稀疏矢量光柵化的製作方法

2023-08-11 11:19:56

專利名稱：稀疏矢量光柵化的製作方法
技術領域：
本發明涉及數字式示波器的顯示，更具體地說，涉及對採集的波形數據進行處理，以便為這樣一種示波器產生灰度光柵掃描顯示的方法。
數字式示波器一般都採用光柵掃描顯示器把電信號的活動呈現給它們的用戶。每一種光柵掃描顯示器，諸如我們每天在計算機屏幕上看到的，都由象素的二維矩陣組成，其中每一個象素單元都是由行號和列號唯一地確定。這種類型顯示器中最簡單和最便宜的一種是「一位」顯示器，之所以這樣稱呼，是因為它們由其中得到準備顯示的信息用的存儲器只有一位與每一個象素相聯繫的亮度信息。在這樣一種顯示器中，這一位信息決定與此相關的象素是「亮」還是「滅」，「亮」就決定了該象素以預定的亮度來點亮，而「滅」則表示該象素完全不被點亮。
對一位顯示器的比較複雜且比較昂貴的替代方案是多位或灰度顯示器。與灰度顯示器每一位相聯繫的存儲器單元含有多位的亮度信息，指出它們可以點亮的多個亮度等級中的哪一個。像一位顯示器的象素一樣，多位顯示器的象素可以顯示「滅」或黑暗狀態，但不是只有一個亮度值，而是有多個值。一般可用值的個數為2N-1，其中N為光柵存儲器每一個地址的存儲深度。這樣，例如，4位深度的光柵掃描存儲器可以支持不完全到最大點亮的15個等級，以及黑暗狀態或「滅」狀態。
利用這樣較大的數據量，多位顯示器可以傳遞較多的關於被觀察的電信號波形的行為的信息，尤其是在信號的重複性不太好，因而在某些部分比在其他部分活動較少的情況下。通過引用結合在本文中的授予Katayama等人的美國專利4,940,931「具有濃淡色調顯示的數字式波形測量裝置」描述了一種產生數字式灰度顯示的系統。多位亮度信息還使建立類似模擬「餘輝」效果，亦即信號亮度隨著時間而衰減成為可能。在較老式的模擬示波器中，餘輝是一種陰極射線管(CRT)的照度的衰減現象，隨著陰極射線管(CRT)結構中所用磷粉種類及加在CRT管不同元件上的電壓的不同而不同。在數字式示波器中，餘輝衰減功能可以通過使與每一個點亮的象素的亮度值按某種算法逐漸減小來實現。通過引用結合在本文中的授予Hanson等人的美國專利4,504，827「光柵掃描顯示器用的合成餘輝」描述了一種在光柵掃描顯示器中使亮度數據偽隨機地逐漸減小的方法。通過引用結合在本文中的授予Long等人的美國專利5,254,983「光柵掃描示波器顯示用的數字合成灰度」描述了一種用於解決以數字形式儲存的所採集的波形的類似餘輝的衰減的方法。通過引用結合在本文中的授予Alappat等人的美國專利5,387,896「具有自適應衰減的光柵掃描顯示器」描述了一種光柵化系統，它根據以象素初始值為依據的計算用兩種方法中的一種對局部象素產生影響。
一般，數字式示波器通過周期性地對探頭與被觀察的電路某些結點接觸處出現的電壓進行採樣而採集關于波形行為的信息。示波器的探頭及示波器的正面設計來精確地復現信號、或信號某些預定部分，或多個信號，並把它送到模數轉換器。模數轉換器的輸出是一系列儲存在採集存儲器中的多位數字字。依次採集的樣值順序地儲存在採集存儲器中相關的地址上，以此與時間刻度相目關。這些地址最後將轉換成時間刻度，其中一個代表示波器光柵掃描顯示上沿著x-軸的水平距離。
如前所述，光柵由水平的行和垂直的列組成。每一行可以由沿著垂直軸(y軸)的單元號識別，而每一列可以由沿著水平軸(x軸)的單元號識別。一般在示波器中，從採集存儲器單元的數據內容得出的電壓振幅值確定了點亮的象素的垂直位置(行號)，而從採集存儲器的地址得出的時間值確定了水平位置(列號)。把採集存儲器的內容和地址加以擴展以產生二維光柵存儲器的內容的過程稱為「光柵化」。
採集存儲器的數字內容以及該存儲器中順序的地址的時間有效位，只需要與它們所代表的電壓和時間值成正比。儀器採集和顯示的設定將確定它們所代表的實際電壓和時間值，並且將確定以映射到光柵存儲器中的數據的形式應用的刻度函數。
對於示波器顯示器設定和所採集的波形數據的任何特定組合，都會有一些函數，它把所採集的數據點映射到時間(x軸)-電壓(y軸)顯示光柵上。這些映射函數包括準備映射的樣值數目和光柵顯示器中象素列的數目的某種比例。儘管該比例可以是1∶1，但是一般都是N∶1或1∶N。若數據點數多於它們必須被映射到其中的象素的列數，則需要採用某種形式的數據壓縮。最簡單的方法是，這可能意味著每隔N-1個數據點抽取一個，其餘全部拋棄(稱作「小數式抽數法」)，儘管這意味著丟失原數據組中可用的某些信息內容。
若所採集的數據必須映射入的光柵存儲器有多個位與每一個象素單元相聯繫，亦即支持灰度亮度值，則可以用顯示上的亮度變化(亮度差)把對同一象素的多次命中(也稱為「擊中」)跟單次命中，或不同的命中次數區分開來。在一位顯示器中，這樣的區分是不可能的，因為每一個象素不是亮就是滅，即，點亮或不點亮。

圖1A-1C,2A-2C,5,6,9和10舉例說明一位光柵化的輸出。在這些圖中，用「D」和「R」標識的象素全都點亮到大體相同的亮度。正如下面還將進一步討論的，這些「D」和「R」指的是點亮一個特定象素的判斷來源，而與該象素的亮度毫無關係。
數字式示波器顯示器具有以稱作「點方式光柵化」和「矢量方式光柵化」的兩種基本方法之一歷史地映射和呈現的所採集的波形數據，後一種方法亦稱「矢量化」。圖1A,1B和1C舉例說明正弦波形的點方式光柵化。在圖1A中，約1.5周的這種波形用來自採集存儲器的20個波形數據點來呈現。因為輸入數據和光柵象素點列之間有一對一的關係，故無需數據壓縮或擴展，20個採集的數據點直接映射入所示的20個象素列。用這個方法激活的象素用「D」標示，它既指與實際數據點的對應關係，在此情況下又指點方式處理的輸出。
圖1B表示類似的波形數據的點方式光柵化，但在圖1B中，以2∶1的壓縮比例表示3個周期。正如從這些圖中可以看到的，採用點方式時，只有直接被光柵化映射函數「命中」的象素才點亮，或具有增大後的亮度值，而光柵顯示中的其他象素不受影響。圖1C亦舉例說明點方式光柵化，但它以1∶2的擴展表示約3/4周期。
接著參照圖2A和2B，這些圖表示圖1A和1B點方式光柵化用的同一輸入數據的矢量方式光柵化。如圖2A和2B所示，矢量方式光柵「命中」(亦即將其點亮或增大其亮度)點方式所命中的象素之間的全部象素。在這些圖中，與實際的採集數據對應的象素標以「D」，而光柵化過程所提供的象素標以「R」。無論如何，兩組象素都同樣地點亮，結果位圖光柵圖象可以用每個象素一位來描述。
