............................................................
ФОРМИРОВАНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ НА ЭКРАНЕ МОНИТОРА:
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ
(компиляция, продолжение)
............................................................
(с) Tertius Gaudens
2.4 Количество строк развертки
Z оределяется исходя из пространственной частотной харак-
теристики системы зрения. Установлено, что при расстояниях до
5-ти высот кадра достаточно Z = 660. При других угловых размерах
достаточно Z в пределах [720; 2400], т.е дальнейшее увеличение Z
не улучшает качество воспроизведения.
Для чересстрочной развертки в европейских ТВ системах при-
нято
А ох А ох
Z = Z 4 0 + Z 4 0 = 2Zп 4 0= 2(Zп + Zп ) = 625 =
= 575 + 50 = 2*312,5 = 2(288 + 24,5)
А
где Z 5 0- количество активных (воспроизводимых на экране)
строк кадра;
ох
Z - количество строк обратного хода (ОХ);
Zп - количество строк в поле.
Аналогично для НТСЦ
Z = 525 = 452 + 73 = 2*262,5 = 2(226 + 36,5)
Соответственно при построчной развертке на основе евро-
пейского ТВ стандарта
Z = 312 = 287 + 25
Для НТСЦ
Z = 262 = 225 + 37
Частота развертки строки в стандарте 50/625 составляет
F 4с 0= F 4к 0* Z = 25 Гц * 625 = 15,625 кГц
При этом допускаемое стандартом отклонение строчной часто-
ты составляет
F 4с 0= 15625 +/- 7 03 Гц
Отсюда можно получить допустимое отклонение кадровой час-
тоты.
Соответственно длительность строки составляет
Tc 4 0= 1/Fc 4 0= 64 мкс
при длительности ее активной части
A ох
Тc = Tc - Тc = 64 - 12 = 52 мкс
ох
где Т 4с 0 - длительность ОХ строки. А
В НТСЦ Fс 4 0= 29,97*525 = 15,734 кГц,
Тс 4 0= 63,55 мкс, Тс 5 0=52,6 мкс.
При построчной развертке требования к быстродействию по-
вышаются:
пр чр
Fк = 2Fк
Отсюда необходимо, чтобы или
пр чр
Fс = 2Fс ,
или
пр чр
Z = Z /2
Вляние Z на качество восприятия оценивается исходя из фак-
тической детальности изображения, которая составляет
А 2
N = (Ф*Z )
Учитывая логарифмический характер восприятия глаза, можно
А
вычислить, что уменьшение Z 5 0вдвое уменьшает количество
воспринимаемых элементарных деталей (элементов разложения
изображения, пиксел, ПЕЛ) только на 13%.
Из этого следует, что для качества восприятия Fк 4 0 имеет го-
А
раздо большее значение, чем Z . Именно поэтому при работе с
дисплеем больше подходит построчная развертка на основе НТСЦ, а
не европейский ТВ стандарт.
2.5 Полоса пропускания
Необходимая частота дискретизации видеосигнала fd 4
0зависит от частоты среза df, определяемой как максимальная
частота спектра относительно сигнала, разложенного в ряд Фурье.
При этом, согласно теореме Котельникова необходимо, чтобы fdmin
= 2df. Для гарантированного обеспечения качесва сигнала при его
обратном преобразовании в аналоговую форму fd 4 0выбирают,
исходя из условия
fd 4 0> fdmin = 2df
fd 4 0= Г*Fс
где Г 7 0- количество гармоник, на какие разлагается сигнал.
Отсюда можно получить общее выражение для разложения изоб-
ражения:
2
Тк = Ф*Z /(2df*hr)
A A
hr = (Z /Z)*(Тc /Tc)
где hr - коэффициент эффективности развертки.
Кстати, подставляя справочные значения, можно получить
625 525
hr = 0,75; hr = 0,71
В ПАЛ принята df = 5,5, в НТСЦ - 5,01, в СЕКАМ - 6,5 мГц.
Для всех ТВ систем принята fd 4 0= 13,5 мГц. Она является гар-
моникой частоты 2,25 мГц - наименьшего общего кратного в
системах с разложением на 525 (Г 7 0= 143) и 625 (Г 7 0= 144)
строк.
Отсюда для ПАЛ/СЕКАМ количество отсчетов - в строке Nx 4 0=
A
864, в активной части строкм Nx 5 0= 702, длительнлсть отсчета
td 4 0= 74,1 нс.
A
Для НТСЦ Nx = 858 и Nx = 710.
Поскольку при построчной развертке количество строк вдвое
менье, то значение Nx 4 0тоже соответственно уменьшается: для
ПАЛ/СЕКАМ fd 4 0= 6,75 МГц; td 4 0= 148,2 (приблизительно 7
0150) нс;
A
Nx 4 0= 432; Nx = 351; df = 3,375 МГц.
Сопоставим эти данные с требованиями к дискретизации зву-
ка. Диапазон, воспринимаемый ухом - 2 Гц...20 кГц. Исходя из
этого, частота дискретизации звука принята равной
зв зв
2df 5 0 < fd = 44 кГц
Это примерно в 2,6 раза выше, чем Fс.
