Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/TI/D19840628Elc025.shtml

Повышение разрешающей способности с помощью видеопроцессора нового поколения

Марк Киснер (Mark Kisner)
Фирма Texas Instruments Inc. Corp. (Хьюстон, шт.Техас)

Джин Лэдд (Jean Ladd)
Фирма Texas Instruments Inc. Corp. (Хьюстон, шт.Техас)

Mark Kisner, Jean Ladd. A new-generation video processor boosts resolution, pp.121 —124.

Приведено описание видеопроцессорной И С, которая упрощает проектирование и изготовление недорогих графических терминалов и компьютеров, а также реализует режимы, позволяющие ей функционировать независимо от главной системы.

Новые видеодисплейные процессоры в настоящее время играют важную роль в снижении стоимости прикладных средств, предъявляющих высокие требования к отображению информации. В своей совокупности персональные компьютеры, учрежденческие терминалы, промышленные и медицинские приборы, информационные системы, оборудование для машинного обучения с помощью видеодисковых устройств и электронная аппаратура развлекательного назначения являются лишь верхушкой «айсберга», где найдет применение усовершенствованная и вместе с тем недорогая обработка видеоизображений.

Одно из устройств нового семейства усовершенствованных процессоров видеоизображений фирмы Texas Instruments, модель AVDP (рис.1), созданное с целью удовлетворения этой потребности, отвечает всем требованиям Североамериканского стандарта на синтаксис протокола уровня представления (NAPLPS). Более того, новый видеопроцессор удовлетворяет не только основным требованиям NAPLPS, но и наделен многими дополнительными возможностями. В число последних входят, например, способность к воспроизведению 40- и 80-колонного цветного текста; плавная протяжка изображения в горизонтальном или вертикальном направлении; наложение на обычный видеокадр алфавитно-цифровых или графических символов; табличное управление графикой, использование сложных спрайтов (элементов-фантомов) для получения более совершенной мультипликации; перемещение блоков информации; прямой доступ к видеопамяти со стороны главного процессора; наличие генератора сложных звуков; выбор цвета программными средствами, а также ряд других. Видеопроцессор AVDP обладает также очень высокой разрешающей способностью, которая согласуется с соответствующим показателем действующего в США телевизионного стандарта (НТСЦ). Другой вариант AVDP имеет аналогичную совместимость с принятым в Западной Европе телевизионным стандартом ПАЛ.

Интерфейсы. Возможности нового процесса видеоизображений идут дальше тех требований, которые предъявляются Североамериканским стандартом на синтаксис
Рис.1. Интерфейсы. Возможности нового процесса видеоизображений идут дальше тех требований, которые предъявляются Североамериканским стандартом на синтаксис протокола уровня представления (NAPLPS). Например, при использовании порта синхронизации на изображение, формируемое внешними видеосигналами, могут быть наложены изображение и текст, хранимые в памяти процессора.

Совершенно естественно, что новый видеопроцессор должен иметь соответствующие интерфейсы, встроенные в оба его варианта. Конструкция интерфейсов должна быть выбрана так, чтобы каждый из них можно было разместить в корпусе ИС с двухрядным расположением 40 или 48 выводов. Во-первых, видеопроцессор реализует универсальный интерфейс с главным центральным процессором, используя для этой цели шины данных и адресов, а также управляющие линии. Во-вторых, он сопрягается непосредственно со стандартными динамическими ЗУПВ емкостью 16К*4 и 64К*1 бит, обеспечивая непрерывную циклическую регенерацию путем подачи требуемых управляющих сигналов для динамического ЗУПВ: команд чтения/записи, строба адреса строки (RAS) и строба адреса столбца (CAS).

Наконец, выход видеопроцессора должен быть связан с монитором или (через внешний видеокодер и ВЧ-модулятор) со стандартным телевизионным приемником. Благодаря наличию порта синхронизации для подключения внешних видеоустройств прикладного назначения процессор может накладывать на поступающие видеоизображения текст, образы, генерируемые компьютером, и прочую графическую информацию.

Главный ЦП может загружать динамическое ЗУПВ либо через видеопроцессор AVDP, либо используя наличие у этого процессора возможности прямого доступа к памяти. Изображение, вводимое в ЗУПВ, кодируется применительно к одному из двух возможных графических режимов: поэлементного и табличного управления воспроизведением графики. При оснащении надлежащим буфером выход процессора может быть использован для непосредственного управления RGB-монитором. Альтернативой здесь является использование цветоразностного видео-выхода (красный цвет минус полный видеосигнал, синий цвет минус полный видеосигнал и полный видеосигнал). Этот видеовыход может быть закодирован для управления видеомонитором или еще и промодулирован для работы со стандартным телевизионным ВЧ-приемником.

