Аппаратная поддержка машинной графики

Компьютерная (машинная) графика (computer graphics) обязана своим появлением возможности ЭВМ, а точнее ее периферийных устройств, осуществлять вывод информации в заданные программой участки или точки поля вывода. Эту возможность стали использовать уже на самом раннем этапе применения вычислительной техники для визуализации получаемой информации. Поначалу это были простые графики, построенные звездочками, точками или буквой "X". Необходимость в графической интерпретации обрабатываемой информации привела к разработке и созданию векторных графических устройств в виде дисплеев и графопостроителей, умеющих произвольно двигать электронный луч по экрану или перо по планшету и позволяющих формировать изображения, состоящие из отрезков прямых, дуг окружностей и т.д. Это периферийное оборудование стоило очень дорого и требовало нетривиального программирования. Широкое использование машинной графики началось с изобретением растровых дисплеев, в которых луч сканирует экран по строкам и изображение создается вариацией интенсивности луча.

Растровый дисплей физически представляет собой обычный телевизионный монитор, для которого характерно следующее: если изображение на нем постоянно не «подновлять», то оно гаснет (за время порядка нескольких миллисекунд). Таким образом, изображение должно где-то храниться и постоянно выводиться на дисплей с такой частотой, чтобы глаз не успевал заметить угасание картинки. Место хранения изображения называется битовой картой (рис. 1.2), непрерывно сканируемой специализированным дисплейным процессором, который "просматривая" содержимое битовой карты, формирует электрический сигнал, управляющий лучом дисплея. Дисплейный процессор вместе с битовой картой обычно располагаются на отдельной плате, называемой платой графического адаптера. Структура битовой карты достаточно проста: каждой строке экрана соответствует непрерывный участок карты, а каждому пикселу - байт (или несколько байтов, или часть байта).

Битовая карта находится под управлением центрального процессора (ЦП) и является частью оперативной памяти (ОЗУ). Поэтому ЦП может обычными командами обращения к памяти читать и изменять содержимое битовой карты. Таким образом, над битовой картой одновременно работают два процессора - центральный и дисплейный (последний - только на чтение).

Поскольку объем битовой карты всегда ограничен (16-256 Кбайт), количество как пикселов экрана, так и возможных цветов каждого пиксела также ограничено.

Растровое устройство можно рассматривать как матрицу дискретных ячеек (точек), каждая из которых может быть подсвечена. 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 последовательностью точек (пикселов), близко лежащих к реальной траектории отрезка (рис.1.3,а). Отрезок прямой из точек (пикселов) получится только в случае горизонтальных, вертикальных или расположенных под углом 45° отрезков (рис.1.3,б). Все отрезки будут обладать лестничным эффектом.

Для графических устройств с растровой ЭЛТ используется буфер кадра, обычно представляющий собой непрерывный участок памяти компьютера. Для каждого пиксела отводится как минимум один бит памяти. Из-за того, что бит имеет только два состояния, с помощью одной битовой карты можно получить только черно-белое (монохромное) изображение. Битовая плоскость является цифровым устройством, тогда как растровая электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) - аналоговое устройство, для работы которого требуется электрическое напряжение. При считывании информации из буфера кадра и выводе ее на графическое устройство с растровой ЭЛТ должно происходить преобразование из цифрового представления в аналоговый сигнал с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). На рис.1.4 приведена схема графического устройства с черно-белой ЭЛТ на основе буфера с одной битовой плоскостью.

Различные цвета или полутона серого цвета могут быть введены в буфер кадра путем использования дополнительных битовых плоскостей. На рис.1.5 показана схема буфера кадра с N битовыми плоскостями для градаций серого цвета.

Интенсивность каждого пиксела на экране ЭЛТ управляется содержимым соответствующих битов в каждой из N битовых плоскостей. В биты регистра загружаются бинарные величины (0 или 1) из каждой плоскости. Двоичное число, получившееся в результате, интерпретируется как уровень интенсивности между 0 и 2^N-1. Всего можно получить 2^N уровней интенсивности. С помощью ЦАП это число преобразуется в напряжение между 0 (темный экран) и 2^N-1 (максимальная интенсивность свечения). Рис.1.5 иллюстрирует систему с тремя битовыми плоскостями для 8 уровней интенсивности.

Число доступных уровней интенсивности можно увеличить за счет небольшого расширением требуемой для этого памяти и использования таблицы цветов, как это схематично показано на рис.1.6. 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 > N. В последнем случае можно получить 2^W значений интенсивности, но одновременно могут быть доступны лишь 2^N из них.

Наиболее распространенной формой создания цветного изображения является использование трех основных цветов, смешивая которые получают остальные цвета спектра. В большинстве случаев в качестве основных цветов используют красный, зеленый и синий цвета. Простой цветной буфер кадра можно реализовать на основе трех битовых плоскостей, по одной для каждого из основных цветов. Каждая битовая плоскость управляет индивидуальной электронной пушкой для каждого из трех основных цветов. Три основных цвета, комбинируясь на ЭЛТ, дают восемь цветов. Схема простого цветного растрового буфера кадра показана на рис.1.7.

Для каждой из трех цветовых пушек могут использоваться дополнительные битовые плоскости. На рис.1.8 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 и 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 так называемый «полноцветный» буфер кадра.

Полноцветный буфер кадра может быть еще более увеличен путем использования групп битовых плоскостей в качестве индексов в таблицах цветов, как это показано на рис.1.9. 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, то есть около 17 млн. оттенков из палитры немногим больше чем 1 миллиард цветов.

Существует другое направление развития графических растровых дисплеев, в которые встроена плата графического адаптера, так называемые графические дисплеи. Как правило, они оснащаются специальным графическим процессором, в котором на аппаратном уровне реализованы многие алгоритмы машинной графики.

Дата добавления: 2014-01-11