光柵化過程的輸出通常是與光柵存儲器某些預先存在的內容結合的，而此後有規律地對所得的複合光柵內容進行某種衰減處理。為了獲得該領域中的更多的信息，參見通過引用結合在本文中的下列美國專利授予Alappat等人的美國專利5,440,676「象素亮度分等級的光柵掃描波形顯示光柵化器」；授予Alappat等人的美國專利5,387,896「自適應衰減的光柵掃描顯示」；授予Long等人的美國專利5,254,983「光柵掃描示波器顯示用的數字合成灰度」；「具有A濃淡色調顯示功能的數字式波形測量設備」。
應該指出，光柵化過程一般一次只對一列信息進行。對這個過程的輸入一般是該列中當前點的垂直坐標及下一點的垂直坐標。這些垂直坐標是從採集存儲器中數據-地址對的數據部分得出的。被更新的列由同一數據-地址對的地址部分確定。由於數據地址向象素列的映射可以是多對一、一對一或一對多的，所以上面所指的「下一點」就可能與下一列相關，如圖1A所示，或與同一列相關，如圖1B時間部分的情況。當下一列沒有直接映射於其中的數據點時，光柵化器以外的水平插值器可以確定一個點，並將其提供給光柵化器。光柵化器以與直接來自數據-地址對的其他輸入相同的方法處理這些水平插值的點。
在特定的情況下最好採用哪一種光柵化方式，點方式還是矢量方式，這往往要視波形輸入速率而定。數字式示波器響應「觸發」事件而採集波形數據。儘管觸發器可以以比較複雜的事件作為依據，但一般都是在特定方向上當被觀察的信號振幅跨越振幅閾值時產生一次觸發。一般觸發事件的振幅和方向是由示波器的操作者決定的，但是它也可以由某些示波器自動提供，至少在某些方式下是如此。一般，操作者找出看來適宜於看到他或她感興趣的部分的觸發電平和方向，然後迭代地進行時間基線、垂直振幅和亮度的調整，或許還有觸發電平的調整，直至在顯示器上產生令人滿意的波形圖象為止。
若觸發事件迅速發生，則示波器忽略其中的一部分，因為它沒有足夠的時間來處理和顯示上一次採集來的數據。由於光柵化會減慢分析和顯示過程，選擇矢量方式時一般波形信息吞吐量都減少。因此，儘管矢量方式操作產生較好的波形圖象，但點方式最適合供較大的波形信息吞吐量用。
若有足夠的觸發脈衝和波形，而且示波器有適當的數據處理能力，則點方式光柵化一般都能提供適當的波形顯示。反之，若觸發脈衝速率低，而示波器有足夠的時間來處理每一個波形，則矢量方式光柵化一般能提供最好的波形圖象。但是，有時波形採集速率是中等大小，而不論點方式還是矢量方式都不能完全適合提供最優波形顯示的任務。在這些情況下，操作者可以手動地在點方式和矢量方式之間來回切換，但是可能發現，不論哪一種方式都不真正適合於產生最優的顯示。下面將要描述的本發明的目的是提供一種適合這些情況的替代方案。
作為進一步的背景，應該指出，多年來數字式示波器只限於有效地處理和向用戶顯示探頭電極頭處活動的百分之幾。儘管不太熟練的用戶和那些只熟悉模擬示波器的用戶有這樣的印象，即他們看到了他們的數字式示波器探頭電極頭處的活動的大部分和全部，但在許多情況下顯示器只顯示那裡所發生實際活動的百分之幾。這是因為這些示波器處理信號所花費的時間比採集它們所用的多得多。若信號的重複性很好，這樣損失「有效時間」並不成問題，因為一個波形看上去和另一個都差不多。但是，當信號顯示某種間歇的異常行為時，有效時間的百分數低就會使這樣的異常現象檢測不出來。因此，增加波形信息吞吐量和能讓用戶實際觀察到的探頭電極頭處信號活動的百分數，一直是一些比較新型的數字式示波器設計的目標。通過引用結合在本文中的授予Meadows等人的美國專利5,412,579「帶有快速採集系統的數字式示波器的慢速顯示方法」描述了一種示波器系統，其中採集結果複合在交替的(亦稱「桌球」)顯示緩衝區中，使得儘管一個顯示緩衝區的內容正用來向用戶顯示數據，而另一個緩衝區則正用來收集和複合更多的數據。但是，這種設計的緩慢顯示每個象素只提供一位的亮度數據，因此不具備類似於模擬式的灰度能力。
其他的示波器已經成功地產生灰度顯示，但是這些顯示器是以作為基礎的波形的比較低的信息吞吐量為基礎的。如上所述，這種數字式餘輝的衰減時間是可以變化的，以便為用戶提供類似於模擬示波器顯示所具備的控制能力。把數字式餘輝特性關閉，就表現為「無限長餘輝」的顯示，其中正在到來的所採集的波形迭加在若干已經點亮的象素上，或迭加在其亮度上，但永遠不會使其亮度消失，或使它們回到不點亮的狀態。這樣，隨著時間的推移，每一個受到影響的象素都會達到最大亮度。
如前所述，增大探頭電極頭處的「有效時間」和處理大量波形的能力是數字式示波器非常希望得到的特性。通過引用結合在本文中的授予Etheridge等人的美國專利5,530,454「具有加大的工作比的用於信號監視的數字式示波器結構」描述了一種每秒能夠採集400,000個波形的示波器。這種示波器依時基設置而定以有效時間百分數在50％到接近99％之間變化的模擬示波器性能作為競爭對手。這種速度是靠利用兩個光柵存儲器來達到的，一個用於採集系統，另一個用於顯示系統。這些光柵存儲器中的第一個稱作「光柵採集存儲器」，幾乎不斷地被供以所採集的波形，這些波形是由採集光柵化器和圖象組合器複合到該光柵採集存儲器中的。這樣複合了許多波形之後，將每個象素一位的光柵採集存儲器的內容轉移到每個象素多位的顯示光柵存儲器上，在這裡與以前顯示的數據組合。該顯示光柵存儲器也如前所述地受到數字式餘輝控制。儘管這種按照Etheridge的「454專利」所講授的知識建造的示波器達到了非常高的波形信息吞吐量，而且產生非常好的顯示，但是這一設計有賴於大量高速而昂貴的硬體才得以成功。成本較低的光柵化器，一般所要求的操作時間都與其亮度受光柵化過程影響的象素的數目成正比。
對於許多用戶而言，尤其是那些對模擬示波器有某些經驗的用戶而言，可變的亮度會有用地傳遞關於所觀察的活動的信息。例如，平時重複性的信號以每10次出現一次的機率出現的間歇的異常現象，在這種類型的模擬示波器上會清楚地顯現出來，但其亮度明顯地低於每10次出現其餘9次的主信號的亮度。當然，若該信號變得過於間歇，它在亮度上就會微弱得完全被示波器的操作者忽略。
