическая часть) могут рассматриваться как геометрические процессоры для растровых систем.

0.9 Растровые дисплеи

Растровый (телевизионный) принцип формирования изображения заключается в разложении изображения на горизонтальные строки, состоящие из отдельных элементов. Вывод такого изображения осуществляется независимо от процесса построения с одинаковой скоростью последовательным сканированием по строкам в направлении сверху-вниз от 25 до 80 раз в секунду. В отличие от векторных дисплеев, в силу отделения процесса формирования картины от процесса ее вывода, сложность немерцающего изображения не ограничена.

Хотя телевидение (аналоговое) появилось еще в 30-е годы, использование телевизионного построчного представления изображений в компьтерной графике стало реально возможным с появлением дешевой полупроводниковой памяти для хранения растрового представления и прогрессом в технологии мониторов.

Растровые дисплеи имеют наиболее широкое распространение, что связано со следующими основными свойствами устройств этого класса:

· обеспечивается наивысшее качество при меньшей стоимости,

· полные цветовые возможности и легкость представления закрашенных поверхностей,

· возможность совместимости с телевидением позволяет смешивать синтезированные и естественные изображения и поддерживать новые технологии в телекоммуникациях (видеотекст, системы Multimedia),

· интерактивная компьтерная графика и обработка изображений могут выполняться в рамках одной системы,

· сложность немерцающего изображения практически неограничена,

· телевизор хорошо знаком каждому как привычный предмет обихода.

0.9.1 Видеоконтроллер

Видеоконтроллер формирует изображение на экране монитора путем его построчного вывода. При этом точно соблюдает время развертки строки, либо соответствующее телевизионным нормам, либо предопределенным параметрам (ширина полосы, частота строк и кадров и т.д.). Некоторые мониторы для сокращения полосы пропускания используют т.н. чересстрочную развертку (Interlacing), при которой две картинки имеют половинное вертикальное разрешение и выдаются на экран по двум вложенным в друг друга гребенкам строк (рис. 0.9.2). Вначале выдаются строки 1-го полукадра, затем 2-го. Таким образом, при частоте кадров 50 Гц полная смена изображения на экране выполняется с частотой 25 Гц. Такой способ используется в телевещании. Для синтезированных изображений он мало пригоден (при частоте кадров 50 Гц), так как одиночные горизонтальные линии, занимающие ровно одну строку, неприятно и очень утомляюще мерцают.

Важнейшим параметром не только для монитора, но и для растровой системы в целом является время, требуемое на обработку одного пиксела. Время, требуемое на обработку строки аппаратурой дисплея, составляет:

Причем для чересстрочной развертки обратный ход кадровой развертки за полную прорисовку картинки выполняется, естественно, дважды.

Так как часть времени строчной развертки тратится на перемещение луча к началу следующей строки (обратный ход строчной развертки, horizontal retrace), то время на обработку одного пиксела составит:

В таблице 0.9.1. приведены времена для некоторых мониторов.

В мониторах используются кинескопы с прямоугольной областью отображения с соотношением сторон обычно 4:3, что соответствует особенностям зрения человека. Если же для дисплея отношение числа пикселов в строке к числу строк отличается от 4:3, например, 512:512, то для занятия под изображение всей поверхности экрана потребуется сформировать не квадратные, а прямоугольные пикселы. Чтобы картинка выглядела на экране правильно (круг как круг и т.д.) ее потребуется предварительно искажать. Поэтому все современные дисплеи либо имеют соотношение 4:3 (640:480, 768:576, 1280:960 и т.д.), либо занимают под изображение не всю поверхность экрана.

После этих замечаний относительно представления растровых изображений легко сформулировать назначение видеоконтроллера:

· адресация и чтение данных из видеопамяти;

· формирование синхроимпульсов разверток по горизонтали и вертикали, соответствующих формату изображения. Эти синхроимпульсы используются монитором для формирования отклоняющих напряжений;

· управление монитором для задания требуемых цветов и интенсивностей, цифро-аналоговое преобразование.

Кроме этого, из таблицы 0.9.1. видно, что времена на обработку пиксела существенно меньше, чем времена доступа к динамической полупроводниковой памяти, составляющие 100 нс и более, поэтому видеопамять обычно организована специальным образом, так что из нее читается сразу не один пиксел.

Дополнительно заметим, что пикселы строки отображаются на экран строго последовательно. Поэтому обычным техническим решением является перепись пикселов в быстрый сдвиговый регистр с целью параллельно-последовательного преобразования и формирования сигналов управления цветами и интенсивностями по данным из этого регистра.

Таким образом блок-схема простого видеоконтроллера имеет вид:

Полноцветные дисплеи и дисплеи с таблицей цветности (ТЦ)

Мы, по сути дела, рассмотрели однобитовый растровый дисплей (дисплей с одной битовой плоскостью, одним битовым планом). Увеличивая количество плоскостей мы, естественно, увеличиваем количество отображаемых цветов. Можно выделить два класса цветных растровых дисплеев:

· полноцветные дисплеи, в которых для каждого пиксела сразу хранятся значения R, G, B. Обычно полноцветные дисплеи имеют по 1 байту на цвет. Т.е. объем видеопамяти составит почти 4 Мбайта при полной картинке 1280×1024 специально организованной, быстрой памяти. В таком дисплее на экране одновременно формально может присутствовать до 2 24 яцветов (более 16 миллионов);

Использование таблицы цветности поясняется на рис. 0.9.5.

Управление плоскостями изображения

В дисплее в N битами на пиксел можно запомнить N черно-белых, бинарных или же N/3 RGB картин. Каждая такая картина может отображаться с помощью соответствующей загрузки ТЦ. Если требуется, то их можно даже переключать с тактовой частотой! В случае черно-белого бинарного изображения ТЦ требуется загружать таким образом, чтобы ее элемент, соответствующий 1, содержал значения, дающее либо белый, либо черный оттенок.

Пусть, например, имеем дисплей с шестью битами на пиксел, с нумерацией плоскостей от нуля до пяти. Таблица цветности тогда должна иметь 64 элемента. Предположим, что надо включить изображение с зеленым цветом для плоскости номер ноль, а все остальные выключить. А затем включить красным цветом изображение в битовой плоскости номер один. Соответствующие этому раскраски таблицы цветности будут иметь вид:

Приоритет изображений

Во многих приложениях требуются изображения, объекты которых хотя и размещены в пространстве, но не имеют глубины. В этом случае не требуется решение общих задач пересечения поверхностей и удаления невидимых граней. Достаточно просто упорядочить объекты по глубине. К этому классу относятся, например, изображения слоев печатной платы, изображения слоев чертежа, окна системы управления окнами и т.д. Это упорядочение или приоритет может быть реализовано с использованием битовых плоскостей, закрашенных требуемым образом. Так как это не полное решение 3D задачи, то часто говорят об 2.5D изображениях. Если хотим получить эффект перекрытия отдельных прозрачных изображений, то заданному приоритету следует сопоставить соответствующий смешанный цвет в таблице цветности.

