20. Растровые дисплеи.

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. Отрезок можно только аппроксимировать последовательностями точек (пикселов), близко лежащих к реальной траектории отрезка. Эту идею иллюстрирует рисунок 2.

Отрезок прямой из точек получится только в случае горизонтальных, вертикальных или расположенных под углом 45 ⁰ отрезков. 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 ^х 512 требуется 2 ¹⁸, или 262144 бита памяти в одной битовой плоскости. 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. 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). На рисунке 3 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 рисунке 4 показана схема буфера кадра с N битовыми плоскостями для градации 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. Буфер кадра с тремя битовыми плоскостями для растра 512 ^х 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 схематично показано на рисунке 5.

После считывания из буфера кадра битовых плоскостей получившееся число используется как индекс в таблице цветов. В этой таблице должно содержаться 2 ^N. Каждый ее элемент может содержать W бит, причем W может быть больше N.

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. Три основных цвета, комбинируясь на ЭЛТ, дают восемь цветов. Схема простого цветного растрового буфера показана на рисунке 6. Чтобы увеличить количество цветов для каждой из трех цветовых пушек используется дополнительные битовые плоскости.

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

Устройство электронно-лучевой трубки

Описанный раньше буфер кадра сам по себе не является устройством вывода, он просто применяется для хранения рисунка. В качестве устройства отображения, используемого с буфером кадра, выступает видеомонитор. Чтобы понять принципы работы растровых дисплеев, нужно иметь представление о конструкции ЭЛТ и методах создания видеоизображения.

На рис. 10.1 схематично показана ЭЛТ, используемая в видеомониторах. Отрицательно заряженный катод нагревают до тех пор, пока возбужденные электроны не создадут расширяющегося облака (электроны отталкиваются друг от друга, так как имеют одинаковый заряд). Эти электроны притягиваются к сильно заряженному положительному аноду. На внутреннюю сторону расширенного конца ЭЛТ нанесен люминофор. Если бы электронам ничто не препятствовало, то в результате их воздействия на люминофор весь экран ЭЛТ засветился бы ярким светом. Однако облако электронов с помощью электронных линз фокусируется в узкий, строго параллельный пучок. Теперь сфокусированный электронный луч дает одно яркое пятно в центре ЭЛТ. Луч отклоняется или позиционируется влево или вправо от центра и (или) выше или ниже центра с помощью усилителей горизонтального и вертикального отклонения.

В растровом дисплее луч может отклоняться только в строго определенные позиции на экране, образующие своеобразную мозаику. Эта мозаика составляет видеоизображение. Люминофорное покрытие на экране растровой ЭЛТ тоже не непрерывно, а представляет собой множество тесно расположенных мельчайших точек, куда может позиционироваться луч, образуя мозаику.

Устройство цветной растровой ЭЛТ

Цветная растровая ЭЛТ похожа на стандартную черно-белую ЭЛТ, описанную в предыдущем разделе. В ней находятся три электронные пушки, по одной на каждый основной цвет: красный, зеленый и синий. Электронные пушки часто объединены в треугольный блок, соответствующий подобному треугольному блоку точек красного (R — red), зеленого (G — green) и синего (B — blue), люминофоров на экране ЭЛТ (рис. 10.2).

Для того, чтобы электронные пушки возбуждали только соответствующие им точки люминофора (например, красная пушка возбуждала только точку красного люминофора), между электронными пушками и поверхностью экрана помещена перфорированная металлическая решетка.

Это так называемая теневая маска стандартной цветной ЭЛТ с теневой маской. Отверстия в ней образуют такие же треугольные блоки, как и точки люминофора. Расстояния между отверстиями называются шагом. Цветовые пушки расположены таким образом, что их лучи сходятся и пересекаются в плоскости теневой маски (рис. 10.3). После прохождения через отверстие красный луч, например, защищен или маскирован от пересечения с зеленой или синей точкой люминофора. Он может пересечь лишь красную точку. Изменяя интенсивность электронного луча для каждого основного цвета, можно получить различные оттенки. Комбинация этих оттенков дает большое количество цветов для каждого пиксела. Обычно в дисплее с высоким разрешением на каждый пиксел приходится от двух до трех цветовых триад.