2.6 Погрешность дискретизации
Для того, чтобы избежать геометричних искажений по гори-
зонтали (растягивания или сжатия), необходимо обеспечить
A A
Nx = Z *Ф
С учетом этого
A A A A
fdг 4г 0 = Nx/Тc = Z *Ф/Тc
A A
tdг = 1/fdг = Тc /Z *Ф
Отсюда желательная длительность дискретизации tdг 4
составит: для развёртки типа 50/625 - 67,83, для 60/525 -
87,28 нс. Поскольку длительность отображения элемента разложения
(пикселя, ПЭЛ) tпэл 4 0определяет размер ПЭЛ по горизонтали,
геометрическая погрешность дискретизации, %, составит
dг 4 0= [(td - tdг)/tdг]*100
Отсюда для 50/625 dг = +9%, для 60/525 dг = -15%.
2.7 Пример реализации
Рассмотрим возможность формирования сигналов ТВ синхрони-
зации на примере МК КР1816ВЕ31.
Учитывая, что этот МК содержит делитель на 12, максималь-
ная частота исполнения команд составляет 1 МГц (длительность
такта - 1мкс). Это позволяет непосредственно использовать МК.
───────────────────┬────────────────────┬───────
│Длительность, мкс │Погрешн.
Название ├───────────┬────────┼───┬───
│необхо- │обеспе- │ПЭЛ│ %
│димая │чиваемая│ │
───────────────────┼───────────┼────────┼───┼───
Передний уступ │1,5 +/- 0,3│ 2 │ 4 │0,8
Строчный синхроимп.│4,7 +/- 0,2│ 4 │ 4 │1,1
Выравнивающий имп. │2,35+/- 0,1│ 2 │ - │0,6
Синхроимп. поля │ 27,3 │ 28 │ - │1,1
Врезка │4,7 7 0+/- 0,2│ 4 │ - │1,1
Строчн. гасящий имп│12 7 0+/- 0,3│ 12 │ 0 │0
───────────────────┴───────────┴────────┴───┴───
Погрешность, создаваемая применением МК при td 4 0= 150
нс, определена через количество ПЭЛ и относительно длитель-
ности строки:
dN = (tз - tн)/td
dt 4 0= [(to - tн)/Tс]*100
где tз - длительность, которую обеспечивает МК;
tн - стандартная длительность.
3 Компьютерная графика
3.1 Восприятие
Попробуем рассмотреть некоторые особенности, отличающие
компьютерную графику от ТВ изображения.
В ТВ системотехнике генераторы строчной развертки и высо-
кого напряжения совмещены. Это приводит к некоторой зависи-
мости горизонталного размера изображения и его интегральной
яркости - и при воспроизведении компьютерной графики это имеет
больше значения, чем в случае ТВ картинки.
На различия в восприятии могут также влиять:
- внешняя засветка;
- интегральная яркость изображения;
- аудитория - ее количество, состав, эмоциональный наст-
рой, степень концентрации внимания (это я к тому, что, нап-
ример, просматривать демки в одиночку и "на фестивале" - две
большие разницы);
- угловой размер экрана - при большом размере проявляется
строчная структура изображения (чтобы этого избежать, в слу-
чае ТВ изображения применяют гребенчатый фильтр, удвоение строк,
повышение кадровой частоты и т.п.).
Качество стандартного ТВ разложения вполне удовлетвори-
тельно, если рассматривать его В ЦЕЛОМ (и то - при опреде-
ленных углах зрения, уровнях яркости, внешней засветки). Но
попробуйте сконцентроровать внимание на отдельных деталях
(например, на номере игрока при общем плане матча) - и что
тогда? Этим и объясняются повышенные требования к ТВЧ и ЭВМ.
Отдельного рассмотрения заслуживает синтез общего изобра- жения
из двух кадров при Fк 4 0= 50 Гц. Если оба исходных изоб-
ражения отличаются незначительно - тогда все в порядке. Но при
попытке, например, синтезировать новый цвет, зачастую
получается мерцающее изображение.
3.2 Отображение на Спектруме
Исходя из максимально допустимой тактовой частоы процессо-
ра Z80 Fпр 4 0= 3,5 МГц в большинстве Спектрумов принята такто-
вая частота Fси 4 0= 14 МГц (применяется также 14,5...15,0
МГц).
Соответственно, коэффициент пересчета -
kп = Fси:Fпр = 4
Частота выборки -
Fпэл 4 0= Fси/2 = 7 МГц
Следовательно, в стандарте 50/625 число гармоник строчной
частоты -
Г = Nx= Fcи : Fс 4 0= 7000 : 15,625 = 448
В то же время для 60/525
Г = 7000 : 15,734 = 444,9 (приблизительно)
Это указывает на несовместимость как с НТСЦ, так и с боль-
шинством современных компьютерных мониторов.