Эффекты перемещений с помощью ТЦ

Динамическое изменение соотношений между кодами пикселов и соответствующих им цветам с помощью таблицы цветности позволяет моделировать эффекты движения, причем выполняемые очень быстро, в темпе разверток, а не в темпе генерации примитивов. Например, построим кривую с распределенными вдоль нее значениями кодов пикселов. Меняя элементы ТЦ, соответствующие этим кодам мы можем создавать эффекты ее постепенного построения, движения вдоль нее, рассыпания и т.д.

Преобразования изображения «на лету»

На уровне видеовывода, кроме цветовых преобразований, могут быть реализованы несложные геометрические преобразования в реальном времени причем также без изменения данных в видеопамяти.

Для реализации сдвига нужны регистр координат и быстрые компараторы, которые сравнивают текущую позицию луча с желаемой новой позицией объекта и управляют адресацией для видеопамяти. Аналогичным образом может выполняться отсечение и вращение на 90.

Плавное, не целочисленное масштабирование выполняется путем выбрасывания/дублирования не всех, а части пикселов в строке и строк.

Также В.Г. Сизыхом предложен и реализован метод однотонной заливки многоугольников в темпе видеовывода, позволяющий повысить скорость раскраски по максимуму в 768 раз. Для обычных синтезированных сцен повышение скорости более чем в 100 раз. Идея состоит в том, что при выполнении видеовывода строки отличные от нуля коды пикселов «защелкиваются» на регистре и передаются на вывод до тех пока не прийдет код, отличный от установленного. Последовательность закраски следующая:

· кадровый буфер очищается (все пикселы получают значение 0);

· у однотонно закрашенных многоугольников кодом с требуемым цветом строятся только левые ребра;

· крайние правые ребра прорисовываются кодом отличным от 0, но цвет, соответствующий данному коду, должен совпадать с цветом фона.

0.9.2 Создание изображения

Модуль генерации изображений растрового дисплея (см. рис. 0.9.1), часто называемый в литературе «image creation system» (ICS), имеет то же назначение что и дисплейный генератор для векторного дисплея. Важнейшее отличие от генератора изображений для векторного дисплея состоит в том, что в растровом дисплее генератор изображения в произвольное время заносит его представление в видеопамять (т.н. функционально-растровое преобразование).

Вывод изображения на экран осуществляется независимо работающей подсистемой отображения, которая синхронно с разверткой читает строки пикселов и выдает их на экран.

С этим несомненным достоинством связаны два основных недостатка растровых дисплеев по сравнению с векторными:

· непосредственное взаимодействие с изображением затруднено, так как временного соответствия между «указанием» объекта на экране и его генерацией не существует, поэтому в растровых системах используется программное моделирование сцены для определения совпадения координат объекта и положения того или иного устройства указания;

· динамическое представление «не дергающихся» перемещений требует, чтобы скорости генерации и воспроизведения совпадали. Это в общем случае возможно только на векторных дисплеях.

Прогресс в области вычислительных технологий, по-видимому, позволит найти приемлемое решение этих проблем, например с использованием рассмотренного ниже растрирования в реальном времени.

Набор команд для растровых дисплеев, соответственно дополнительным возможностям, шире. Он включает команды задания яркостей или цвета, определения закрашенных поверхностей, команды копирования блоков пикселов, известные как Bitblt (Bit Boundary Block Transfer) или RasterOp (растровые операции) и выполнения логических операций над кодами пикселов.

Практически используются следующие операции:

Особенный интерес представляет операция XOR (Exclusive OR), позволяющая после двойного ее применения с одним и тем же источником восстановить исходное значение пиксела. В частности, эта операция может использоваться для генерации курсоров графического ввода:
(Приемник XOR Источник) XOR Источник =
Приемник XOR (Источник XOR Источник) =
Приемник XOR 0 = Приемник

Кодирование данных в видеопамяти

Кодирование длин серий

К одному из простейших методов кодирования относится кодирование длин серий (run length encoding), заключающееся в том, что группа повторяющихся значений пикселов кодируется в виде пар из значения пиксела и числа его повторений.

С помощью такого кодирования достигается сокращение занимаемого объема в 10 и более раз. Так в задачах численного моделирования (см. п. *) средняя степень сжатия составляла 29 раз. Но для некоторых случаев возможно и увеличение объема, например, если изображение имеет вид шахматного поля из отдельных пикселов.

Ясно, что при таком способе кодирования утрачивается соответствие между координатой пиксела на экране и адресом в памяти изображения. Доступ к строкам возможен путем их последовательного просмотра. Для сокращения времени доступа можно использовать списочную структуру, как это показано на рис. 0.9.8.

Легко видеть, что у метода кодирования длинами серий, особенно при интерактивной работе, имеются следующие недостатки:

· объем занимаемой памяти сильно зависит от изображения и резко возрастает при сокращении длины повторения;

· изменение изображения требует исключения и создания элементов списка;

· определение длины серии требует просмотра. Для каждой строки нужно все описание картины для определения возможного вклада.

В целом, этот метод кодирования используется не для интерактивной работы, а для хранения изображения на диске или для передачи. В частности, кодирование длин серий используется в описании изображения для растровых дисплеев фирмы Tektronix, и в графическом редакторе Paintbrusch на IBM PC для оперативного хранения изображения.

Клеточное кодирование

В таком дисплее экран разбит на прямоугольные ячейки (знакоместа). Содержимое ячейки кодируется и размещается в видеопамяти по адресу знакоместа. Сокращение занимаемого объема памяти достигается за счет меньшей длины кодового слова, по сравнению с количеством пикселов в ячейке. Этот метод пригоден для алфавитно-цифровых дисплеев и примитивной графики. Так, например, при размере ячейки 8×8 и 8-ми битовом кодовом слове для дисплея со знакоместами достигается восьмикратная экономия памяти по сравнению с Bit-Map дисплеем. Наряду с символами и знаками в таком дисплее можно представлять и элементарные вектора. Функционально-растровое преобразование для векторов в таком дисплее выполняется подбором подходящей комбинации знакомест.

Такое представление используется в настоящее время только для алфавитно-цифровых режимов, так как в одном знакоместе может быть представлен либо один знак, либо отрезок и так как цвет и другие параметры отображения задаются сразу для всех пикселов знакоместа.

