彩色圖形

計算機圖示技術對計算機的發展和套用有著極大的推動作用. 用彩色圖示技術研製的彩色螢幕顯示裝置現已成為計算機系統人機聯繫的重要設備。現今彩色圖示技術已廣泛套用於科研和生產之中。彩色圖形是指每個像素由R、G、B分量構成的圖像，其中R、G、B是由不同的灰度級來描述的。

基本介紹

• 中文名：彩色圖形
• 外文名：color graphics
• 內容：由R、G、B分量構成的圖形
• 隸屬：多光譜成像
• 內容：由R、G、B分量構成的圖形
• 基礎：三基色模型

原理及套用

無圖形顯示控制器

70年代,顯示裝置大多採用光柵掃描、點矩陣顯示形式,利用彩色電視機作為顯示螢幕,電視機本身的掃描系統沒有改裝,而由一整套不同功能的邏輯電路進行控制。工作原理如圖所示。

無C R T 控制器的字元顯示原理

在電視系統中為了保持一幀畫面,必須不斷接受由電視台播送的電視畫面信號。在顯示裝置的套用中,畫面的信號來自主計算機或鍵盤。當這些信號消失後,顯示裝置仍將記憶這些畫面,並在螢幕上顯示出來;為了有記憶功能,必須要有存貯器,在畫面保持時,畫而存貯器嚴格受畫存時序的控制。而畫存時序又受到主控時序的嚴格控制,主控時序又同時產生顯示器螢幕掃描所需的同步信號、光柵、光點信號。在一定時間內,畫面存貯器讀出一個地址內容(即畫存碼),此內容將指定產生R、G、B三色信號,經隔離電路則可加至顯象管,以控制光點信號。上述過程是嚴格同步的,同時不斷地循環工作著。此過程在電視螢幕上顯示出一幀固定的畫面。這類顯示器有日本的YDDIC、法國的VG1610等等。

第一代圖形顯示控制器

70年代中期,摩托羅拉公司利用LSI技術首次做出了圖形顯示控制器即MC6845,此控制器可完成各種顯示控制功能,但主要用於顯示字元。它的出現使得顯示裝置硬體的原理大為簡單,其字元顯示是靠幀緩衝器來進行的,系統的CPU必須直接向幀緩衝器寫入每個字元畫存碼。現今的大多數低檔圖示系統仍然採用此技術,由它構成的CRT顯示裝置原理如圖所示。

C6845構成的CRT顯示器原理

由於顯示裝置的解析度不高,螢幕畫面象素較少,大都用軟體的方法來實現圖形畫面的移動、放大,開窗等功能,但在解析度較高時,則使計算機的負擔過重,難以保證畫面的速度。這在實時性要求較高的計算機系統中不可行,必須在硬體上考慮加以解決。

第二代圖形控制器

由於對高級圖形顯示技術的要求日益迫切,1981年NEC公司率先推出了帶有,硬體畫圖功能的高級圖形顯示控制器UPD7220,1954年日立公司推出了HD634s4,它是在MC6845的基礎上增加了一個專用的畫圖存貯器,利用硬邏輯來解釋CPU送來的高級畫圖命令,然後產生出所需的各種幾何圖形。由UPD7220構成的CRT圖形顯示器的原理框圖如圖所示。這類顯示器有美國的AYDIN5215、湖南計算機廠生產的長島DDX-—1等等。

長島DDX—1是一種多通道顯示裝置,配有圖形顯示通道和字元顯示通道各4路,可以高速顯示各種圖符和漢字,也可顯示較高密度的複雜畫面,它支待字元和圖形兩種顯示方式,這兩種複合的顯示功能是通過兩片UPD7220來實現的(僅對一個通道而言)。DDX—1在字元方式下,可進行圖符和漢字顯示,它將圖符和漢字的代碼及屬性標誌(即畫存碼)存入螢幕緩衝器中,並用於驅動字型檔和屬性控制電路以產生所需求的顯示。在圖形方式下,UPD7220將以象素為單位加工圖形,全部的圖形按象素塊方式存入畫面緩衝器並加以顯示。DDX—1系統的原理如圖所示。

D D X 一 l 型多功能彩色顯示裝置原理

1986年,德克薩斯儀器公司推出了圖形處理器TMS34010,這是一種可完全編程的圖形處理器。它不僅具備第一、二代圖形顯示控制器的全部功能,而且提供了一整套簡單而通用的指令;不僅畫圖功能齊全,且還提供硬體的多視窗功能和圖象塊傳送功能。此種圖形處理器現已套用於許多高級圖示系統,每次顯示的顏色可達256種,解析度達1600x1200象素。在其問世不久，英特爾公司推出了圖形協處理器82786,它採用了圖形處理器和顯示處理器的設計思想,由計算機的兩種表結構來分別驅動,其中圖形處理器接受的表結構是各種畫圖命令和數據塊傳送命令,而顯示處理器接受的表結構是各種顯示命令和開窗命令。

圖形點陣

利用Matlab進行建立彩色圖形點陣，使得彩色界面開發操作簡單，且兼容性好，非常適合嵌入式系統人機界面的開發。同時，能夠對所有TFT-LCD支持的圖片進行轉換，程式代碼簡單、容易掌握，生成的圖形點陣無須任何轉化便可直接套用嵌入式系統進行開發。 針對不同類型和顯示色彩的TFT-LCD，只要稍微修改一下算法，即可生成合適的彩色圖形點陣，通用性好。