«Оживление» изображения

Изображение на экране можно сменять или вводить в него элементы мультипликации путем засылки центральным процессором совершенно новой информации в динамическое ЗУПВ. Однако способность видеопроцессора перемещать блоки информации позволяет в значительной степени разгрузить ЦП от выполнения этой задачи. Существенную часть изображения на дисплее, определяемую блоками данных в динамическом ЗУПВ, можно перемещать из одного места экрана в другое при условии, что ЦП будет указывать адреса исходного и конечного положений перемещаемого блока. В случаях текстовой обработки для оптимизации операций вставки отрывков текста, а также отдельных строк и слов может быть использована инструкция перемещения блока. Если коды адресов блоков задаются, то на выполнение операции над ними уходит значительно меньше времени и уменьшаются накладные затраты ЦП по сравнению со случаем, когда ЦП производит полную перезагрузку динамического ЗУПВ.

Видеопроцессор наделен возможностью производить сложные операции над спрайтами. Он способен работать с 32-аппаратно-генерируемыми представлениями изображений, одновременно выводя на экран до 10 таких представлений. Этим путем также достигается существенная разгрузка ЦП в тех случаях, когда возникает необходимость в вопроизведении элементов мультипликации. ЦП может задавать спрайты с помощью простой инструкции, направляемой видеопроцессору, и посредством двух байтов определять место спрайта на экране. Если эти два байта изменять, то спрайт будет быстро перемещаться по экрану на фоне неподвижной картины. Как и в случае перемещения блоков, спрайты делают мультипликацию более реалистичной, хотя для их использования требуются относительно небольшие накладные затраты со стороны программных средств или памяти ЦП. Кроме того, можно легко управлять (строка за строкой) цветом спрайта, так что метод спрайтов отличается высокой степенью гибкости.

Для изменения изображения в реальном времени (в любой момент цикла воспроизведения) можно также пользоваться программируемым прерыванием, вводимым в конце развертки строки. С помощью такого прерывания главный ЦП способен направлять работу видеопроцессора по нескольким различным путям: можно реализовать переключение режима работы этого процессора с текста на графику и обратно, изменение таблицы спрайтов и, скажем, удвоение числа отображаемых на экране спрайтов или изменение цветовой палитры для получения иных оттенков.

Кроме того, имеется возможность отдельной обработки верхней части воспроизводимого изображения, а также нижней или других его частей; например, текст, помещенный в нижней части, можно отделить от воспроизводимых с высоким разрешением картин в верхней части изображения и вносить изменения отдельно в каждую из частей. Другой путь применения этой возможности состоит в воспроизведении сложных картин, когда в верхнюю часть картины необходимо, например, ввести несколько оттенков синего цвета, чтобы выделить некоторые детали на изображении неба и придать ему требуемую текстуру. В нижней части той же картины может оказаться необходимым введение оттенков зеленого или коричневого цвета, чтобы придать изображаемому ландшафту большую объемность посредством теней на траве и земле. Кроме того, можно будет на воспроизводимой картине внизу воспроизвести четыре-пять строк текста.

Помимо всех этих приемов, позволяющих придавать большую выразительность построенной картине, и использования элементов мультипликации можно также осуществлять плавную «протяжку» фоновых изображений картины и объектов вверх или вниз или из стороны в сторону, выполняя ее медленно или быстро и таким способом, чтобы это было приятно для глаза. В режиме воспроизведения текста также может использоваться протяжка, при которой просматриваемая страница движется по экрану вверх или вниз, причем есть возможность в ходе этой процедуры перемещать части страницы с целью вставки требуемых отрывков текста. Текст, помимо этого, можно воспроизводить либо в таком стандартном цвете, который контрастирует с фоном, либо применять для вывода текста несколько различных цветов. Например, можно воспроизводить другим цветом слова с ошибками, использовать особый цвет для подчеркивания выделяемых слов или даже обеспечивать мигание отдельных частей текста или картины на экране.