Использование знакомест для простого текстового дисплея разрешением 512×512 точек при размере знакоместа 8×8 и размере матрицы символа 5×7 показано на рис. 0.9.9. Такая матрица символов позволяет представить три вида шрифта:
· большие + маленькие символы латиницы,
· большие + маленькие символы кириллицы,
· большие символы латиницы + кириллицы.

Кроме аппаратного использования для алфавитно-цифровых режимов, этот метод кодирования используется и в программной реализации для сокращения объема изображения при передаче или запоминании на диске. В частности, клеточное представление изображения используется в растровых дисплеях фирмы Tektronix и графических стандартах GKS (Graphical Kernel System) и CGI (Computer Graphics Interface).

Повышение быстродействия подсистемы визуализации

Одним из возможных методов повышения быстродействия системы визуализации является растрирование в реальном времени, при котором, как и в векторных дисплеях, промежуточное хранение изображения в видеопамяти отсутствует. В этом случае для каждого пиксела экрана требуется просканировать описание всего изображения, чтобы определить вклад различных объектов картины. Насколько трудна эта задача видно из таблицы 0.9.1, когда для дисплеев с разрешением 1024×768 это надо проделать за 16.5 нс! При введении буфера строки на обработку описания сцены требуется уже 20.9 мкс, что все равно слишком мало.

В какой-то мере решить эту задачу можно распараллеливанием. Можно усмотреть два способа распараллеливания:

В высококлассных, дорогостоящих графических системах в определенной мере используются оба способа, причем «процессор на пиксел» использовался только в экспериментальных дисплеях. Обычно же специализированный растровый процессор обслуживает полосу пикселов.

На рис. 0.9.10 приведен сравнительный анализ методов распараллеливания.

При использовании мультипроцессоров главная проблема возникает не при преобразовании и разложении картины и не при вычислении пикселов, а при формировании полной картины из пикселов, которые сформированы из отдельных частей картины. Она должна решаться таким же образом, как и проблема перекрытия фрагментов, возникающая при реалистичном представлении трехмерных сцен.

0.9.3 Видеопамять

В ныне существующих растровых дисплеях одной из важнейших компонент, обеспечивающих взаимодействие подсистем генерации и отображения, является видеопамять. Каждая из подсистем должна иметь свой доступ к видеопамяти и большой ширины. Причем доступ от подсистемы отображения для обеспечения немерцающего изображения жестко синхронизован с развертками монитора. А доступ со стороны подсистемы генерации для достижения высокой интерактивности и больших скоростей перемещения объектов желательно исполнять в произвольный момент времени.

Обычные микросхемы памяти имеют время цикла порядка первых сотен наносекунд. Из сравнения с таблицей 0.9.1 видно, что это заметно превышает время на пиксел, требуемое разверткой. В этой связи память организуется таким образом, чтобы за один доступ одновременно считывается многобитное слово памяти (16, 32, 64 бита). Следует отметить, что число микросхем памяти, требуемое для организации широкого доступа, обычно дает суммарный объем памяти больший, чем требуется из соображений разрешения. Рассмотрим, например, память для дисплея 1024×768 пикселов в суммарным объемом в 786 432 бит. Требуемое время доступа к пикселу составляет 16.52 нс (см. таблицу 0.9.1). Используя микросхемы памяти организации 64К×1 бит с временем доступа 340 нс, получаем, что для достижения требуемого времени доступа надо одновременно запустить не менее 21 микросхемы. Суммарный объем памяти составит 21×64×1024 = 1 376 256 бит, что почти в два раза больше чем надо. На самом деле еще хуже, так как обычно ширину доступа выбирают их ряда 8, 16, 24 и т.д. Тогда получим суммарный объем памяти 24×64×1024 = 1 572 864 бита, что ровно в 2 раза больше.

На рис. 0.9.11 показан простой вариант для дисплея 512×512×1 бит с 16 корпусами 16К×1 400 нс динамической памяти с произвольным доступом (см. таблицу 0.9.1). Под управлением тактового генератора все микросхемы одновременно читаются и со скоростью » 10.3 мегапикселов/с загружают данные в 16-ти разрядный сдвиговый регистр. Видно что память двухпортовая, т.е. шины данных, адреса и управления подключаются и от видеоконтроллера и от генератора изображений.

При одновременном доступе ко всем 16 микросхемам выдаются 16 пикселов, чем обеспечивается время отображения порядка 1600 нс. Так как цикл памяти в 400 нс, то видеоконтроллеру требуется только около 25% от имеющегося в наличии суммарного времени доступа. Остаток, включая и время обратного хода, может быть использован подсистемой генерации изображения для записи в видеопамять.

Замена этих 16 микросхем памяти на 4 микросхемы 64К×1 не улучшит, а ухудшит показатели системы. Ширина доступа станет 4 пиксела, т.е. обеспечится время отображения в 400 нс, а время цикла памяти остается порядка 400 нс, так что на доступ от генератора изображений останется только время обратного хода.

Таким образом, задачу увеличения разрешения дисплея применением микросхем большего объема решить нельзя. Будет требоваться все увеличивающаяся ширина доступа, так как цикл динамической памяти становится много большим времени отображения пиксела (см. таблицу 0.9.1). С другой стороны, как было ранее показано в примере для дисплея 1024×768, объем памяти, определяемый шириной доступа становится все больше объема, требуемого разрешением.

Требуются иные технические решения.

A. Использование статической памяти. Радикальное и дорогостоящее решение. Времена доступа к статической памяти в 3-7 раз меньше, чем у динамической, энергопотребление в 1.3-5.5 раз больше, корпуса б\’ольших размеров, стоимость выше. Не требуется регенерации памяти. При некоторых эксплуатационных требованиях, например, повышенной радиационной стойкости, это единственное решение. Для иллюстрации в таблице 0.9.2 приведены некоторые параметры нескольких микросхем памяти одинакового объема.

Б. Использование двойной буферизации. Также недешевое, технически сложное решение. Используется два комплекта видеопамяти. В то время как идет отображение из одного буфера, второй буфер целиком отдается генератору изображений. Во время обратного хода кадровой развертки буфера меняются местами.

В. Использование микросхем иной организации памяти. Взамен микросхем побитовой организации nKx1, используются микросхемы nKxt, например, 16Кx4, 32Кx8. Эти микросхемы можно использовать двояко:

Г. Использование VRAM. VRAM (Video Random Access Memory) [15] была разработана для решения проблемы конкуренции за циклы памяти между видеорегенерацией и модификацией изображения при их одновременном выполнении.

VRAM представляет собой двухпортовую динамическую память, имеющую с своем составе:
· собственно массив памяти 256×256×1 (64К×1) или 256×256×4;
· 256 или 1024-битовый сдвиговый регистр.

