Графічні ЗВІ телевізійного типу

 

Графічні ЗВІ призначені для формування графічної інформаційної моделі (ГІМ). Вони широко застосовуються у якості термінальних пристроїв ЕОМ для виводу результатів обробки інформації у формі графіків, схем, діаграм, гістограм і т.п. в системах автоматизованого проектування інтегральних схем, радіоелектронної і іншої апаратури, в системах керування космічними польотами, керування виробництвом і технологічними процесами.

Графічні інформаційні моделі можуть бути статичними і динамічними. Статична модель не міняється при сприйнятті її оператором. У динамічній моделі частина або все зображення змінюється в процесі сприйняття оператором. Формування ГІМ полягає в синтезі моделі з окремих елементів відображення. Використовувані ЕВ визначають спосіб апроксимації ГІМ і, відповідно спосіб кодування інформаційної моделі і структуру ЗВІ. По типу використовуваних ЕВ розрізняють ЗВІ з точковими ЕВ, що часто називаються повнографічними і з укрупненими графічними елементами—графемами, які часто називаються ЗВІ з обмеженою графікою або квазіграфічними. Графічні ЗВІ з укрупненими графічними елементами використовують обмежений набір графем, формованих в межах графічного знакомісця (див. рис 2.2). Графеми кодуються подібно знакам. При цьому в інформаційне слово вводиться додатковий розряд, що дозволяє відрізняти код знаків від коду графічних елементів. Таким чином, структурна схема квазіграфічних ЗВІ принципово не відрізняється від структурної схеми буквено-цифрових ЗВІ, представленої на рис 3.5.

Перетворювач коду графічної інформаційної моделі містить ПЗП, що зберігає інформацію про графік всіх графем, які входять в алфавіт, що визначається характером відображаємої інформаційної моделі і необхідною точністю її апроксимації. Так, для відтворення різних графіків в алфавіт можуть входити відрізки прямих і кривих другого порядку. Для відображення діаграм, географічних карт і т.д. алфавіт повинен бути доповнений двовимірними елементами.

Ємність ПЗП перетворювача коду ГІМ визначається умовою

 

С_ПЗПг ³ N_аге h'_ге b'_ге, (2.26);

 

де N_aге — основа коду алфавіту графічних елементів; h'_ге і b'_ге — відносні розміри матриці по вертикалі і горизонталі.

Для кусочно-лінійно апроксимації контурних графічних моделей широко використовується набір відрізків прямих, що проходять через крапки, які розташовані по периметру знакомісця. Графіка деяких таких відрізків показана на рис 3.7, а апроксимація ними кривої - на рис 2.2. Для уявлення ГІМ сукупністю графем транслююча програма ЕОМ забезпечує попереднє розбиття зображення на окремі фрагменти, по формату і положенню відповідно знакомісцям. Потім виробляється ідентифікація кожного фрагмента з найбільш відповідною графемою і видається в ЗВІ її код.

Аналіз рис 3.7, а показує, що одна половина використовуваних графем є дзеркальним відображенням іншої. Це дозволяє удвічі понизити об'єм ПЗП графогенератора, заносячи в нього інформацію тільки про зображення половинної кількості графічних елементів. Графеми, відповідні дзеркальним відображенням, одержують при зворотному порядку зчитування рядів матриці. Один з варіантів реалізації цього рішення показаний на рис 3.7, б.

Старший розряд коду графічних елементів Qn визначає, до якого, прямого або відображеного, типу відноситься формована графема. Сигнал Qn подається на інформаційний вхід D -тригера, а решта п -1 розрядів - на адресні входи ПЗП знакогенератора. Запис b'_ге - розрядного коду одного рядка графеми в паралельно-послідовний регістр Р_г здійснюється сигналом Зп на початку кожного знайомства. По цьому ж сигналу заноситься значення Qn в D -тригер. Відповідно до стану цього тригера по входах v₊ і v_- здійснюється керування напрямом послідовної вибірки інформації, записаної в регістр Рr (починаючи з молодшого розряду для прямих і із старшого - для відображених графем). Відповідно, мультиплексором М здійснюється комутація виходів регістра. При такій структурі пред'являються жорсткі вимоги до швидкодії регістра і мультиплексора:

t_DРr + t_DM £ T_е, (2.27)

 

 

 

 

Рис.3.7.Форування графічних елементів: а - приклади графем; б- структурна схема графо генератора

де t_DPr і t_DM — час на затримки включення регістра і мультиплексора М.