在通過引用結合在本文中的授予Meadows等人的美國專利5,412，579「帶有快速採集系統的數字式示波器的慢顯示方法」中，每個象素一位的兩個光柵存儲器以一種能給予操作者有間歇性信號存在的指示的方法使用。這是利用限制把最新的波形複合到以前累積的波形的隨機化過程來達到的。採用這樣的方法，間歇性足夠大的波形只以虛線顯示，而大部分時間都出現的波形一般都以實線出現。因為這種實施方案受到每個象素一位的限制，極其稀疏和不那麼稀疏的波形往往被識別錯了，分別被錯誤地識別為無法辨別或總是存在。
顯示器光柵存儲器的多位、灰度實施方案提供了繞過上述限制的途徑。在一個剛才討論過並通過引用結合在本文中的授予Etheridge等人的美國專利5,530,454所描述的系統中，可以用非常逼真的類似於模擬的方法使間歇行為表現出來，因為偶爾被命中的象素永遠也達不到與經常被命中的象素相同的亮度值。若數字式餘輝被激活，則被命中而被激活的象素全都將按照某種適當的函數衰減，但是難得被命中的象素，其亮度不那麼經常被增大，因此顯得比幾乎每次光柵化都被命中的象素暗。
除了至今已經描述的數字式示波器的能力上的改進之外，在某些情況下，有些示波器用戶強烈地偏愛另一種類似於模擬示波器的行為，即「斜率響應矢量化」。因為模擬示波器在水平回掃期間產生垂直移動，以提供探頭電極頭處信號活動的實時圖象，它們固有地傾向於與它們所產生的線條的斜率成反比地改變顯示器的亮度。它的出現是因為CRT(陰極射線管)陰極電子槍產生的電子供應量是恆定的，取決於「亮度」控制器的設定。
因為這個電子供應量是恆定的，而且因為電子束的水平移動是恆定的，所以顯示的感覺「亮度」或強度隨著信號的垂直活動量呈相反的變化。若無垂直運動，則在特定的時間間隔內產生的所有的電子能量都送到一條短的水平線上，顯得比較亮。另一方面，若在同一時間間隔內有大量的垂直運動，同樣數量的能量便分散到在相當的時間間隔內產生的長得多的線上。儘管這會使急速上升的垂直沿難以看到，但這給用戶一種信號活動的「感覺」，而在亮度比較均勻的或以斷續的點稀疏散落的數字式顯示上可能失去這種感覺。在這一方面類似模擬示波器的系統在通過引用結合在本文中的授予Siegel等人的美國專利5，550,963「數字壓縮波形的分等級顯示」中做了描述。
把上述總結一下，並弄清將在下面描述的本發明的必要性，示波器製造商為了最好地滿足示波器用戶的需要，長期以來一直力求通過生產一種既保留能夠在採集之後儲存和處理所採集的數據的所固有的優點，而同時又比較成功地模擬模擬式示波器顯示最好地傳遞所觀察的信號的信息的那些特性的數字式示波器來達到「兩個世界中的最優者」。儘管在這個方向上取得了很大的進步，但是基於數字式光柵掃描的用以傳遞波形信息的方法最難解決的問題(most resistant artifcts)之一是點方式和矢量方式兩種光柵化方法之間截然分開(sharpdichotomy)。因為與每一個激活的象素相關的存儲器單元更新所涉及的讀-修改-寫活動都要有時間開銷，所以矢量方式光柵化一般都比點方式光柵化消耗多得多的時間，然而在許多情況下點方式往往提供不適當的波形圖象。當波形和觸發脈衝數量相當大，而且示波器可以足夠迅速地採集這些波形以便能夠適當地捕獲稀少的事件，然而卻沒有足夠的時間來把所有這些波形完全光柵化，也沒有足夠的數據尤其是在波形非重複的部分，以作出給予用戶他或她所需的信息的可視性的適當的點方式顯示時，這是一個特別令人沮喪的問題。
按照本發明，公開一種把一組電壓-時間、數據-地址對光柵化成數字式示波器或類似的電子數據採集儀表的多位光柵顯示存儲器的水平和垂直位置的方法。該方法通過提供一種基於儀表觸發脈衝速率來設定在繪製每一個矢量時準備改變的象素的最大個數、而同時操作者控制的參數確定每一項修改可用的亮度的單位數的功能，來提供一種控制數字亮度的新途徑。若一個矢量具有的象素多於準備改變的象素的最大個數，則按這樣一種算法把修改的象素在該矢量的整個長度上分散開來，該算法最好包括至少某種程度的隨機化。若可用的象素修改個數大於該矢量上的象素個數，則它們所代表的多餘亮度內容，不是可以沿著該矢量中可用於修改的象素分散，就是可以將其忽略或棄置。若該矢量沒有長度，則所有可用的亮度或亮度較小一部分都放在一個象素上。設置一個小的最小矢量長度，低於該值只作有限的矢量填充，通過限制為不重要的細節而花費的大量時間，可以節省時間。為那些受光柵化過程影響的象素設置最大和最小亮度電平，在一個極端上可以限制飽和，而在另一個極端上保證那些只接收一個或少數幾個命中的區域仍舊具有亮得足以察覺的亮度電平。稀疏矢量光柵化避免了在點方式和矢量方式之間硬性地二中選一，並給予用戶類似於模擬式的產生觀察選擇的感覺的連續統一體的亮度控制。這是在有多少波形正在被採集並需要處理的情況下使被更新的象素數達到最大的同時實現的。
圖1A舉例說明約一個半周正弦波的(先有技術)單值點方式光柵化，對於這種光柵化的輸入在輸出中每個光柵象素列具有單個採集波形數據點。
圖1B舉例說明約3周正弦波的(先有技術)單值點方式光柵化，對於這種光柵化的輸入在輸出中每個光柵象素列具有兩個採集的波形數據點。
圖1C舉例說明約3/4周正弦波的(先有技術)單值點方式光柵化，對於這種光柵化的輸入在輸出中每兩個光柵象素列具有一個採集的波形數據點。
圖2A舉例說明與輸入到圖1A的相同的波形數據的(先有技術)單值矢量方式光柵化。
圖2B舉例說明與輸入到圖1B的相同的波形數據的(先有技術)單值矢量方式光柵化。
圖2C舉例說明與輸入到圖1C的相同的波形數據的(先有技術)單值矢量方式光柵化。
圖3A舉例說明根據本發明的與輸入到圖1A和2A的相同的波形的多值稀疏矢量方式光柵化，光柵化器輸入的控制參數設定如下AVEC=2,AUNITS=3及LMIN=0。
圖3B舉例說明根據本發明的與輸入到圖1B和2B的相同的波形的多值稀疏矢量方式光柵化，光柵化器輸入的控制參數設定如下AVEC=2,AUNITS=3及LMIN=0。
圖3C舉例說明根據本發明的與輸入到圖1C和2C的相同的波形的多值稀疏矢量方式光柵化，光柵化器輸入的控制參數設定如下AVEC=2,AUNITS=3及LMIN=0。
圖4是舉例說明本發明具體實現中所涉及的步驟的邏輯流程圖。
圖5舉例說明具有上升沿和下降沿的脈衝信號的(先有技術)單值點方式光柵化。
圖6舉例說明與圖5中所示相同的脈衝信號的(先有技術)單值矢量方式光柵化。