Структура видеопроцессорной ИС

Видеопроцессорная ИС объединяет целый набор различных функциональных средств (рис.2). Помимо видеопроцессорного интерфейса с главным ЦП в схеме имеются 8-разрядная двунаправленная шина данных, три управляющих линии, как правило, соединяемые с адресным выходом главного ЦП, и линия прерывания. Данные, поступающие по трем линиям управления, должны подвергаться декодированию посредством внешней логики выбора устройства. Хотя каждый главный микропроцессор обычно нуждается в индивидуальной подгонке к видеопроцессорной системе, большинство вытекающих отсюда требований удовлетворить довольно просто.

Устройство ИС. Способность видеопроцессора перемещать блоки информации и управлять спрайтами приводит к уменьшению цикла главного ЦП системы. ИС проце
Рис.2. Устройство ИС. Способность видеопроцессора перемещать блоки информации и управлять спрайтами приводит к уменьшению цикла главного ЦП системы. ИС процессора справляется с обоими возможными режимами управления дисплеем — поэлементным и табличным. Изображение или текст хранится в динамическом ЗУПВ, содержимое которого можно быстро перестроить, воспользовавшись функцией пересылки блоков.

Например, не требуется никакой адаптации ЦП для управления динамическими ЗУПВ стандартной конфигурации. Видеопроцессор непосредственно выдает в схему управления регенерацией изображения такие стандартные сигналы, как чтение/запись (R/W), стробы RAS и CAS, а также предоставляет в ее распоряжение шины адресов и данных.

Память, которой оснащена микросхема AVDP, может иметь несколько конфигураций. Видеопроцессор способен непосредственно взаимодействовать с памятью на основе ЗУПВ общей емкостью 16, 32 или 64 кбайт. Например, два динамических ЗУПВ емкостью по 16К*4 бит позволяют получить память объемом 16 кбайт, тогда как четыре таких ЗУПВ — 32-кбайт память. Восемь ЗУПВ емкостью по 64К*1 бит достаточны для построения памяти объемом 64 кбайт, которую можно скомпоновать всего из двух новых ЗУПВ с организацией 64К*4 бит.

Видеопроцессор имеет возможность взаимодействовать и с памятью даже большего объема, если главный микропроцессор осуществляет необходимый выбор среди нескольких банков памяти, которые видеопроцессор сможет затем адресовать. Более того, при использовании страничной организации память может быть построена таким образом, что один банк памяти обеспечит низкое разрешение, эквивалентное, например, всего 12 кбайт для быстрого получения мультипликации, тогда как другие блоки будут иметь большее адресное пространство для воспроизведения изображений с высоким разрешением. При такой организации памяти на дисплее могут воспроизводиться последовательные картины, формируемые в страничном режиме памяти, при одновременном обновлении тех картин, которые не отображаются в текущий момент.

Если на экран выведена картина со спрайтами в виде мультипликаций, то в задачу видеопроцессора входит слежение за сталкивающимися спрайтами, что является весьма важным моментом в видеоиграх. В подобных приложениях видеопроцессор избавляет ЦП от необходимости запоминать, скажем, момент, когда спрайт «ракета-убийца» поражает спрайт «космический корабль».

32 спрайта разбиты на восемь групп. Когда происходит столкновение спрайтов, оно отмечается в одном из регистров процессора спрайтов, откуда главный ЦП и узнает о происшедшем событии. Благодаря размеру регистра — восемь разрядов — и его структуре, рассчитанной на восемь групп спрайтов, процессор спрайтов может обнаруживать в рамках одного события столкновения между восемью различными группами спрайтов.

Организовать столкновение между спрайтами несложно. Поскольку координаты спрайта точно определяются координатами соответствующих графических элементов, спрайты можно передвигать и позиционировать с высокой точностью. Предусмотрены спрайты нескольких размеров: 8*8, 16*16 и 32*32 элемента изображения.

Слежение

Если происходит стычка-столкновение спрайтов, то фоновую картину, контролируемую горизонтальным и вертикальным счетчиками видеопроцессора, можно подвергнуть «прокрутке» в любом направлении. Чтобы изменить адрес (на экране дисплея), а следовательно, и ячейку динамического ЗУПВ, из которой первоначально выбирались строки развертки, можно воспользоваться 8-разрядными горизонтальным и вертикальным регистрами прокрутки для внесения в соответствующие счетчики смещения адреса.