Каждая из этих двух частей имеет собственные сигналы ввода/вывода и управления. Сдвиговый регистр загружается строкой из массива памяти за один цикл. После загрузки сдвиговый регистр независим от массива памяти и может тактироваться с максимальной частотой до 25 МГц. После требования всего одного цикла для записи 256 или 1024 бит VRAM готова одновременно и для видеорегенерации и для обновления изображения. Время на доступ для отображения составляет менее 1.5% времени доступа. В системах же базирующихся на DRAM эти затраты достигают до 60%.

На рис. 0.9.13 представлена структура VRAM микросхемы TMS4161 фирмы Texas Instruments.

0.10 Другие типы дисплеев

В дальнейшем планируется включить разделы по новым, уже появляющимся на рынке технологиям, таким как органические электролюминисцентные дисплеи и дисплеи с поверхностным эммитированием заряда (surface conduction emitter displays).

0.10.1 Дисплеи на запоминающей трубке

Перед началом нового построения старое изображение стирается для чего запоминающая сетка равномерно отрицательно заряжается подачей на нее импульса длительностью около 0.5 с. При этом экран неприятно вспыхивает.

Изображение записывается высокоскоростными электронами записывающего прожектора, которые выбивают из запоминающей сетки электроны, захватываемые положительно заряженным коллектором. В результате на запоминающей сетке создается скрытое изображение в виде областей относительного положительного заряда. Скорость перемещения записывающего луча с сохранением эффекта запоминания не превышает 200 м/с. Т.е. диагональ обычного дисплея прорисовывается за время » 2 мс, что в 100 медленнее чем на векторных дисплеях.

Воспроизведение запомненного изображения осуществляется с помощью потока несфокусированных низкоскоростных проявляющих электронов. Пластины коллиматора изгибают траектории проявляющих электронов таким образом, чтобы они подходили к запоминающей сетке под прямым углом. Попадая на участки относительного положительного заряда сетки, проявляющие электроны проходят сквозь сетку и вызывают свечение люминофора. Остальные проявляющие электроны отталкиваются и попадают на коллектор.

Итак, основные виды работ ЗЭЛТ следующие:
1. Стирание изображения.
2. Запись изображения.
3. Воспроизведение запомненного изображения.
4. Отображение без запоминания.

Достоинства ЗЭЛТ:
· большое разрешение (до 4096×4096 при 19 дюймах),
· отсутствие мерцания,
· низкие требования к скорости отклоняющей системы,
· малая стоимость.

Недостатки ЗЭЛТ:
· обычно невозможно выборочное стирание,
· мал контраст изображения,
· обычно черно-белое изображение,
· небольшая скорость работы.

0.10.2 Дисплеи с плазменный панелью

Если для незажженной ячейки между проводниками нарастает напряжение, то при достижении напряжения зажигания U_з (рис. 0.10.3) ячейка загорается. Газ в ячейке ионизируется, в ячейке возникает плазменный столбик, ток через нее заметно увеличивается, а напряжение падает до напряжения горения U_г, заметно меньшего, чем напряжение загорания. При уменьшении приложенного напряжения до напряжения потухания U_п разряд в ячейке прекращается и она гаснет за время порядка 20 мкс, за которое все ионы попадут на отрицательный электрод.

В зависимости от приложенного напряжения, ячейки панели могут находиться в трех состояниях:

· отображение содержимого панели. Поддерживающее напряжение между проводниками покрывающих пластин равно среднему напряжению горения U_c (см. рис 0.10.3). В этом случае горящие ячейки продолжают гореть и образуют светящиеся точки на изображении, а не горящие не зажигаются;

· включение точки. К поддерживающему напряжению между проводниками, пересекающимися над требуемой ячейкой, добавляется такой импульс поджига, что достигается напряжение зажигания U_з и ячейка загорается (если она еще не горела);

· стирание точки. К поддерживающему напряжению между проводниками, пересекающимися над требуемой ячейкой, добавляется такой импульс гашения, что достигается напряжение потухания U_п и ячейка выключается (если она горела).

Более поздние плазменные панели не содержат маски и растровых анодов. Она также состоят из двух параллельных стеклянных пластин, на внутренних поверхностях которых нанесены взаимно перпендикулярные группы проводников, формирующие растровые ячейки панели. Проводники покрыты диэлектрической пленкой и между ними приложено высокочастотное напряжение, недостаточное для зажигания, но достаточное для горения (поддерживающее напряжение). При высокочастотном питании газ ведет себя так, как будто он разделен на отдельные ячейки. Частота питающего напряжения такова, что хотя разряд при малых напряжениях и прекращается, но ионы не успевают рекомбинировать, поэтому при возрастании напряжения разряд возобновляется и создается впечатление непрерывного свечения точки.

Для включения негорящей ячейки к поддерживающему напряжению добавляется импульс поджига, достаточный для зажигания.

Для выключения горящей ячейки к поддерживающему напряжению добавляется такой импульс, что до достижения очередного максимума напряжение будет таково, что ионы успеют рекомбинировать и ячейка не загорится.

Известны и другие конструкции плазменных панелей, например, для вывода цветных полутоновых изображений. В таких панелях отдельный пиксел представляет собой триаду газоразрядных тиратронов, имеющих общий электрод для поддержания разряда в смеси редких газов типа He и Xe (рис. 0.10.5). Возникающее при этом ультрафиолетовое (UV) излучение возбуждает люминофоры, которыми покрыты торцы тиратронов. Эти люминофоры имеют соответствующие фотолюминесцентные характеристики и излучают красный, зеленый и синий цвета. Эффект изменения яркости моделируется за счет зажигания/поджигания разряда с требуемой (не слишком большой) частотой.

Дисплеи на плазменной панели в некотором смысле идеальные устройства. Имеются все важнейшие качества, вплоть до цветовых возможностей:

· большой угол наблюдения (до 160 ° ), так как свет излучается во всех направлениях,

· изображение может запоминаться, выборочно стираться и строиться снова,

· поточечная адресация позволяет использовать как векторные, так и растровые принципы построения изображения,

· панель плоская, поэтому дисплей может иметь много меньшие размеры, чем дисплей на электронно-лучевой трубке,

· картинка, независимо от ее сложности и структуры полностью лишена мерцания,

· информация от внешних источников изображений, например, слайдов или фильмов может проецироваться сквозь этот дисплей, обеспечивая таким способом простое смешение с картинками, сформированными компьютером.

В настоящее время дисплеи на плазменной панели в основном используются либо в особых условиях применения (высокие вибрации, низкие температуры) либо в качестве экранов коллективного просмотра. Лидерами в серийном производстве PDP являются фирмы Фуджицу и Хитачи параметры некоторых дисплеев этих фирм приведены в табл. 0.10.1.