Недоліком методу графічних елементів є недостатньо висока точність апроксимації ГІМ, обумовлена обмеженим набором ГЕ і їх фіксованим положенням на інформаційному полі. Цей недолік частково усувається шляхом організації незалежних символьних і графічних знакомісць. Слід зазначити, що зменшення розміру знакомісць пов'язане із збільшенням їх кількості на інформаційному полі і, отже, із збільшенням інформаційної ємності БЗП. В той же час зменшення розміру графічного знакомісця приводить до зменшення інформаційної ємності ПЗП графогенератора. До недоліку методу укрупнених графічних елементів слід також віднести необхідність спеціальних транслюючих програм при виводі графічної інформації з ЕОМ.

Принцип формування кольорової графічної інформаційної моделі в квазіграфічних і буквено-цифрових ЗВІ ілюструється функціональною схемою рис 3.8. З буферного запам'ятовуючого n_з - розрядний код знаку або графічного елементу поступає на вхід знакогенератора. Сигнали, що визначають контур знаку, з його виходу поступають на один із входів трьох відео підсилювачів: ВУR, ВУG, ВУВ. По цих входах відео підсилювачі або повністю запираються, або відпираються. Амплітуда напруги на їх виходах визначається аналоговими сигналами r'R, g'G, b'В, які формуються перетворювачами ПКR, ПКG, ПКB шляхом перетворення n_п - розрядного коду кольоровості з виходу БЗП. Рівні сигналів r'R, g'G, b'B визначаються відповідно до рівняння (2.3). Підсилені відеосигнали поступають на керуючі входи кольорових ЕПТ. У одно прожекторних кольорових ЕПТ, керованих прискорюючою напругою

 

 

 

 

Рис. 3.8. Функціональна схема формування кольорової ІМ у телевізійних ЗВІ

або густиною струму, використовується один перетворювач коду кольоровості. Можлива передача до відеомонітора не трьох сигналів, а одного повного, закодованого за системою SECAM, що використовується в кольоровому телебаченні. Проте невисока колірна роздільна здатність, що виявляється в розмитості переходів кольорів, обмежує застосування в ЗВІ останнього способу

ЗВІ повнографічного типу з точковими елементами відображення є найперспективнішими графічними засобами відображення зважаючи на їх універсальність, принципово допустимій високій точності апроксимації інформаційних моделей, що відображаються, можливості координатного завдання елементів відображення. У ЗВІ цього типу індикатор на ЕПТ доповнюється зовнішньою пам'яттю, що називається «пам'яттю образів», або допоміжним буферним запам'ятовуючим пристроєм ДБЗП для запису, зберігання і виводу інформації про стан кожного ЕВ інформаційного поля. Інформація у (ДБЗП) ВБЗУ заноситься побітно для кожної крапки. Отже, під час запису організація пам'яті ДБЗП задається умовою

С_ДБЗПw ³ N_ерN_ев, (3.28)

 

де N_ер, N_ев — кількість ЕВ інформаційного поля по горизонталі (рядку) і вертикалі. Якщо потрібне формування кольорового або півтонового зображення, то для кожного ЕВ необхідний n_п - розрядний код ознак. В цьому випадку

С_ДБЗП³ N_ерN_евn_ДБЗПw (3-29)

 

Збільшення кількості точкових ЕВ приводить, з одного боку, до підвищення точності апроксимації ГІМ, з іншою - вимагає збільшення інформаційної ємності і швидкодії ДБЗП і відповідно ускладнює і здорожує ЗВІ. Кількість точкових елементів відображення, що формуються по вертикалі, можна визначити по (3.3), а по горизонталі — по (3.7). Адресація комірок пам'яті ДБЗП організовується за двох координатним принципом: n_АХ - адресних розрядів визначає номер ЕО в рядку (n_АХ ³ [ lоg₂N_ер ]), n_AY - розрядів - номер рядка інформаційного поля (n_АY ³ [lоg₂N_ев]). Таким чином, графічна інформаційна модель при запису у ДБЗП задається сукупністю координат крапок, що входять у формоване зображення. Цей масив даних може видаватися безпосередньо від ЕОМ. В цьому випадку відсутня необхідність включення в ЗВІ БЗП і ПКІМ. Проте такий спосіб неефективний, оскільки при виводі крапок ЕОМ не може виконувати інших дій. Для скорочення об'єму інформації, одержуваної з ЕОМ, виводяться не координати всіх ЕВ ГІМ, а послідовність команд і даних, що визначають порядок формування ГІМ. Цей масив даних, званий дисплейним файлом, вводять в БЗП ЗВІ. При формуванні контурної ГІМ дисплейний файл формують як сукупність початкових і кінцевих координат відрізків прямих, що апроксимують графік. При цьому для кодування кожного відрізка потрібна інформаційна ємність не менше 2(n_АХ+n_АY) біт.