圖7舉例說明按照本發明的與圖5和6所示的相同的脈衝信號的多值稀疏矢量方式光柵化，光柵化器輸入的控制參數設定如下AVEC=4,AUNITS=3,LMIN=0及WLESS=0.25。
圖8舉例說明圖7中所示類型複合成累加的光柵掃描圖象的三次稀疏矢量光柵化。假定圖4算法的隨機部分在每一種情況下均不相同，以便舉例說明如何隨機地填充各光柵化器輸出未填充的象素。
圖9舉例說明跨越在小的噪聲波形上的噪聲尖峰的(先有技術)單值點方式光柵化。
圖10舉例說明與圖9中所示以點方式光柵化的相同的輸入波形的(先有技術)單值矢量方式光柵化。
圖11舉例說明按照本發明的與圖9和10中所示光柵化的相同的信號的多值稀疏矢量方式光柵化，AVEC=5,AUNITS=2及LMIN=3。
下面的討論緊緊地依靠含有對光柵化器輸出的說明的各圖。但是，由於篇幅所限和需要把注意力集中在細節上，所以必須明白，這些說明只有20行和20列，比任何實足尺寸，一般均約為400×500象素的光柵化器掃描顯示要小得多。因此，這些顯示與實足尺寸時的圖象相比顆粒性看來要嚴重得多。還應該指出，在稀疏矢量生成中插值點的最優分布，至少部分地是隨機的，具有用隨機偏移量的值檢索的恆定間隔。實際上，這裡僅示出一次的操作，實際上將進行很多次，使得對大量事件起作用的概率定律將有機會消除這些「快照」示例中出現的顆粒性。
參照圖1A，該圖舉例說明一個半周正弦波按照先有技術點方式光柵化的結果。輸入的20個採集的波形數據點映射成這裡看到的輸出中的振幅-時間圖的20個點。這種輸出是單值的，意思是每一個點的亮度，舉例說明圖中用「D」標示，是相同的。
接著參照圖1B，這是圖1A所示相同類型先有技術點方式光柵化的另一個舉例說明圖，差別只是輸入波形數據點數，亦即40比輸出中的象素列的個數，亦即20多了一倍。這2對1的壓縮使同樣的正弦波形能夠沿著水平軸顯示多一倍或約3周。輸出也是單值的，意思是響應這一光柵存儲器圖象每一個象素以相同的亮度點亮。
下面參照圖1C，這是圖1A和1B所示相同類型先有技術點方式光柵化的另一個舉例說明圖，差別只是輸入波形數據點數，亦即10隻有輸出中象素列數，亦即20的一半。這1對2的擴展提供同樣的正弦波形沿著水平軸顯示的一半，或約3/4周。輸出也是單值的，意思是響應這一光柵存儲器圖象每一個象素以相同的亮度點亮。
現參照圖2A,2B和2C，這些圖分別表示與圖1A,1B和1C點方式光柵化後顯示的相同的波形的矢量方式光柵化。圖2A中所示的矢量方式光柵化的輸出具有50個(單值的)激活的象素，而相比之下，圖1A中所示的點方式光柵化輸出產生20個激活的象素。圖2B中所示的矢量方式光柵化輸出沿著水平軸(與圖2A相比)時間長一倍，包含105個激活的象素，而相比之下，圖1B中所示的點方式光柵化輸出產生40個激活的象素。圖2C中所示的矢量方式光柵化輸出沿著水平軸(與圖2A相比)時間僅為一半，包含29個激活的象素，而相比之下，圖1C中所示的點方式光柵化輸出產生10個激活的象素。這樣，可以看出，先有技術矢量方式光柵化(亦即矢量化)產生的激活象素比相同波形的點方式光柵化多得多。因此，在更新與每一個象素相關的存儲器單元所涉及的讀-修改-寫活動有時間開銷的情況下，矢量方式光柵化需要的時間比點方式光柵化多得多。
接著參照圖3A，現在我們看到按照本發明用「稀疏矢量方式」光柵化所產生的多值光柵輸出。這裡的輸入和圖1A中所示的產生點方式輸出的輸入及圖2A中所示的產生矢量方式輸出的輸入相同。但是，在這個由稀疏矢量光柵化產生的輸出中，只有34個激活(「命中」)的象素，相比之下，先有技術的正常(完全)的矢量方式產生50個激活象素。類似地，圖3B表示與圖2B所示正常矢量方式光柵化輸出相同的輸入的稀疏矢量方式光柵化的輸出。對於圖2B中所示矢量方式輸出中的產生105個激活的象素的3個周期的輸入，我們在這裡僅看到由稀疏矢量方式產生的65個激活的象素。在圖3C中，命中的象素個數與圖2C相比沒有差別。
圖3A和3B中所示稀疏矢量光柵化輸出是「多值的」，意思是它們激活的象素含有多於一個非零亮度等級，在這種情況下，是「3」和「6」，因為在這個實施例中，每個矢量命中的賦值數是「2」，亦即AVEC=2，而每次命中的亮度單位是「3」，亦即AUNITS=3。這些設定及其意義在後面還將進一步討論，但我們在這裡指出，一次「命中」指的是光柵顯示存儲器象素單元內容的修改，亦即通過讀-修改-寫的操作順序進行的修改，其效果是在顯示器上接收的相關象素的亮度單位數增大。
因為限於圖1A-3C這些實例所用的尺寸(亦即20×20象素)，AVEC選擇了非常小的數值，亦即「2」。這使得這些小的實例可以表示出「稀疏性」，亦即矢量中某些象素不接收亮度。在具有較大的現實尺寸，例如400×500象素的光柵掃描顯示中，AVEC的值要大得多，例如511或1023，以便用於不常見的波形的完全矢量化以及許許多多波形的非常稀疏的矢量化。
圖4是舉例說明本發明的稀疏矢量方式的特定實現步驟的流程圖。這種實現有時是用硬體完成的，具體地說，用戶ASIC(特定應用集成電路)，但是也可以用各種各樣的硬體類型或技術，或者幾乎完全用軟體來實現。在閱讀下面的討論時，參照以下的略語表可能是比較方便的。
略語表
每個矢量的命中賦值數AVEC最好由觸發脈衝速率確定，使得它以後可以確定每個波形光柵化要化多少時間，因而反應波形以多高的速率採集。AVEC的選擇限制為2的冪次，而大部分算術運算都以2的冪次的方式進行。
每個命中的亮度單位AUNITS，最好由操作者確定，使得他或她可以根據觸發脈衝的速率控制顯示的亮度。從操作者觀點出發的目的是使之對亮度按鈕的「感覺」感到滿意，並儘可能有用。從光柵觀點出發的目的是在給定當前觸發脈衝和波形採集速率的情況下，在可能達到的情況下給予波形光柵化過程儘量長的時間和儘量好的結果質量。
再次參照圖4，在該舉例說明的實施例中，光柵化過程逐列進行。它從新的數據點10出發，然後在11處通過計算該列實際數據點的y軸位置Y0和下一個數據點的y軸位置YN之間差值的絕對值，求出以象素量度的當前矢量的長度LVEC。下一個數據點可以在當前列，也可能在下一列，而且如果不是每一列都有實際採集數據的話，則可能不是實際的數據點，而是水平內插的點。還應指出，若認為相鄰矢量最好在它們的端點重疊，則可用YN加一個象素來代替YN。LVEC的最小值為1，而用作除數時，近似為2的冪次，稱作LVECL。儘管需要YN-Y0的絕對值，並在幾處使用，但仍需保留其符號，並在下面用來確定矢量方向，以作出四捨五入的判斷。