Можно осуществлять прокрутку от 1 до 256 элементов изображения одновременно, так что обеспечивается очень плавное управление. Аналогично три регистра и сопряженные с ними счетчики управляют реализацией функции перемещения блоков информации как в текстовом, так и в графическом режимах.

Контроллерная схема приоритетов и атрибутов организует законченную систему приоритетов при воспроизведении изображений. В первую очередь отображаются спрайты (если должен запрашиваться хотя бы какой-то из них), после чего задается приоритет их вывода на экран. При отсутствии спрайтов на экране воспроизводится информация из запоминающей плоскости основных графических или текстовых образов. Если выбранная плоскость окажется прозрачной для системы, то на экране появится изображение, задаваемое внешним видеосигналом (либо не появится ничего).

Другими словами, дисплей можно рассматривать как набор плоскостей с изображениями, организованных в иерархическом порядке и при воспроизведении накладывающихся одна на другую (рис.3). Спрайтам, объектам или плоскостям, занимающим ближайшее к наблюдателю положение, присваиваются наивысшие приоритеты. Если объекты в различных плоскостях занимают одно и то же пространственное положение, то будет отображен тот из них, который является ближайшим к наблюдателю (имеет наивысший приоритет). Таким образом, чтобы на экран попал объект, расположенный на одной из задних плоскостей, у всех находящихся перед ним плоскостей должны быть прозрачны расположенные непосредственно перед объектом участки. За плоскостями спрайтов следует плоскость стандартных изображений, на которой располагается текст или графика, построенные в соответствующих режимах. Внешний видеосигнал записывается на плоскость, имеющую самый низкий приоритет, и определяется внешним источником.

Спрайты. На экране дисплея можно одновременно воспроизвести до 32 спрайтов — особых изображений, которые генерируются аппаратным путем. Каждый спрайт
Рис.3. Спрайты. На экране дисплея можно одновременно воспроизвести до 32 спрайтов — особых изображений, которые генерируются аппаратным путем. Каждый спрайт может размещаться на отдельной плоскости и иметь свой собственный приоритет. Вместе с плоскостями спрайтов на экране могут отображаться плоскости фона, стандартных графических образов и внешней видеоинформации.

Интерфейс с внешним источником

Наличие интерфейса с внешним источником видеосигналов делает возможным каскадное подключение дополнительного видеопроцесса или осуществление синхронизации этого источника. Для сопряжения с источником действующего видеосигнала от последнего в первую очередь следует отделить полный сигнал синхронизации и направить его на AVDP для независимой обработки. Чтобы внешний сигнал сделать видимым, необходимо выполнить две процедуры: во-первых, следует задать прозрачность как один из цветов палитры; во-вторых, в плоскостях с более высоким приоритетом всем элементам, которые, возможно, будут воспроизведены, нужно присвоить то же значение — «прозрачность.»

Помимо определения приоритетов для изображения контроллер приоритетов и атрибутов, действуя под управлением главного ЦП, устанавливает, какие 16 цветов из 512-цветной палитры (или какие уровни яркостной шкалы в случае черно-белого монитора) должны отображаться. Для этой цели контроллер использует 4-разрядную шину, связывающую его с блоком цветовой палитры. Палитра в свою очередь производит перекодирование выбранных цветов в набор RGB- или цветоразностных кодов, которые подлежат преобразованию в аналоговые выходы посредством встроенного ЦАП. Для воспроизведения плоского изображения, имеющего, как правило, четкие края, будет достаточно использовать 4—8 цветов; применение 16 цветов позволит воспроизвести оттенки, которые придадут изображению объемность.

Пользователь может также выбирать между дисплеями с поэлементным и табличным методами управления. При высокой разрешающей способности поэлементное управление позволяет полностью передать цветовые оттенки, создающие эффект объемности: каждый элемент может иметь свой отличный от других цвет. Дисплеи с табличным управлением обеспечивают сжатие данных, что позволяет строить изображения на основе значительно меньшего числа байтов данных, чем того требуют дисплеи с поэлементным управлением, однако в этом случае приходится жертвовать разрешающей способностью по цвету. Отсюда можно сделать вывод, что экономия памяти обеспечивается компромиссом при выборе разрешения по цвету, объема программных средств ЦП и накладных затрат ресурсов.