Длительность ПЭЛ -
tпэл = 1/Fпэл = 143 нс (приблизительно)
Отсюда показатели строчной развертки составят:
Tс = 64 мкс = 448 ПЭЛ
А
Tс = 52 мкс = 364 ПЭЛ
ох
Tс = 12 мкс = 84 ПЭЛ
/───────────────────────Tс───────────────────────/
│ А ох │
/──────────────────Tс────────────────────/──Tс───/
│ │tу tси │
/─tв─/─────────────tс──────────────/ /-/───/ │
│ │ │ │ │ │ │
/───/───/─┌───────────────────────────────────────┐─┬───┬──┐
│ │ Zв│ │ /─/-tзн 2 BORDER 2 │ │ │ │
│ │ /─│ ┌─┬───────────────────────────┐ │ │ │ │
│ │Zзн/─│ ├─┘ │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ PAPER 2 │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │ │
│ А│ │ │ │ │ │ │ │ │
│ Z │ Zр│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │ │
Z │ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ /─│ └─────────────────────────────┘ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ ох/───/─└───────────────────────────────────────┘─┴───┴──┤
│Z │Zси/─├───────────────────────────────────────┬─┬───┬──┤
│ │ │ │ │ │ │
/───/─────└───────────────────────────────────────┴─┴───┴──┘
При стандартной длительности строчного синхроимпульса 4,7
+/- 0,2 и его переднего уступа 1,5 +/- 0,3 мкс может быть реали-
зовано, соответственно
tси = 32 ПЭЛ = 4,6 мкс
tу = 10 ПЭЛ = 1,4 мкс
ох
В числе Z 5 0 = 25 строк содержатся Zси 4 0= 9 строк
синхрони- зации, из которых 3 средние строки отводятся под
кадровые синхроимпульсы, а прочие 6 - под выравнивающие (их при
рабо- те с мониторами обычно не формируют).
Информационное поле (PAPER) разбивается на знакоместа,
имеющие размерность 8х8 ПЭЛ:
tзн = 0,143*8 = 1,14 мкс
Zзм = 8 строк
Приняв, что формируемое изображение "раскрашивается" по
знакоместам, получим частоту дискретизации цвета:
цв
fd = fd/8 = 875 кГц
Цвет передают 3 бита RGB и 1 бит яркости, т.е. всего - 16
градаций, что соответствует количеству уверенно идентифици-
руемых цветов.
PAPER имеет размерность
tp = 36,6 мкс = 256 ПЭЛ = 32 знакоместа
Zp = 192 строки = 24 знакоместа
Ф = tp:Zp = 4:3
Обрамление информационного поля (BORDER) имеет размеры
A
tb = (Tc - tp)/2 = 7,7 мкс = 54 ПЭЛ
A
Zb = (Z - Zp)/2 = 48 строк
zx tv
При Fси 5 0= 14 МГц отклонение от Fси 5 0= 13,5 МГц -
3,7%, а геометрическая погрешность дискретизации составляет
zx tv
dг = +5,3% < dг = +9%
3.3 Реализация адресных счетчиков
Подсчет Nx 4 0= 448 особых трудностей не представляет. Для
этого достаточно двух четырехразрядных двоичных счетчиков
(типа ИЕ7) и одного T-триггера:
Nx 4 0= 448 = 16*28 = 16*(16 + 12)
С подсчетом же Z = 312 дело обстоит гораздо сложнее. В ка-
честве примера рассмотрим "ленинградский вариант". В нем
Z = 312 = 16*12 + 16*7 + 8
После того, как счетчики CTY1 и CTY2 совместно делают
16*12 = 192 отсчетов,
CTY2 устанавливается в состояние "8", и делается
16*7 = 112 отсчетов,
затем CTY1 устанавливается в состояник "7" и делает
остающи- еся 8 отсчетов.
Для реализации этого алгоритма используются 2 корпуса ИЕ7,
корпус ТМ2 и корпус ЛА3.
Разработчики "Пентагона" "пошли другим путем". Ничтоже
сумняшеся, они приняли Z = 320, чем, конечно, значительно
упростили себе жизнь:
Z = 320 = 256 + 64 = 16*10*2
В этом случае специальная схема дешифрации вообще не нужна
(правда, аппаратный выигрыш по сравнению с "ленинградским
вариантом" - практически никакой). При этом
320
Fк = 15,625 : 320 = 48,8 Гц
Это составляет отклонение от стандарта в -2,3%.
Утверждается, что за счет незначительного ухудшения эффек-
тивности и эргономики развертки эти самые дополнительные 8
строк обратного хода придают дополнительные возможности для
формирования динамического изображения. Мол, 512 мкс - это как
раз то, чего не хватает для полного счастья при кадровой частоте
прерываний.
Но... Вам оно надо?!
Удовлетворительную динамику, напомню, обеспечивает 25 Гц.
Следовательно, доостаточно делать прерывание только в каждом
втором, а, учитывая, что применяемая частота дискретизации в 2
раза меньше телевизионной, то и в каждом четвертом кадре.
* * *