然後在判斷框12中，把當前矢量的長度LVEC與被全部命中的矢量的最小長度LMIN比較。若當前矢量的長度大於或等於最小矢量長度，LVEC＞=LMIN，則接著在判斷框16中把每個矢量的命中賦值數AVEC與當前矢量的長度LVEC比較。
若每個矢量的命中賦值數大於或等於當前矢量的長度AVEC＞=LVEC，則邏輯流程進到方框18，計算AAMT。在一個實現的實施例中，其中這個過程大部分由電子硬體完成，量AVEC*AUNITS*WLESS由軟體計算，然後作為一個數提供給硬體。除以LVECL是比較容易完成的，因為它近似為2的冪次。只要作移位即相當於除法。該操作的結果乘以AUNITS和WLESS。WLESS是加權減小係數，是一個常數，它提供一種手段，藉以在AVEC小於LVEC時可以減小AAMT的值。
判斷框31比較AAMT與AUNITS，若AAMT不大於或等於AUNITS，則在方框32中把AAMT設置為等於AUNITS。然後在方框33中把該矢量中UY(0+OFFSET)到U[＜Y(N-1)]的亮度預期單位數設置為AAMT，必要時舍位。方框31和32的目的是把從希望命中數較該矢量長度中的象素數多而加權至較小(Weighted-to-smaller)區域向希望命中數較該矢量長度中的象素數少而不加權的區域過渡「平滑化」。尤其是，若WLESS給定一個小的值，因而對於比AVEC短的最長的矢量，AAMT可能變得比AUNITS小得多，顯示會由於這種差別而顯得明顯不自然(Artifacts)。方框31和32通過使該兩區域(由判斷框16在邏輯上隔開的)之間的過渡平滑化而防止AAMT變得比AUNITS小，從而防止這一效應。
回到方框16，若每個矢量的命中賦值數不大於或等於當前矢量的長度，則判斷框17檢查隨機化是否設置為「on」。若不，則在21處把OFFSET設置為0。若隨機化設置為「on」，則方框19令OFFSET為一0至小於當前矢量長度LVEC除以每個矢量命中的賦值數AVEC的比值(再次簡化，因為限制AVEC為2的冪次)的任何數的隨機數。這種隨機化包括分數部分，而不只是整數。
下一個動作由方框20確定，它令每次命中的亮度單位數AUNITS設置為沿著矢量長度從OFFSET到OFFSET+x(LVEC/AVEC)，對於每產生小於Y(N-1)的值的每一個x，每隔(LVEC/AVEC)-1個Y軸位置UY的值。必要時在這一步驟中將預期亮度的單位數U四捨五入。在最佳實施方案中，計算所有y的實例，並作為非整數保存。四捨五入推遲到Y值為最後值的方框26。
回到判斷框12，若當前矢量長度不大於或等於最小矢量長度，則該方框產生「否」。然後方框30確定從0至小於LVEC的OFFSET的值。然後，根據設計和/或操作選擇，可以採用以下任選項中的任何一個在13處什麼也不作(完全忽略這一點和矢量)；在14處將每次命中的亮度單位數AUNITS和每個矢量的賦值命中單位乘以每次命中的亮度單位數除以近似為2的冪次的矢量長度(並永遠不允許小於1)(AVEC*AUNITS*WLESS)/(LVECL)之中最大的一個設置為當前實際數據點加OFFSET的y軸位置中預期的附加亮度U(Y0+OFFSET)(並且對該矢量的其他象素中任何一個什麼都不作；UY0-＞UY(N-1)=0,U(Y0+OFFSET)除外)；或在15處把每個矢量命中賦值數AVEC乘以每次命中的亮度單位數AUNITS再乘以加權減小係數WLESS的所有乘積放入該初始數據點，(對該矢量的其他象素任何一個什麼都不做；UY0-＞UY(N-1)=0，除UY0+OFFSTT外)。這三種選擇可以粗略地歸結為「消除短矢量」，「短矢量截短」和「短矢量集中」。消除短矢量被認為用處有限，而短矢量截短和短矢量集中在大部分情況下都會產生適當的顯示。但是，它們都有減少在最短矢量中光柵化每一點所花費的時間的效果。因為示波器一般都連續地對大量波形進行光柵化，含有最短矢量的這些區域將迅速地受到大量亮度命中的影響，儘管利用適當的LMIN值可以避免在這裡花費大量時間。一般，這些值將在1至3個象素的範圍內。0的值將完全去掉該特性。
方框26把所有y的當前值四捨五入為特定的象素單元。如何進行這種四捨五入是有某種隨意性的，並且可以受其他地方所作的設計選擇的影響。但是，在這裡所描述的最佳實施例中，所有的四捨五入都朝向進行該處理的矢量的原點。每一個連續的垂直變量都被四捨五入為離其矢量的原點Y0最近的整數。這就要求知道矢量當前的方向。該信息就是方框11中完成的減法結果的符號，儘管這裡不必確定矢量的量值。
跟在方框12-21,26和30-33所決定的結果之後，判斷框24將每個命中單元上預期的附加亮度的單位數，UYA與允許命中亮度最大值，AMAX,VAL比較，若它大於該最大值，則在25處令其為該最大值，UYA=AMAX,VAL。
然後方框27進行讀一修改操作，取出老的亮度值，IOLD，加上命中象素預期的附加亮度單位，UYA，便得到新的亮度值，INEW。判斷框28將新亮度值與最小命中亮度值，UMIN,ATK比較，若小於，則方框29增大新亮度值，使之等於最小命中亮度。若新亮度值已經大於最小值，則用作該過程的輸出。然後將每一個象素修改後的值作為INEW送回它們的存儲器單元，對該矢量中每一個受影響的象素重複這個過程。儘管在這裡沒有明顯地顯示出來，但是INEW值可以要求修剪，以便適用於光柵顯示存儲器中每一個象素單元可用的數據空間的長度。
在一個任選的替代的實施例中，在判斷框22檢查看是否「DOT=ON」(點(方式)=接通)。若是，則在23處每次命中的一個亮度單元，AUNITS(或其他某個值)加到初始點單元Y0上。這提供了一種手段，來像點方式中一樣保證實際數據位置被點亮，而不管為運行稀疏矢量方式而對其他任選項已經編程。但是，還應該指出，若給被完全命中的矢量最小長度，LMIN，設置一個非常長的長度，諸如512，則點方式的效果也可以由判斷框12和方框12,30和14或15的操作來實現。設置AVEC=1和RANDOM=OFF(隨機=斷)是達到相當於點方式的一種最佳方法。