0.10.3 Дисплеи с жидкокристаллическим индикатором

Австрийский ботаник Friedrich Reinitzer открыл жидкие кристаллы в 1888 г. В 1963 г. Williams в фирме RCA исследовал поляризационные эффекты в жидких кристаллах. В 1973 г. был разработан первый дисплей на жидких кристаллах (EL 8025) для переносной ЭВМ.

Жидкие кристаллы находятся в некотором числе фаз, промежуточных между твердым и жидким состояниями. Молекулы ЖК являются стрежнеобразными органическими соединениями (рис. 0.10.6) и находятся в различных ориентациях в этих фазах (рис. 0.10.7).

В изоторопической фазе, которая является жидкой фазой при повышении температуры, и позиция и ориентация молекул случайны.

Если температура понижается далее, то молекулы получают периодическую упорядоченность в слоях (смектическая фаза). Таким образом при понижении температуры в ЖК увеличивается упорядоченность и в конце концов наступает твердое состояние.

Изотропическая фаза

Нематическая фаза

Вследствие оптической и электрической анизотропии ЖК-молекул коэффициент преломления зависит от направления поляризации света относительно оси молекулы. Это свойство используется для поворота поляризации при прохождении света через закрученную ЖК-структуру.

Известно, что свет не проходит через два скрещенных поляризатора (рис. 0.10.8).

Молекулы в нематической фазе принудительно закручиваются за счет их помещения между двумя стекляными пластинами, каждая из которых имеет линейчатую гравировку, перпендикулярную к другой. На поверхности стекла молекулы вынужденно размещаются вдоль гравировки, а так как гравировки взаимно перпендикулярны, то между пластинами формируются перекрученные цепочки ЖК-молекул (рис. 0.10.9).

Расстояние между пластинами составляет порядка 10 мкм. В зависимости от расстояния между пластинами и типа ЖК-кристалла закрученность составляет обычно 90 ° или 270 ° (twisted nematics и super-twisted nematics, TN и STN).

При приложении электрического поля молекулы, вследствие их анизотропии, ориентируются вдоль поля. В этом случае цепочки раскручиваются и пропадает возможность поворота плоскости поляризации (рис. 0.10.10).

ЖК-дисплеи имеют два таких перекрещенных поляризатора с перекрученным жидким кристаллом между ними (рис. 0.10.11). Благодаря вращению плоскости поляризации ЖК-цепочками свет проходит и дисплей становится ярким. При приложении электрического поля к взаимноперпендикулярным прозрачным электродам, нанесенных на внутренние стороны пластин, эффект поворота плоскости поляризации пропадает и соответствующий пиксел становится темным.

При выключении напряжения кристалл за время порядка от первых десятков до сотен миллисекунд возвращается в исходное состояние.

Важной особенностью жидких кристаллов является то, что при протекании постоянного тока кристалл подвергается электролитической диссоциации и теряет свои свойства, поэтому жидкокристаллические индикаторы запитываются переменным напряжением, с постоянной составляющей не более десятков милливольт.

В простых индикаторах (с пассивной матрицей) ячейки растра, составляющие изображение, запитываются последовательно. Для этого на проводники, пересекающиеся над нужной точкой подают напряжение. В результате точка подсвечивается. Благодаря большому времени релаксации и достаточно высокой частоте сканирования ( » 1 мс на строку) изображение не мерцает. Естественно, что такие индикаторы медленны. Цветные ЖК-индикаторы используют три ячейки растра для формирования пиксела. Яркость свечения для каждой из компонент опреределяет цветовой оттенок.

В целом ЖК-индикаторы имеют следующие основные характеристики:
· толщина

1/5 ЭЛТ,
· энергопотребление · отсутствует мерцание,
· отсутствуют геометрические искажения,
· отсутствует паразитное излучение,
· цена

3×ЭЛТ,
· небольшая контрастность изображения

1:100),
· небольшая яркость

Следует ожидать, что с развитием технологии недостатки будут устраняться.

0.10.4 Дисплеи с электролюминисцентным индикатором

В 1937 г. был открыт эффект электроминисценции, заключающийся в излучении света легированного марганцем ZnS под воздействием электрического поля высокой напряженности (

Панель электролюминисцентного индикатора состоит из стеклянной пластины, прозрачных проводников из окиси олова, чередующихся слоев изолятора и люминофора и темных проводников, перпендикулярных прозрачным (рис. 0.10.12).

Люминофор светится под воздействием переменного напряжения, прикладываемого к электродам строк и столбцов. Это переменное напряжение возбуждает свободные электроны в кристаллической структуре люминофора. Возбужденные свободные электроны, сталкиваясь с атомами примеси, переводят их электроны на более высокие энергетические уровни. При возврате в свое обычное состояние они испускают фотоны в видимом спектре.

Люминофор, применяемый в электролюминисцентных индикаторах, требует довольно высокого напряжения (170-210 В), что требует применения более дорогостоящих микросхем управления, чем для жидкокристаллических индикаторов.

0.10.5 Дисплеи с эмиссией полем

Дисплеи с эмиссией полем представляются весьма перспективными из-за небольших габаритов, широкого угла наблюдения (почти 180 ° ), малого энергопотребления (несколько ватт для дисплея размером с записную книжку), хорошего воспроизведения цветов (люминофор ЭЛТ), высокой скорости работы (в принципе той же что и ЭЛТ).

Дисплеи данного типа (в основном пятидюймовые одноцветные дисплеи для приборов) в настоящее время серийно в промышленных масштабах производит PixTech (консорциум компаний в Европе, США и Японии).

Компания Candescent Сан-Хосе, Калифорния объявила о планируем выпуске таких дисплеев размером с записную книжку.

Однако успехи в крупносерийном производстве ЖК индикаторов с активной матрицей, по-видимому, не дадут возможности дисплеям с эмиссией полем получить широкий рынок.

0.11 Дисплейные подсистемы IBM PC

Дисплеи для IBM PC относятся к растровым дисплеям. Их специальное рассмотрение делается в связи с тем, что в настоящее время они наиболее распространенны, хотя вряд ли могут служить примером изящных технических решений.

Дисплейная подсистема IBM PC состоит из двух основных компонент:
· видеоадаптера,
· монитора.

В свою очередь и видеоадаптеры и мониторы разделяются на несколько различных типов. Допускаются определенные (не произвольные) их комбинации.

0.11.1 Видеоадаптеры

Первоначально IBM PC выпускались с черно-белым адаптером MDA (Monochrome Display Adapter). Максимальное разрешение составляло 640×350 точек, графические возможности отсутствовали. Следующим был также черно-белый видеоадаптер «Геркулес», выпущенный фирмой Hercules Computer Technology, Inc. Этот адаптер обеспечивает разрешение 720×350 с графическими возможностями.