彩色點陣顯示原理

液晶顯示模組LM057DNAFWU—ANN內置顯示存儲器為184 KB．地址範圍：00000H一2DFFFH．顯示的起始地址為00000H．晶片可以通過81 H和84H組合向顯示RAM寫入數據．該模組顯示色彩為64 K色，每個像素數據為16位的”5R6GSB”形式，數據存儲從00000H單元開始，每2個單元與屏上的一個顯示像素RGB對應，如00H·1 H單元對應為顯示屏原點位置的像素，以此類推，偶數地址為一個像素數據的低8位，緊接的奇數位為高8位，

圖像輸出子程式流程圖

只要將彩色圖片變成16位的像

素數據，並且輸入模組對應的顯存地址，即可實現彩色圖片在LCD中顯示．圖像輸入子程式流程如圖所示，先計算顯示圖像首行的首地址，將圖像點陣第一行從首地址逐個寫入LCD的顯示RAM，然後計算下一行的首地址，寫入圖像點陣下一行，以此類推，逐行寫入圖像點陣，最終實現圖像在LCD中輸出．

彩色圖形點陣生成

如圖所示。

彩色圖像點陣生成流程圖

軟體

功能設計

我們把物體假想成由三角形面素組成, 通過坐標變換, 就是完成三維空間坐標到二維平面系統的線性變換, 加之陰影計算, 隱面處理, 掃描線和三角形面素組及表示範圍的限制處理, 並導入光源, 改變視點位置, 使所描繪的物體圖形可以縮小、擴大、旋轉、陰影明暗分明, 具有真實感。

該程式可作為繪製陸地地形圖、深海地形圖、石油預測圖、礦藏預測圖、多面體z= f ( x， y ) 函式立體圖的支撐軟體。還可根據需要, 採用人機對話的方式, 進行圖形的立體顯示(其中包括圖形的局部放大、左右上下移動、按計算灰度改變圖形的顏色, 選取不同的比例因子等) , 以加深對繪圖對象空間分布特性的認識。

處理概要

原始數據的 輸入跟已討論過的等值線的輸入形式一樣。

( 1) 三角形面素的生成: 輸人數據是一些格子點( x_i, y_i )的標高值, 順次以相鄰接的3 個格子 點構成一系列三角形面素。這樣就把空間物體的表面假想成是由許多三角形面素組成的。

繪製三維彩色圖形流程圖

( 2 ) 投影變換: 三維空間的立體圖表示在平面上是用投影的方法進行的。將三維空間坐標變換到投影面二維平面系統, 從而將所有空間物體的表示, 轉換為二維平面的表示。

( 3) 隱面處理: 在繪製立體圖形時, 只對看得見的部分加以表示, 刪去看不見的部分, 這種技術稱為隱面處理。

( 4 ) 陰影計算: 空間物體的表面, 隨著視點的位置變化, 光源位置的變化, 明暗的程度會隨著改變。對於給定的視點位置和光源位置進行物體明暗程度的計算, 該過程稱為陰影計算。

( 5) 表示範圍的處理: 各三角形面素的三頂點通過投影變換, 變成了投影面上 的三角形。掃描線和三角形相交時, 通常有兩個交點, 如果交點處在顯示螢幕指定的範圍之外時, 就要進行表示範圍的處理, 否則將會使圖形發生畸變。表示範圍的處理, 主要是將掃描線和三角形面素相交的左右端點進行修正, 將其限制在表示範圍之內, 而將表示範圍之外的部分刪去。三維彩色圖形的處理流程見圖。

套用前景

礦山、油田、深海開發方面

1. 可顯示各種形狀的地下地質體( 礦體) 及由其在外空間產生的各種地球物理場的異常強度;曲線, 這樣就可以在顯示器上直觀地通過不斷修改地質體( 礦體) 的形狀和空間位置的辦法, 使之產生相應的理論異常曲線和實測的異常曲線吻合, 從而確定地質體( 礦體) 的形狀、位置。便於異常解釋。
   
2. 用不同的色彩, 以不同的視角顯示起伏地形條件下, 地下地質體( 礦體) 的形狀、位置及地質體( 礦體)、地質構造、岩層產狀三者之間的空間關係, 從而準確地確定諸如鑽孔等位置, 用以指導礦床的勘探及礦山的開採設計。
   
3. 地下構造的立體顯示, 可以用於流體礦產及地下水的尋找及有關資料的解釋。
   

工業設計方面

工業產品的外形設計, 如汽車、船舶的外形設計, 可通過圖形顯示器進行動態設計, 即顯示初始設計方案, 然後通過人機對話進行修改。當然, 也可通過一定的算法, 讓計算機自動設計出一個較佳方 案, 以及進一步研究由於外形變 化而引起材料施工的一系列變化。

建築設計方面

建造一些大的建築物, 往往都要根據設計思想, 先仿製地實物模型, 再進行修改。藉助於高解析度圖形顯示器, 可據設 計數據, 顯示出立 體圖形, 然後進行動態修改, 直至滿意為止。再行輸出修改後的設計數據。這樣可大大地縮短設計周期。

醫用診斷方面

醫學事業的高速發展, 也給計算機圖形處理技未 提出了更高的要求。

對某 些疾病的治療, 如腦 腫瘤的診斷, 需要根據腫瘤的大小、位置、形狀等來確定治療方案。藉助於C T 裝置, 利用圖象重建技術, 獲得頭部橫斷層圖象。再對這些圖象進行處理, 可測量出病變範圍, 計算病變部分的大小, 可清楚地辨別出腫瘤、血塊、壞死和 囊變組織等。當然, 在其它許多領域( 如商業廣告)同 樣離不開圖形處理技術。可以肯定, 隨著 高解析度圖形顯示設備的普及, 這種酷似自然景物的計算機圖形顯示將具有強大的生命力。