改變每個矢量命中賦值數AVEC的能力可以控制光柵化的次數，並以此使光柵化器能夠在變化的速度下處理矢量。這種速度可以作為觸發脈衝速率的函數來控制，以此通過改變各次光柵化的質量來使波形信息吞吐量達到最大，以適應所述變化。以某種程度的隨機性對大量的波形進行光柵化將填充各個波形中的「孔穴」。AUNITS可以通過使用旋鈕、菜單選擇，或其他人機界面裝置作為操作者的控制來提供。它使操作者可以在改變由AVEC建立的信息吞吐量的情況下控制顯示器的總「亮度」(強度)。每一種控制形式的相對貢獻可以作為設計選擇或按照其他儀器的設定或顯示環境的各個方面來改變。
在上面描述的這種光柵化器的實施例中，首先從輸入變量AAMT，AMAX,VAL,AVEC,AUNITS,IMIN,ATK,LMIN和WLESS如何能夠達到新的和期望的顯示控制能力的觀點來對它們進行描述和討論。但應指出，所給出的控制這些輸入的方法和手段並未說盡，還可以發現其他方法來使用本發明提供的資源。其他操作方式以及與其他控制裝置的互作用可以產生各種各樣不同的結果。例如，可以有各種各樣的方法來利用上述輸入參數達到可變餘輝的效果，在可變餘輝的效果上的本發明的一般方法和相當多先有技術，其中一些通過引用而被包括在本文中。
還應該指出，來自顯示器的信息反饋，諸如有多少象素正被激勵到飽和亮度或接近飽和亮度，或有多少象素被激活但低於用戶所能察覺的水平，都可以用來幫助確定輸入參數的最優設置。類似地，測量完成最近一次光柵化所需的時間，或完成最近若干次光柵化所需的平均或總的時間，可以提供在控制輸入參數方面有用的其他類型的操作變量，以便就某種考慮使性能最優化。
現回到圖1A和3A，讓我們跟隨圖4，看看圖3A中的值是如何確定的。在第一列，方框11算出LVEC=1。鑑於LMIN=0，判斷框12產生「是」，使我們進到判斷框16。由於AVEC=2和LVEC=1，方框16也產生「是」，使我們進到方框18。AVEC=2對LVEC=1的比率是2，然後將其乘以AUNITS=3和W=1，便得到AAMT=6。列2沿著相同的途徑達到相同的結果。
在列3，矢量長度是3，故判斷框12再次產生「是」。判斷框16產生「否」，因為AVEC=2不大於或等於LVEC=3。假定「RANDOM=on」(隨機=接通)，在方框19將求出OFFSET在0至＜1.5的範圍內。在這個例子中，我們將假定隨機地確定OFFSET為0.75。然後方框20確定亮度的AUNITS=3將放在(預先四捨五入)單元3+0.75=3.75和3+0.75+1.5=5.25。然後將它們向該矢量原點的方向四捨五入，故列3的象素3和5得到3單位的亮度。
在列4，原點在象素6處的矢量長度為4，判斷框12的結果再次為「是」。判斷框16再次產生「否」，因為AVEC=2不大於或等於LVEC=4。假定「random=on」，方框17產生「是」，方框19產生OFFSET為0至＜2。我們將假定，隨機過程產生1.5的OFFSET。然後方框20把AUNITS=3提供給單元6+1.5=7.5和7.5+2=9.5。這些數向下朝著該矢量的原點四捨五入，給象素7和9各3個亮度單位。
按照類似的過程，在列5有原點在象素10的長度為4的矢量，但假定隨機確定OFFSET=0.5，從方框20得到的結果是10.5和12.5。然後把3個亮度單位放在列5的象素10和12。在圖3A和3B中見到的其餘命中的象素是按照圖4的邏輯的類似過程產生的。
圖4中實現的單列光柵化器用的概念也可以一般化為跨越多個列的稀疏矢量光柵化。為了做到這一點，上述過程中的幾個步驟需要擴展。方框11進行修改以計算近似的矢量長度。簡單易行的近似方法是把Δ-X和Δ-Y分量的絕對值加起來，於是LVEC=|Yn-Y0|+|Xn-X0|。(有比較精確的求矢量長度近似值的方法，但本法容易計算，便於闡明本概念)。該過程的其他主要擴展是在上面計算Y坐標的每一個地方都計算X坐標和Y坐標。
現參考圖3C，我們看到一種使稀疏矢量點在二維空間分布的實施例。再參照圖1C，看看數據輸入的位置，我們看到在圖3C中列1和2輸入數據點之間的距離是在Y方向是1個單位，而在X方向是2個單位。由此我們計算該矢量的長度為3。這將從判斷框12得出「是」，並從判斷框16得出「否」。假定從判斷框17得出「RANDOM=ON」，方框19將求出OFFSET的值，一個是X方向的，另一個是Y方向的。
對方框19進行修改，以便通過計算在Y方向上該矢量的長度LYVEC和在X方向上該矢量的長度LXBRC來適應X和Y方向。計算一個在0和1之間的隨機數R。然後把Y的初始偏移量計算為R和LYVEC/AVEC的乘積。類似地把X的初始偏移量計算為R和LXVEC/AVEC的乘積。若該隨機數碰巧是0.75，則Y的初始偏移量為R*LYVEC/AVEC=0.75*-1/2=-0.325,X的初始偏移量為R*LXVEC/AVEC=0.75*2/2=-0.75。方框20算出這兩個點作為輸出。第一個點是相對於該矢量的原點的(x,y)=(0.75,-0.325)。第二點通過把LXVEC/AVEC加到X的初始坐標和把LYVEC/AVEC加到Y的初始坐標上而算出。這樣，第二點為相對於該矢量的原點的(x,y)=(1.75,-0.825)。最後，將這些坐標四捨五入至象素單元。對於這個例子，我們將X象素地址舍位，並把Y地址四捨五入至最近的整數。(這相當於把1/2加到所有的X地址，然後將X和Y地址都四捨五入至最近的整數)。這個過程產生列1象素3和列2象素2的3單位的命中。
下一個矢量在列3象素2上產生3單位命中，而不管隨機OFFSET假定為何值。在列4的象素2或象素3處是否放置第二個3單位亮度取決於所產生的OFFSET值是在偏移量允許值的下半部分還是上半部分。對於原點在列5象素3處的矢量，Y軸上的長度，LYVEC是3，而X軸上的長度，LXVEC是2。近似矢量長度LVEC算出為5，並在方框16處產生「否」。假定「RANDOM=ON」，方框17產生「是」。方框19產生一個0與1之間的隨機值。若我們假定該值為0.2，則我們可以計算初始X和Y偏移量的值。Y的初始偏移量為R*LYVEC/AVEC=0.2*4/2=0.4。X的初始偏移量為R*LXVEC/AVEC=0.2*2/2=0.2。方框20產生兩個點作為輸出，亦即相對於該矢量的起點的(0.2,0.4)和(1.2,2.4)。通過將X值舍位，並把Y值四捨五入至最近的整數，這個過程產生列5象素3和列6象素5的3單位的命中。