Первым цветным видеоадаптером фирмы IBM стал CGA (Color Graphics Adapter). Разрешение его мало (320×200), цветов мало (до 4), программирование противоестественное. Максимальное разрешение составляет 640×200.

Первым видеоадаптером со сравнительно приемлемыми характеристиками стал VGA (Video Graphics Array) с максимальным разрешением до 800×600 при 256 цветах.

Многие фирмы выпускают улучшенные версии VGA под названиями Super VGA и Ultra VGA, но общий стандарт отсутствует.

Фирма Texas Instruments предложила стандарт на программный интерфейс с интеллектуальными видеоадаптерами, использующими графические процессоры TMS 340xx (TIGA-стандарт, Texas Instruments Graphics Architecture). В настоящее это самые мощные видеоадаптеры для IBM PC.

Сводка основных параметров упомянутых видеоадаптеров приведена в таблице 0.11.1.

0.11.2 Мониторы

Для отображения текста и графики используется несколько типов мониторов:

· композитный монитор, на вход которого подается композитный сигнал системы NTSC (National Television System Committee), применяемой в телевидении. Используется с видеоадаптером CGA;

· аналоговый дисплей, на вход которого подаются готовые RGB-сигналы, сформированные видеоадаптером. Используется с видеоадаптерами VGA, SVGA, XGA.

0.11.3 Замечание об адресации в IBM PC

Это замечание предназначено для тех, кто не знаком с обозначением адресов для IBM PC, так как при рассмотрении видеоадаптеров будет применяться именно оно.

0.11.4 Архитектура видеоадаптеров

Все видеоадаптеры содержат в себе видеопамять и видеоконтроллер (см. рис. 0.9.1). Видеопамять доступна процессору как обычная оперативная память и, в зависимости от типа видеоадаптера, занимает или часть или всю память, отводимую в адресном пространстве IBM PC под экранный буфер (128 Кбайт от адреса A000:0000 до B000:FFFF).

В символьных режимах видеопамять интерпретируется как последовательность байт, содержащая байты коды отображаемых знаков и байты атрибутов, задающих цвета.

0.11.5 Видеоадаптер CGA

Содержит 16 Кбайт видеопамяти, начинающейся с адреса B800:0000, и контроллер электронно-лучевой трубки.

0.11.6 Видеоадаптеры EGA/VGA

Графический контроллер обеспечивает обмен между центральным процессором и видеопамятью, которая так же как и в CGA находится в адресном пространстве для экранного буфера.

Видеопамять имеет объем, как правило 256 Кбайт, но для EGA может быть и 64 Кбайт. Видеопамять разбита на 4 банка (цветовых слоя). Банки занимают одно адресное пространство таким образом, что по каждому адресу расположено сразу 4 байта по одному байту в каждом слое. Можно запрещать или разрешать запись в отдельные слои памяти при помощи регистра разрешения записи цветового слоя. Для операции чтения в каждый данный момент времени может быть доступен только один слой, задаваемый с помощью регистра выбора читаемого слоя. В большинстве режимов работы видеопамять разделена несколько страниц. При этом одна из них активна и отображается на экране. Запись информации возможна как на активную, так и на неактивные страницы.

Преобразователь последовательности выбирает данные из памяти, требуемым для того или иного режима образом, и формирует последовательный поток бит, передаваемый контроллеру атрибутов.

Контроллер атрибутов, используя таблицу цветности, преобразует информацию о цветах, полученную из видеопамяти, в информацию для ЭЛТ.

Контроллер ЭЛТ генерирует синхроимпульсы управления ЭЛТ.

Тактовый генератор управляет временными параметрами видеоадаптера и доступом от процессора в слоям видеопамяти.

Показанный на рис. 0.11.3 ЦАП преобразует цифровые сигналы яркостей в аналоговые значения, необходимые аналоговому монитору.

Большое количество различных регистров у адаптеров позволяет гибко регулировать режимы работы, управлять сигналами синхронизации, определять формат экрана и т.д.

Текстовый режим

Также как для CGA для кодирования символа используется два байта. Первый из них содержит код символа и заносится в нулевой цветовой слой, второй байт содержит атрибут символа и заносится во второй цветовой слой.

Байт атрибута задает цвета символа и фона, мерцание и одну из двух активных таблиц знакогенератора.

Графические режимы

Имеется большой набор графических режимов. В режимах, совместимых с CGA используется только 0-й слой памяти, распределение которого по адресному пространству и интерпретация значений бит такая же как и для CGA (см. рис. 0.11.1).

В одном из режимов, применимом только для VGA, память интерпретируется как линейная последовательность всех четырех слоев (см. рис. 0.11.4). Это режим с разрешением 320×200 с байтом на пиксел, т.е. с 256 градациями.

Графические акселераторы

Акселераторы, кроме типа и возможностей графического процессора, различаются по следующим основным параметрам:

· памятью для сохранения изображений. В некоторых случаях используется обычная динамическая память DRAM, но обычно используется специализированная видеопамять VRAM;

· используемой шиной. В настоящее время обычно используется PCI;

0.12 Устройства ввода

0.12.1 Клавиатуры (Keyboards)

0.12.2 Кнопки (Buttons)

Программируемые функциональные кнопки обычно служат для задания какого-либо определенного воздействия, связанного с нажатием, отпусканием или удержанием кнопки (ввод команды, выбор параметра). Конструктивно кнопки устроены аналогично кнопкам текстовой клавиатуры. Чаше всего они объединены с текстовой клавиатурой, но иногда выделены в виде отдельного блока. Другой разновидностью функциональной клавиатуры являются кнопки на зондах планшетов или на «мышке».

Основное отличие кнопочного устройства от текстового состоит в том, что клавиш на клавиатуре всегда ограниченное количество и с ними жестко связаны определенные метки (коды клавиш). Клавиши же кнопочного устройства не имеют заранее определенного значения и их число может меняться от одной до нескольких десятков.

По сути дела текстовая клавиатура просто разновидность кнопочной, но так как она нашла большое распространение, то обычно выделяется в отдельный класс устройств.

Во многих компьютерных системах за счет написания собственного драйвера можно превратить текстовую клавиатуру в программируемую функциональную и наоборот.

0.12.3 Световое перо (Lightpen)

Световое перо (рис. 0.12.1) служит для непосредственного указания элементов изображения на экране. При аналоговой генерации векторов (символов) можно идентифицировать конкретный вектор (символ). При цифровой генерации векторов можно идентифицировать «рассматриваемую» точку изображения. Из-за нечеткой оптики светового пера и трудностей позиционирования в точку на экране эта возможность практически не нужна. Чаще световое перо используется для указания всего элемента изображения. В каждом случае используется временное соответствие светового сигнала и сиюминутного состояния обработки команд построения. На векторном дисплее таким образом устанавливается однозначное соответствие между текущей командой, отрабатываемой дисплейным генератором, и элементом изображения, от которого пришел световой импульс.