Так, при кількості ЕВ N_ер=N_ев =512 (n_АХ=n_АУ) формат дисплейного файлу для кодування одного вектора може бути наступним (табл. 2.1).

 

Таблиця 3.1

Розряди
номер	призначення
1-9 10-18 19-27 28-36	Z — яскравість (включено—виключено) Xн — координати початкової крапки Yн — координати початкової крапки Xк — координати кінцевої крапки Yк — координати кінцевої крапки

 

Наявність одиниці в розряді яскравості означає видиму лінію. Таким чином, якщо розрядність інформаційного слова ДІ рівна 1 байт, то для завдання одного вектора потрібно 5 байт.

Якщо ГІМ представляють безперервні криві, то об'єм дисплейного файлу можна скоротити, задаючи координату лише однієї крапки, яка є кінцевою для формованого відрізка прямої і початковою для подальшого. Скорочення дисплейного файлу досягається також, якщо задаються координати початкової крапки ГІМ, а потім приросту координат DХ і DY. Координати проміжних точок відрізків прямих визначаються уводимими в ЗВІ генераторами векторів. Останні спільно з ДБЗП виконують роль ПКІМ і виконуються або апаратно з використанням жорсткої логіки, або на базі програмно-перебудовуваного обчислювального пристрою - дисплейного процесора.

Приклад 3.5. Визначити коефіцієнти використання телевізійного растра b_г і b_в та частоту тактового генератора f_тг, якщо вимагається дискретизувати інформаційне поле з кількістю ЕВ по рядку N_эр = 512 і по вертикалі N_эв =512 при використанні стандартного ТВ -растра, k_ф=4:3.

Оскільки стандартний ТВ -растр має кількість рядків Z =625, то 512 елементів по вертикалі можна отримати при l =1. Перетворивши формулу (3.3), отримаємо b_в =512/(625×0,92) = 0,89.

Квадратна форма інформаційного поля забезпечується при b_г = b_в/ k_ф = 0,89×3/4 =0,67.

Частоту тактового генератора пристрою синхронізації визначаємо у відповідності з формулою (3.22): f_тг =(512×15625)/(0,82×0,67)=14,6 МГц

Використовуючи формулу (3.6), знаходимо верхню граничну частоту відео підсилювача f_в ³; 7,3 МГц, що перевищує полосу пропускання стандартного відеосигналу.

Зменшити необхідну частоту задавального генератора f_тг, без зменшення кількості ЕВ в рядку можна, збільшуючи коефіцієнти використання ТВ -растра по рядку з наступною компенсацією виникаючого відхилення форми ЕВ від квадратної, тобто регулюючи розмір ТВ -растра по вертикалі і горизонталі.

Для забезпечення значення f_в =6,5 МГц f_тг повинно бути 15 МГц, а з (3.22) необхідно вибирати b_г= 0,75.

Сформоване у відповідності з розрахунком інформаційне поле показано на рис.3.9.

На рис 3.10 приведена структурна схема графічного ЗВІ з генератором векторів (ГВ). При записі інформації у ДБЗП адресація комірок пам'яті здійснюється за допомогою адресних лічильників запису Сч AWX і Сч AWY, в які з БЗП заносяться коди початкових координат (Х_п; Y_п) відрізка прямої. Крім того, в ГВ і БЗП разом з (Х_п; Y_п) заносяться коди кінцевих координат відрізка (Х_к; Y_к). Потім за допомогою ГВ формуються.координати проміжних точок і за одержаними адресами заносяться у ДБЗП логічні одиниці. При регенерації зображення мультиплексорами M_X і M_Y здійснюється передача адресації ДБЗП адресним лічильником регенерації Сч ARX і Сч ARY. На рахунковий вхід лічильника Сч ARX від пристрою синхронізації подаються імпульси з частотою f_тг, що забезпечує синхронізацію зчитування інформації ДБЗП з рухом електронного променя по телевізійному рядку. Вміст лічильника Сч ARY збільшується на одиницю при проходженні l телевізійних рядків, що забезпечує синхронізацію причитування інформації по вертикалі. БЗП в приведеній схемі здійснює функції прийому дисплейних файлів від джерела інформації, їх зберігання і передачі в ГВ. У режимі регенерації БЗП не бере участі, що знижує вимоги до його швидкодії.

