[科普中国]-彩色图形

70年代,显示装置大多采用光栅扫描、点矩阵显示形式,利用彩色电视机作为显示屏幕,电视机本身的扫描系统没有改装,而由一整套不同功能的逻辑电路进行控制。工作原理如图所示。

在电视系统中为了保持一帧画面,必须不断接受由电视台播送的电视画面信号。在显示装置的应用中,画面的信号来自主计算机或键盘。当这些信号消失后,显示装置仍将记忆这些画面,并在屏幕上显示出来;为了有记忆功能,必须要有存贮器,在画面保持时,画而存贮器严格受画存时序的控制。而画存时序又受到主控时序的严格控制,主控时序又同时产生显示器屏幕扫描所需的同步信号、光栅、光点信号。在一定时间内,画面存贮器读出一个地址内容(即画存码),此内容将指定产生R、G、B三色信号,经隔离电路则可加至显象管,以控制光点信号。上述过程是严格同步的,同时不断地循环工作着。此过程在电视屏幕上显示出一帧固定的画面。这类显示器有日本的YDDIC、法国的VG1610等等。1

70年代中期,摩托罗拉公司利用LSI技术首次做出了图形显示控制器即MC6845,此控制器可完成各种显示控制功能,但主要用于显示字符。它的出现使得显示装置硬件的原理大为简单,其字符显示是靠帧缓冲器来进行的,系统的CPU必须直接向帧缓冲器写入每个字符画存码。现今的大多数低档图示系统仍然采用此技术,由它构成的CRT显示装置原理如图所示。

由于显示装置的分辨率不高,屏幕画面象素较少,大都用软件的方法来实现图形画面的移动、放大,开窗等功能,但在分辨率较高时,则使计算机的负担过重,难以保证画面的速度。这在实时性要求较高的计算机系统中不可行,必须在硬件上考虑加以解决。1

由于对高级图形显示技术的要求日益迫切,1981年NEC公司率先推出了带有,硬件画图功能的高级图形显示控制器UPD7220,1954年日立公司推出了HD634s4,它是在MC6845的基础上增加了一个专用的画图存贮器,利用硬逻辑来解释CPU送来的高级画图命令,然后产生出所需的各种几何图形。由UPD7220构成的CRT图形显示器的原理框图如图所示。这类显示器有美国的AYDIN5215、湖南计算机厂生产的长岛DDX-—1等等。

长岛DDX—1是一种多通道显示装置,配有图形显示通道和字符显示通道各4路,可以高速显示各种图符和汉字,也可显示较高密度的复杂画面,它支待字符和图形两种显示方式,这两种复合的显示功能是通过两片UPD7220来实现的(仅对一个通道而言)。DDX—1在字符方式下,可进行图符和汉字显示,它将图符和汉字的代码及属性标志(即画存码)存入屏幕缓冲器中,并用于驱动字库和属性控制电路以产生所需求的显示。在图形方式下,UPD7220将以象素为单位加工图形,全部的图形按象素块方式存入画面缓冲器并加以显示。DDX—1系统的原理如图所示。1

1986年,得克萨斯仪器公司推出了图形处理器TMS34010,这是一种可完全编程的图形处理器。它不仅具备第一、二代图形显示控制器的全部功能,而且提供了一整套简单而通用的指令;不仅画图功能齐全,且还提供硬件的多窗口功能和图象块传送功能。此种图形处理器现已应用于许多高级图示系统,每次显示的颜色可达256种,分辨率达1600x1200象素。在其问世不久，英特尔公司推出了图形协处理器82786,它采用了图形处理器和显示处理器的设计思想,由计算机的两种表结构来分别驱动,其中图形处理器接受的表结构是各种画图命令和数据块传送命令,而显示处理器接受的表结构是各种显示命令和开窗命令。1

利用Matlab进行建立彩色图形点阵，使得彩色界面开发操作简单，且兼容性好，非常适合嵌入式系统人机界面的开发。同时，能够对所有TFT-LCD支持的图片进行转换，程序代码简单、容易掌握，生成的图形点阵无须任何转化便可直接应用嵌入式系统进行开发。 针对不同类型和显示色彩的TFT-LCD，只要稍微修改一下算法，即可生成合适的彩色图形点阵，通用性好。

液晶显示模块LM057DNAFWU—ANN内置显示存储器为184 KB．地址范围：00000H一2DFFFH．显示的起始地址为00000H．芯片可以通过81 H和84H组合向显示RAM写入数据．该模块显示色彩为64 K色，每个像素数据为16位的”5R6GSB”形式，数据存储从00000H单元开始，每2个单元与屏上的一个显示像素RGB对应，如00H·1 H单元对应为显示屏原点位置的像素，以此类推，偶数地址为一个像素数据的低8位，紧接的奇数位为高8位，