Для идентификации некоторого сложного элемента картинки как целого, например, изображения микросхемы, используется техника «идентификаторов указания». Идентификатор указания представляет собой неграфический, комментирующий элемент дисплейного файла. При аппаратной обработке идентификаторов указания дисплейный процессор запоминает их последовательность, в общем случае иерархическую. Для идентификации объекта при поступлении импульса от светового пера достаточно просмотреть запомненные идентификаторы указания.

Пример дисплейного файла с двумя указуемыми объектами

В данном примере имеется два не вложенных указуемых элемента. До отработки команды picid 001 стек идентификаторов указания пуст. После ее отработки и до первой команды end_picid в стеке будет находится 001. После отработки end_picid стек идетификаторов указания очищается и до команды picid 002 остается пустым.

В качестве эха светового пера обычно используют сверхподсветку выделенного элемента изображения. В векторных дисплеях сверхподсветка примитивного элемента (вектор, символ) реализуется аппаратно.

0.12.4 Планшеты (Tabletts)

Планшеты являются устройствами ввода с непосредственным заданием координат (локаторы). Это одно из важнейших устройств ввода. Пользователь может вводить информацию в компьютер привычным образом, как при использовании карандаша и бумаги.

В общем планшеты работают в различных режимах:

· точечном, когда генерируется координата при нажатии кнопки зонда;

· непрерывном, когда последовательность координат генерируется непрерывно при нахождении зонда в рабочей области планшета (при этом может производиться сокращение объема передаваемых данных так, как это описано выше);

· переключаемом непрерывном, когда генерируется непрерывная последовательность координат при нажатии кнопки зонда;

· приращений, когда формируются приращения к последней выданной позиции.

Имеется много различных способов определения координат зонда на планшете. Далее будут рассмотрены основные из них.

Потенциометрический (градиентный) планшет

Поверхность планшета представляет собой резистивное покрытие (рис. 0.12.2). По границам к этому покрытию подводится ток попеременно по X и Y направлениям. Зонд планшета имеет гальванический контакт с резистивным покрытием. Координата определяется по падению напряжения в точке контакта. Для устранения искажений поля, вызываемого взаимным влиянием контактных шин, питающие напряжения подводят через диоды. Основные проблемы при разработке таких планшетов:

· материал покрытия должен быть достаточно высокоомным, чтобы обеспечить простоту и точность измерения;

· материал покрытия должен обладать однородной проводимостью, чтобы обеспечить линейность ввода координат;

· материал покрытия должен быть достаточно прочным, чтобы выдержать постоянный контакт с наконечником планшета.

Акустический планшет

В таком планшете разрядник в зонде излучает ультразвуковой сигнал, который принимается ленточными микрофонами, расположенными на двух смежных сторонах планшета (рис. 0.12.3а). Акустические планшеты с тремя группами микрофонов (рис. 0.12.3б) могут выдавать трехмерную координатную информацию.

По времени прихода звука к микрофонам определяется точное положение зонда. В связи с большой скоростью распространения звука в воздухе @ 330 м/с эти измерения не представляют трудностей. Акустический планшет позволяет определять координаты и при значительном удалении от поверхности планшета, но с ошибкой, как это пояснено на рис. 0.12.4a).

Это свойство планшета позволяет определять 3D координаты с помощью плоского планшета, имеющего по микрофону на каждой стороне. При стороне планшета = 2а и измерении координат x и y относительно центра планшета из рис. 0.12.4б) можно написать следующие выражения для z:

Основным недостатком акустического планшета является сильная зависимость от окружающей среды, особенно влажности.

Емкостные планшеты

В таких планшетах под непроводящей рабочей поверхностью генерируется электромагнитное поле с помощью взаимно перпендикулярных групп проводников (рис. 0.12.5). Проводники в каждой группе должны быть точно параллельны и находиться на одинаковых расстояниях друг от друга. Эти проводники служат передающими антеннами. На передающие антенны поочередно подается высокочастотное напряжение. Сигнал принимается емкостным датчиком зонда. Пусть датчик находится между двумя проводниками, тогда вначале будет получен сигнал от одной антенны, затем от другой. По соотношению амплитуд сигналов можно узнать точное расположение между антеннами.

Недостатком этого планшета является то, что зонд должен находиться либо непосредственно на рабочей поверхности, либо на малых расстояниях от нее (на толщину нескольких листов бумаги).

Магнитоэлектрические планшеты

В таких планшетах катушка в зонде и проводники под рабочей поверхностью планшета могут рассматриваться как первичная и вторичная обмотки трансформатора. Если приемная катушка находится на зонде, то конструктивно этот планшет подобен емкостному планшету. Существенно большее разрешение достигается при использовании обмотки зонда как передатчика, но в этом случае катушка зонда должна иметь много витков, чтобы сгенерировать достаточно мощное поле. Большинство далее упоминаемых кодировщиков, используемых для ввода чертежей, работает на этом принципе.

Магнитострикционные планшеты

Магнитострикционные планшеты используют магнитострикционные проволоки как носители сигнала, которые под воздействием внешнего магнитного поля незначительно изменяют свою форму (рис. 0.12.6). Магнитное поле, вызываемое передающими катушками на краю планшета и перпендикулярное магнитострикционным проволокам, генерирует изменение их длин. Это изменение длины распространяется вдоль проволоки как волна механического напряжения со скоростью около 5000 м/с. Волна, попадая в приемную катушку, расположенную в зонде планшета, из-за изменения потока формирует в катушке импульс напряжения. Время прихода волны пропорционально расстоянию от передающей катушки на краю планшета до зонда. Так как расстояние всегда измеряется вдоль проволоки, то не требуется, чтобы проволоки были абсолютно параллельны. Не требуется располагать проволоки так часто, как это следовало бы из разрешения прибора. Более того достаточно их расположить на расстоянии в 2-3 мм все равно при этом на планшете гарантируется достаточное изменение потока. Этот принцип имеет относительно высокую точность (0.01 мм), широко используется в робототехнике и в большинстве планшетов.

Bit Pad One фирмы Summagraphics работает на магнитострикционном принципе. Размер его рабочей области 300×300 мм. На подложке под рабочей поверхностью планшета с шагом » 3 мм расположены по 96 проволок для каждой из осей. Разрешение по координате составляет 0.1 мм.

Стандартом на рынке для PC является планшет Bit Pad Two, имеющий разрешение в 0.05 мм и точность в 0.5 мм.

0.12.5 «Мышь» (Mouse), трекбол (Treckball), джойстик (Joystick)

Не прямой ввод графической информации, как правило, основан на перемещении пользователем по экрану графического курсора.