跨越多列的光柵化還可以通過由單列光柵化器完成一系列操作而完成。外部的外插器可以求出在相繼出現的數據點之間矢量橫跨有關列的點，通過四捨五入或舍位識別出該列的象素，然後將其提供給單列光柵化器，作為下一列的數據點。
圖5和6分別表示按照先有技術用點方式和矢量方式光柵化的帶有上升沿和下降沿的脈衝信號。單值激活的象素數，在點方式為20，而在矢量方式為48。圖7顯示用稀疏矢量方式光柵化的相同的輸入數據，每個矢量賦值命中數是3，每次命中的亮度單位數等於3，最小矢量長度設置為0。這些數值產生37個象素命中，與矢量方式完成的命中數相比，這個數字更接近點方式完成的命中數。記住這裡所示各個稀疏矢量方式的輸出只是將要複合在一起的許多這樣的輸出中的一個，藉以允許隨機效果來填充這裡的空白區域，這種光柵化方式的累積作用將產生斜率響應波形，上升沿和下降沿上線條相對昏暗，而在脈衝波形頂部和底部恆壓區域線條比較明亮。下面將進一步詳細討論的圖8表示剛好3次稀疏矢量光柵化的複合結果。
為了看看圖4中所舉例說明的稀疏矢量光柵化器過程如何產生圖7所示輸出，我們現將簡單地分析一下這個波形的產生。為了進行這種光柵化，我們將假定每個矢量的賦值命中數AVEC設置為4，每次命中的亮度單位數AUNITS設置為3，最小矢量長度設置為0,LMIN=0，而加權減小係數設置為1/4,WLESS=0.25。
為了簡化這個討論，我們可以立即做幾列，而不是像稀疏矢量光柵化實際所做那樣，順序地做。在列1-2,7-14和18-20矢量長度全是0或1，而且由於矢量長度被限制具有最小值1，我們可以得出結論，所有這些列的亮度值計算是相同的。這樣，對於這些列，判斷框12以及判斷框16都產生「是」。方框18求出AAMT=(AVEC/LVECL)*AUNITS*WLESS=(4/1)*3*0.25=3。判斷框31產生「是」，因為AAMT=3等於AUNITS=3。方框33將設置U=3，作為列1-2和19-20象素2，列8-14象素19，列7象素20和列18象素1的預期亮度值。(對於這個實例，我們假定不使用方框22和23，或」DOT=OFF」(點(方式)=斷開)，所以方框23不為每個命中提供額外的亮度單位)。
現在看看列3，矢量長度為2。因為2大於或等於0，判斷框12產生「是」，並作出判斷轉到方框16。因為AVEC=4＞=LVEC=2，判斷框16也產生「是」。然後方框18算出AAMT=1.5。因為1.5不大於或等於3，所以判斷框31產生「否」。然後方框32把AAMT改為3，即AUNITS的值。然後方框33設置從Y0到Y(N-1)所有的UY，以接受AAMT=3作為它們的值。
接著進到列4，矢量長度為6。通過判斷框12，現在AVEC=4小於LVEC=6，所以判斷框16產生「否」。由於」random=on」，我們進到方框19，它產生從0至＜(6/4)，亦即小於1.5的隨機OFFSET值。對於這個實施例，假定隨機OFFSET值確定為0.5，然後方框20把從Y(0+OFFSET)到＜Y(N-1)每隔LVEC/AVEC=1.5距離的位置的UY都設置為等於AUNITS=3。這是4+0.5=4.5,4.5+1.5=6,6+1.5=7.5及7.5+1.5=9。當方框26把這些Y軸位置向著該矢量的原點向下四捨五入時，它們變為4，6,7和9。
在列5，矢量長度為7。判斷框12再次產生「是」。因為AVEC=4小於LVEC=7，判斷框16產生「否」。再次假定」random=on」，判斷框17產生「是」，過程進到方框19，它產生在0至＜1.75範圍內的OFFSET。對於這個實例，我們把OFFSET設置為1.25。然後方框20把從Y(0+OEESET)到＜Y(N-1)每隔LVEC/AVEC=1.75距離的位置的UY都設置為等於AUITS=3。這是10+1.25=11.25,11.25+1.75=13,13+1.75=14.75及14.75+1.75=16.5。當方框26把這些Y軸位置向著該矢量的原點向下四捨五入時，它們變為11,13,14和16。
原點在列6象素17的矢量長度為3。因為AVEC=4大於LVEC=3，判斷框16產生「是」。然後方框18算出AAMT=(AVEC/LVECL)*AUNITS*WLESS=(4/4)*3*0.25=0.75。因為它小於AUNITS的值3，所以判斷框31產生「否」，方框32把AAMT增大至等於AUNITS，亦即3。方框33把該AAMT的值3給予從17至小於20範圍內或17,18和19位置的全部UY。
跳過列7-14，它們的值用上述方法確定，下面我們看看原點在列15象素18的矢量。其長度為3，所以LVEC=3，而判斷框12產生「是」。因為AVEC=4大於LVEC=3，判斷框16產生「是」。方框18求出AAMT=(AVEC/LVECL)*AUNITS*WLESS=(4/2)*3*0.25=1.5。因為它小於AUNITS的值，亦即3，所以判斷框31產生「否」，方框32把AAMT增大至等於AUNITS，亦即3。方框33把該AAMT的值3給予從18至大於15範圍內或18,17和16位置的全部UY。因為這個矢量是從頂到底運動的，於是具有負號，方框33的」小於」實際上變成」大於」。
原點在列16象素15的矢量，其長度為7個象素，所以判斷框12產生「是」。因為AVEC=4不大於LVEC=7，所以判斷框16產生「否」。由於」random=on」，判斷框17產生「是」，而方框19隨機地確定從0到大於-1.75的OFFSET的值。若我們假定OFFSET為-0.25，則方框20產生Y軸位置的輸出15-0.25=14.75,14.75-1.75=13,13-1.75=11.25和11.25-1.75=9.5。然後方框26將這些值朝它們所在的矢量的原點方向四捨五入，而3個單位的亮度將進入列16的象素15,13,12和10。
下面進到列17，該矢量的長度為7。通過判斷框12，現在AVEC=4小於LVEC=7，所以判斷框16產生「否」。由於「random=on」，我們進到方框19，它隨機地確定從0到＞(-7/4)，亦即大於-1.75的OFFSET值。對於這個例子，若我們假定算出隨機OFFSET值為-0.5，則方框20把從Y(0+OFFSET)到＜Y(N-1)每隔LVEC/AVEC=1.75距離的位置的UY都設置為等於AUNITS=3。這是8-0.5=7.5,7.5-1.75=5.75,5.75-1.75=4及5.75-1.75=4和4-1.75=2.25。當方框26把這些Y軸位置向著該矢量的原點四捨五入時，它們變為8,6,4和3。