Генератори векторів (ГВ) здійснюють інтерполяцію проміжних точок відрізку прямої, заданої початковими і кінцевими координатами. Рівняння відрізка прямої між точками з координатами (Х_п; Y_п) і (Х_к; Y_к) може бути задано як

 

Y= Y_п + (Х-Х_п) [(Y_к-Y_п)/(X_к-Xп_н)],

Або

 

У дискретній формі це рівняння можна представити так:

, (3.30)

де

Приріст адресної координати береться одиничним: D X_i =1. Враховуючи цілочисельний характер величини Y_i, дробовий характер відношення (Y_к-Y_п)/(X_к-Х_п) при (Х_к - Х_п) > (Y_к - Y_п) і рівність DX_i=1, рівняння (3.30) можна представити у вигляді

 

, (3-31)

 

Рис. 3.9. Формування інформаційного поля ЗВІ

де INT (...) означає, що береться ціла частина результату, одержаного в круглих дужках.

Похибка апроксимації DY, що обумовлена дискретністю значень Y і X, при використовуванні (3.31) лежить в межах 0£ D Y £1, тобто похибка дискретності може досягати одиниці квантування і завжди одного знаку (апроксимуюча лінія повністю нижче апроксимуємої). Цю похибку можна зменшити у двічі, змістивши на 1/2 рівень відліку

 

. Тоді (2.32)

 

і похибку дискретності - 1/2£ DY £1/2.

 

Рис. 3.10. Структурна схема поліграфічного телевізійного ЗВІ

 

Оскільки реалізація операції безпосереднього ділення приводить або до апаратного ускладнення, або до збільшення тимчасових витрат, при використовуванні програмних засобів застосовують алгоритм рішення рівняння (3.32) із заміною операції ділення іншими діями. Прикладом є алгоритм цифрового диференціального аналізатора (ЦДА), структурна схема якого приведена на рис. 3.11.

У основі його лежить визначення дискретного приросту DY_i при одиничному дискретному прирості DX_i. Аналіз виразу (2.32) показує, що

(3.33)

 

де r - похибка координати Y_i-I; (r +1/2) визначається дробовою частиною результату в дужках (3.32).

Відповідно до (3.33) можна зробити висновок, що DY_i = 1 в тому випадку, якщо

(Y_к-Y_п) +R ³ (X_к-X_п), (3.34)

 

де R=r (Х_к-Х_п) + (Х_к-Х_п) /2.

Апаратурна перевірка умови (3.34) може бути виконана за допомогою суматора SM1 і компаратора кодів. Інтерполяцію координат проміжних точок відрізка прямої по алгоритму ЦДА розглянемо на прикладі.

 

 

 

Рис.3.11.Блок-схема алгоритму роботи генератора векторів, що працює за принципом цифрового диференційного аналізатора: SM- суматор; Сч AWX; AWY- лічильники адреси запису

 

Приклад. Виконати інтерполяцію проміжних точок прямої, що задана координатами (Х_п = 2, Y_п=1, (Х_к=12, Y_к=5).

1. Відповідно до алгоритму відзначаємо початкову точку з координатами X_п; Y_п (рис 3.12).

2. Визначаємо (Х_к-Х_п) = 10 і (Y_к – Y_п)=4.

3. Даємо одиничний приріст по координаті X₁ =2+l=3 і виконуємо підсумовування значення 10/2+ 4= 9, порівнюючи набуте значення з (Х_к—Х_п) = 10. Оскільки умова (3.34) не виконується, то DY₁ =0. Відзначаємо точку з координатами Х₁=3; Y₁=1(R=9).

4. Даємо приріст по координаті X: X₂ =3+l=4, виконуємо підсумовування попереднього результату із значенням (Y_к – Y_п)=4, одержуємо в результаті 13, умова (3.34) виконується. Отже, D Y ₂=1. Відзначаємо точку з координатами X₂ =4; Y ₂=2. Віднімаємо з одержаної суми 10, одержуємо залишок R=3.

5. Продовжуємо операції відповідно до алгоритму, до значення Х = Х_к =12. Одержана апроксимація показана на рис 3.12, з якого видно, що відхилення апроксимуючих точок від прямої не перевищує половини одиниці дискретності.

Слід зазначити, що формули (3.30) - (3.34) і блок-схема алгоритму справедливі тільки для умови, коли | Y_к - Y_п | £ | Х_к- Х_п |. При порушенні цієї умови вираз (3.32) слідує замінити на

 

(3.35)

 

 

 

 

Рис. 3.12. Апроксимація відрізку прямої точеним ЕВ

 

Отже, блок-схему, алгоритму рис 3.11 треба доповнити операцією перевірки умови sign (| Y_к - Y_п | - | X_к – Х_п |),- залежно від виконання якого; здійснюється вибір рівняння (3.32), або (3.35) (sign позначає знак результату в круглих дужках). Крім того, необхідно також перевірити значення функцій sign (Х_к - Х_п) і sign (Y_к - Y_п), які визначають напрями приросту координат X і Y. При позитивному значенні вказаних функції адресні лічильники працюють в режимі підсумовування, а при негативному знаку - в режимі віднімання.