Под «мышкой» понимается небольшое ручное устройство ввода, выдающее приращения координат при перемещении «мышки» по рабочей поверхности (по рабочему столу для механических «мышек» и по специальной пластине для оптических «мышек»). При перемещении механической «мышки» по столу движение передается одним (двумя) шарами на пару потенциометров или датчиков угла поворота, соответствующих перемещениям по двум взаимно-перпендикулярным направлениям. Обычно в качестве датчика угла используется диск с нанесенными непрозрачными радиальными полосками (рис. 0.12.7). Комплект из двух пар светодиод-фотодиод позволяет определить направление поворота. Вследствие произвольного и не слишком точного перемещения «мышки» наилучшим методом ее использования является статический относительный.

Трекбол

Джойстик

0.12.6 Потенциометр

Потенциометр с аналого-цифровым преобразователем обеспечивает быстрый ввод точных числовых значений с контролем значения выводом на дисплей. Используются потенциометры вращения и ползунковые. Для задания значений углов наиболее подходят потенциометры вращения.

0.12.7 Растровый сканер

Сканеры используются для растрового ввода изображений с последующей их обработкой и/или документированием.

В САПР сканеры используются для автоматизации ввода ранее подготовленной конструкторской документации. В этом случае проблема заключается в том, что данные от сканера представлены в растровой, а не векторной форме и требуется выполнение обратного преобразования растр-вектор. Эта задача сложна и далека от решения (необходимо распознавать различные изображения и тексты в том числе рукописные, учитывать, что изображение представляется поточечно, причем одна и та же линия может получить при сканировании не только различную ширину, но и дырки и т.д.).

Сканеры работают в один или три прохода, большинство сканеров работает в один проход.

Цвет подсветки в стационарных сканерах обычно белый. Сканирование цветных изображений обеспечивается сменой светофильтров. В некоторых сканерах смена производится вручную.

0.12.8 Кодировщик

Обычно в полуавтоматических кодировщиках используется два основных режима работы:

· дискретный, когда оператор устанавливает зонд в требуемую точку и выдает команду определения координаты;

· непрерывный, когда оператор перемещает зонд вдоль некоторой линии, а устройство автоматически генерирует последовательность координат. Координаты генерируются либо через заданные интервалы времени, либо по удовлетворению некоторого критерия, например, при достижении заданной разности координат текущей и последней зафиксированной точки.

0.13 Нетрадиционные устройства

Более распространенным устройством указания является сенсорная панель, позволяющая рукой указывать объекты на экране.

Прогресс в полупроводниковой индустрии сделал реально применимыми и устройства речевого диалога.

С точки зрения средств вывода в системах виртуальной реальности используются по сути дела обычные растровые дисплеи в сочетании с механизмами отслеживания положения головы и направления взгляда для управления формированием сцены.

Кроме уже рассмотренных обычных устройств ввода в системах виртуальной реальности используются устройства ввода с тремя и шестью степенями свободы (перемещения вдоль трех осей и вращения вокруг них), а также устройства для обеспечения тактильной и силовой обратной связи, имитирующие ощущения прикосновения и «податливость» в ответ на воздействие.

0.13.1 Сенсорная панель (Touch Screen)

Более сложные сенсорные панели используют прозрачную (стеклянную) поверхность, покрытую прозрачным проводящим слоем окиси олова. Факт указания определяется по изменению сопротивления.

Известны сенсорные панели и с другими принципами определения координаты прикосновения пальца, например, с использованием поверхностных акустических волн.

0.13.2 Речевой диалог

Для надежного распознавания как отдельно произносимых слов так и слитной речи в реальном масштабе времени требуется производительность порядка 10 млн оп/с.

Появились коммерческие системы речевого ввода, распознающие порядка 1000 слов. Слова определяются как отдельные высказывания, отделенные достаточно длительными промежутками от других слов во фразе. Для целей диалога распознаватели речи используются в составе вспомогательных средств подачи отдельных простых команд. На графических рабочих местах такие системы могут освобождать пользователя от необходимости задания команд с помощью клавиатуры или меню, например, при вводе графической информации с помощью планшетов, когда подача команд с помощью обычных средств диалога нарушает так называемую тактильную непрерывность диалога.

Синтез речи обычно производится по формантному методу. Сначала текст переводится в последовательность фонем, затем по ней рассчитывается динамика управления формантным синтезатором, который генерирует и выдает сообщение.

0.13.3 Средства диалога для систем виртуальной реальности

В системах виртуальной реальности, в отличие от обычных приложений компьютерной графики, как правило, требуется вывод и ввод трехмерной координатной информации, как для управления положениями синтезируемых объектов, так и для определения координат частей тела оператора и направления его взгляда.

Space ball. Одним из первых появилось устройство спейсбол (space ball), представляющее собой конструктивное объединение мышки и небольшого трекбола. Мышка перемещается оператором по столу и обеспечивает ввод двух координат. Ввод третьей координаты обеспечивается вращением шарика трекбола большим пальцем руки.

Для манипулирования объектами в трехмерном пространстве часто используется техника виртуальной сферы. Управляемый объект окружается (воображаемой) сферой. Для перемещения сферы используется мышь, а вращение сферы и заключенного в нее объекта обеспечивается вращением шарика трекбола.

Отслеживание положения головы обеспечивается либо механическими рычажными системами, либо комплектом инфракрасных или электромагнитных датчиков.

Power Glove, Date Glove, Date Suit. Непосредственный ввод геометрической информации о положении частей тела с поддержкой тактильной и даже силовой обратной связи обеспечивается перчатками и костюмами данных.

В более продвинутой перчатке данных Date Glove фирмы VPL (рис. 0.13.1) для определения углов сгибания пальцев используются оптические волокна. Для обеспечения тактильной обратной связи используются пневматические активаторы.

Были эксперименты обеспечения тактильной обратной связи за счет вибрации пьезокристаллов.

Более простой прибор, использующий силовую обратную связь, был разработан фирмой Digital и представляет собой рукоятку, подобную рукоятке газа в мотоцикле, которая может менять свое сопротивление скручиванию.

Проблема в обеспечении тактильной и силовой обратной связи состоит в том, что пользователь реагирует на воздействия и вносит изменения быстрее, чем система сможет среагировать. Для хорошего ощущения объекта система тактильной обратной связи должна обеспечивать скорость порядка 100-300 Гц, что почти на порядок выше обычной скорости перезаписи визуальной информации.

Пиджак данных (Date Suit) по принципам работы подобен перчатке данных и отличается только количеством датчиков.

0.14 Приложение 1. Преобразование моделей цветов

Источник

• ← компьютерная академия шаг инн
• компьютерная графика это любая экранная форма →