只要将彩色图片变成16位的像

素数据，并且输入模块对应的显存地址，即可实现彩色图片在LCD中显示．图像输入子程序流程如图所示，先计算显示图像首行的首地址，将图像点阵第一行从首地址逐个写入LCD的显示RAM，然后计算下一行的首地址，写入图像点阵下一行，以此类推，逐行写入图像点阵，最终实现图像在LCD中输出．2

如图所示。

我们把物体假想成由三角形面素组成, 通过坐标变换, 就是完成三维空间坐标到二维平面系统的线性变换, 加之阴影计算, 隐面处理, 扫描线和三角形面素组及表示范围的限制处理, 并导入光源, 改变视点位置, 使所描绘的物体图形可以缩小、扩大、旋转、阴影明暗分明, 具有真实感。

该程序可作为绘制陆地地形图、深海地形图、石油预测图、矿藏预测图、多面体z= f ( x， y ) 函数立体图的支撑软件。还可根据需要, 采用人机对话的方式, 进行图形的立体显示(其中包括图形的局部放大、左右上下移动、按计算灰度改变图形的颜色, 选取不同的比例因子等) , 以加深对绘图对象空间分布特性的认识。3

处理概要

原始数据的 输入跟已讨论过的等值线的输入形式一样。

( 1) 三角形面素的生成: 输人数据是一些格子点( xi, yi )的标高值, 顺次以相邻接的3 个格子 点构成一系列三角形面素。这样就把空间物体的表面假想成是由许多三角形面素组成的。

( 2 ) 投影变换: 三维空间的立体图表示在平面上是用投影的方法进行的。将三维空间坐标变换到投影面二维平面系统, 从而将所有空间物体的表示, 转换为二维平面的表示。

( 3) 隐面处理: 在绘制立体图形时, 只对看得见的部分加以表示, 删去看不见的部分, 这种技术称为隐面处理。

( 4 ) 阴影计算: 空间物体的表面, 随着视点的位置变化, 光源位置的变化, 明暗的程度会随着改变。对于给定的视点位置和光源位置进行物体明暗程度的计算, 该过程称为阴影计算。

( 5) 表示范围的处理: 各三角形面素的三顶点通过投影变换, 变成了投影面上 的三角形。扫描线和三角形相交时, 通常有两个交点, 如果交点处在显示屏幕指定的范围之外时, 就要进行表示范围的处理, 否则将会使图形发生畸变。表示范围的处理, 主要是将扫描线和三角形面素相交的左右端点进行修正, 将其限制在表示范围之内, 而将表示范围之外的部分删去。三维彩色图形的处理流程见图。

矿山、油田、深海开发方面

可显示各种形状的地下地质体( 矿体) 及由其在外空间产生的各种地球物理场的异常强度;曲线, 这样就可以在显示器上直观地通过不断修改地质体( 矿体) 的形状和空间位置的办法, 使之产生相应的理论异常曲线和实测的异常曲线吻合, 从而确定地质体( 矿体) 的形状、位置。便于异常解释。

用不同的色彩, 以不同的视角显示起伏地形条件下, 地下地质体( 矿体) 的形状、位置及地质体( 矿体)、地质构造、岩层产状三者之间的空间关系, 从而准确地确定诸如钻孔等位置, 用以指导矿床的勘探及矿山的开采设计。

地下构造的立体显示, 可以用于流体矿产及地下水的寻找及有关资料的解释。

工业设计方面

工业产品的外形设计, 如汽车、船舶的外形设计, 可通过图形显示器进行动态设计, 即显示初始设计方案, 然后通过人机对话进行修改。当然, 也可通过一定的算法, 让计算机自动设计出一个较佳方 案, 以及进一步研究由于外形变 化而引起材料施工的一系列变化。

建筑设计方面

建造一些大的建筑物, 往往都要根据设计思想, 先仿制地实物模型, 再进行修改。借助于高分辨率图形显示器, 可据设 计数据, 显示出立 体图形, 然后进行动态修改, 直至满意为止。再行输出修改后的设计数据。这样可大大地缩短设计周期。

医用诊断方面

医学事业的高速发展, 也给计算机图形处理技未 提出了更高的要求。

对某 些疾病的治疗, 如脑 肿瘤的诊断, 需要根据肿瘤的大小、位置、形状等来确定治疗方案。借助于C T 装置, 利用图象重建技术, 获得头部横断层图象。再对这些图象进行处理, 可测量出病变范围, 计算病变部分的大小, 可清楚地辨别出肿瘤、血块、坏死和 囊变组织等。当然, 在其它许多领域( 如商业广告)同 样离不开图形处理技术。可以肯定, 随着 高分辨率图形显示设备的普及, 这种酷似自然景物的计算机图形显示将具有强大的生命力。3