Два текстовых и четыре графических режима видеопроцессора выполняются с использованием табличного управления. Исключение составляет пятый графический режим, реализуемый поэлементным управлением и обеспечивающий разрешающую способность 256*210 элементов изображения. Текстовой режим обеспечивает формат 40 или 80 столбцов на 24 строки при использовании шрифта такого размера, когда один знак воспроизводится матрицей 6*8 элементов. Три из четырех графических режимов с табличным управлением характеризуются разрешением 256*192 элемента изображения. В первом из них изображение воспроизводится блоками форматом 8*8, во втором — блоками 8*1 и в третьем — 4*2. Четвертый графический режим позволяет получать разрешение 512*192 элемента изображения, которое воспроизводится блоками форматом 8*1 элемент.

Как видно из рис.4, табличные области динамического ЗУПВ, которые используются для генерации плоскости стандартного изображения, носят следующие названия: таблица имен образов, таблица генератора образов и таблица цветов образов. Например, при работе в одном из графических режимов эти таблицы занимают 2848 байт памяти. Таблица генератора образов может содержать библиотеку из 256 образов по 8 байт (8*8 элементов изображения) каждый, т.е. 2048-байт блок. Естественно, что размер библиотеки окажется меньше, если используются не все 256 образов. В таблице имен образов насчитывается 768 байт, каждый из которых выбирает один из 256 образов. Таблица цветов образов содержит 32 позиции по одному байту, причем каждая такая позиция определяет два цвета.

Карты памяти. Использование таблично управляемых карт памяти позволяет экономить объем ЗУПВ. Четыре из пяти графических режимов и оба текстовых режима
Рис.4. Карты памяти. Использование таблично управляемых карт памяти позволяет экономить объем ЗУПВ. Четыре из пяти графических режимов и оба текстовых режима описываемого процессора позволяют воспроизводить изображение на экране одним и тем же способом табличного управления дисплеем. В пятом графическом режиме применено поэлементное управление по всему формату растра.

Когда производится загрузка набора образов в таблицу генератора образов, манипуляции содержимым таблицы имен или изменение генераторной таблицы будут приводить к перемене содержания картины, воспроизводимой на экране. В этом графическом режиме экран дисплея разбивается на 32 столбца и 24 строки, т.е. в общей сложности на 768 блоков, каждый из которых характеризуется разрешением 8*8 элементов изображения: 256 элементов располагаются по горизонтали и 192 — по вертикали. В других режимах работы видеопроцессора используются аналогичные организации таблиц и формат экрана.

Еще и звук

Наконец, микросхема видеопроцессора оснащена генератором звука. Каждые современные персональный компьютер и терминал предоставляют в том или ином объеме возможность звукового взаимодействия с оператором. Генератор видеопроцессора может быть поставлен в режим, обеспечивающий выполнение этих простых общепринятых задач. Процессор предоставляет и значительно более широкие возможности управления встроенным звуковым генератором, который состоит из трех генераторов тока, а также генератора шума и может для взаимодействия с пользователем синтезировать музыку. Генераторы тока перекрывают звуковой диапазон от 120 Гц до 20 кГц, обеспечивая ослабление в пределах 2—28 дБ за 15 шагов.

Видеопроцессор AVDP хорошо подходит для реализации систем видеотекса и телетекста благодаря тому, что его соответствие стандарту NAPLPS гарантирует совместимость со стандартами США на информационные системы. Одна микросхема обеспечивает всю необходимую обработку видеоинформации в случае и алфавитно-цифровых и графических дисплеев.

Двусторонний обмен информацией видеотекса осуществляется по телефонным линиям через стандартные модемы с пропускной способностью 1200 бит/с. Главный микропроцессор интерпретирует поступающие NAPLPS-данные и записывает их в динамическое ЗУПВ. При воспроизведении 16 цветов и разрешающей способности 256*200 элементов изображения стандарт NAPLPS требует использования 27-кбайт динамического ЗУПВ. Необходимый объем памяти может быть обеспечен четырьмя динамическими ЗУПВ, а процессор AVDP способен предоставить все необходимые средства видеоинтерфейса и синхронизации для регенерации и воспроизведения изображения на экране монитора.

Родительская статья:

Сглаживание ступенчатых линий путем фазирования элементов изображения

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 57, No.13 (694), 1984г - пер. с англ. М.: Мир, 1984, стр.35

Electronics Vol.57 No.13 June 28, 1984 A McGraw-Hill Publication

Mark Kisner, Jean Ladd. A new-generation video processor boosts resolution, pp.121 —124.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Вычислительная техника





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/TI/D19840628Elc025.shtml