在圖7中可以看到，所產生的矢量並不太」稀疏」，而總命中數，37，比矢量方式(圖6)所需的48個少得不太多。另外，該脈衝的上升沿和下降沿，除了波形上有」孔穴」外，該脈衝的基線和頂部接收相同的亮度值。這部分地由於加權減小係數WLESS設定為0.25，大大減小了波形基線和頂部的亮度，因為所有的都是短矢量。缺少亮度對比度的另一個原因是AVEC的4和這個小脈衝的最長矢量6和7之間相互關係。這些矢量相對較短都因為這種說明中的小尺寸20×20，以及這些邊緣的上升或下降不是非常陡。若讀者設想比較現實的尺寸500×400個象素，而且該尺寸的脈衝並帶有陡峭的上升和下降邊緣，很快就會看出在這種情況下由於AVEC僅為4的設定矢量會是非常暗的，亦即矢量中會有大得多的」孔穴」。
讀者被要求承認，經過足夠的嘗試，」random=on」將產生所有可能的結果，而所示看來稀疏的輸出將適當地填充經過這單次實例的說明仍舊空白的區域。圖8表示3次圖7所舉例說明的類型的稀疏矢量光柵化的複合結果，帶有」隨機的」結果，為了舉例說明的目的，在每一種情況下都(非隨機地)選得彼此不同。注意，在上升和下降邊緣上亮度是如何相當均勻地降低的。
還可以發現，若在短的矢量中命中的象素較少，則採用稀疏矢量法可以做得更有效。把最小矢量長度LMIN設置為某個小的整數，然後利用它來提高普通稀疏矢量法的質量，在不這樣做噪聲或其他有大量短矢量的源就會浪費大量時間的地方，以較少的時間產生相當令人滿意的顯示。這樣的約束並不影響較大和比較感興趣的信號特徵。下面對圖9,10和11的討論將有助於說明這一特點。
參照圖9，這是從噪聲背景中冒出的大的噪聲尖峰或小信號的先有技術單值點方式光柵化。在這個點方式例子中，採集的波形輸入點數(20)等於光柵輸出中的水平象素列的數目(20)。圖10表示當這相同的輸入波形數據用矢量方式處理時的輸出。激活的輸出象素的數目從20增加到58。
在圖11中，我們看到作為圖9和10所示輸出的基礎的相同的波形的稀疏矢量光柵化。在這種光柵化中，最小矢量長度設置為3(LMIN=3)，每個矢量的賦值命中數為4(AVEC=4)，每個命中的亮度單位數為2(AUNITS=2)，而WLESS設置為0。可以看出，除了該波形中間的電壓峰值附近之外，所有的矢量均具有長度3或更小。
現參照圖4的方框30,14和15，以及圖11，請注意，對於所有LVEC＜4的值都採用LMIN=4，判斷框12將產生「否」。然後方框30將產生從0到小於LVEC的OFFSET值。這樣，方框14或15算出的亮度值將沿著這些矢量被放置在隨機選擇的象素中。長度為2和3的矢量，因為它們在由它們的普通對數近似的方框14中呈現，因此看來都是2，將產生為AUNITS的最大值的輸出值，這在這個實例中是2，或(AVEC*AUNITS*WLESS)/LVECL=(4×2×1)/(2)=8/2=4。這樣，對於長度為2或3的矢量，方框14的輸出為4。長度為0或1的矢量導致方框14產生(4×2×1)/(1)=8的值，因為它也大於其他替代值2。為了允許LVECL作除數，正像LVEC一樣，LVECL被限制具有1的最小值。
繼續使用圖4,9和11，我們進一步處理圖1中較長的矢量。在列8，矢量長度為6。6的矢量長度使判斷框產生「是」的結果，因為最小矢量長度是4。6的LVEC使判斷框16產生「否」的結果，因為AVEC為4。鑑於「random=on」，判斷框17產生「是」，而方框19產生從0到小於1.5的OFFSET值。對於本實例的這一部分，我們假定，OFFSET的輸出為0。然後方框20使2的亮度值(AUNITS=2)放入從0的OFFSET開始的每隔1.5的每一個象素中。這樣，方框20的y軸輸出將是3+0=3,3+1.5=4.5,4.5+1.5=6和6+1.5=7.5。因為方框26要將這些值向該矢量的原點向下四捨五入，所以列8的下列象素每一個都得到2的亮度單位3,4,6和7。
繼續處理列9，矢量長度為10。10的矢量長度使判斷框12產生「是」，因為最小矢量長度是4。10的LVEC使判斷框16產生「否」的結果，因為AVEC是4。鑑於」random=on」，判斷框17提供「是」，而方框19產生從0到小於2.5的OFFSET。對於本實施例的這一部分，我們假定，OFFSET的輸出是2.25。然後方框20使2的亮度值(AUNITS=2)被放入以偏移量2.25開始的每隔2.5的象素中。這樣，方框20的y軸輸出將是9+2.25=11.25,11.25+2.25=13.5,13.5+2.25=15.75和15.75+2.25=18。因為方框26要將這些值向該矢量的原點向下四捨五入，所以列9的下列象素每一個都得到2的亮度單位11,13,15和18。
繼續處理列10，這次矢量長度為18。18的矢量長度使判斷框12產生「是」，因為最小矢量長度是4。8的LVEC使判斷框16產生」否」的結果，因為AVEC是4。鑑於」random=on」，判斷框17提供」是」，而方框19產生從0到大於2的OFFSET(負的矢量改變OFFSET範圍的符號)。對於本實施例的這一部分，我們假定，OFFSET的輸出是1.0。然後方框20使2的亮度值(AUNITS=2)被放入以偏移量1.0開始的每隔2的每個象素中。這樣，方框20的y軸輸出將是19-1.0=18,18-2=16，16-2=14和14-2=12。當方框26將這些值向該矢量的原點向下四捨五入時，列9的下列象素每一個都得到2的亮度單位18,16,14和12。
最後把注意力集中到列11，這次矢量長度為5。5的矢量長度使判斷框12產生「是」，因為最小矢量長度是4。5的LVEC使判斷框16產生「否」的結果，因為AVEC是4。鑑於「random=on」，判斷框17提供「是」，而方框19產生從0到大於1.25的OFFSET(負的矢量再次改變OFFSET範圍的符號)。對於本實施例的這一部分，我們假定，OFFSET的輸出是0.25。然後方框20使2的亮度值(AUNITS=2)被放入以偏移量0.25開始的每隔1.25的每個象素中。這樣，方框20的y軸輸出將是11-0.25=10.75,10.75-1.25=9.5,9.5-1.25=8.25和8.25-1.25=7。當方框26將這些值向該矢量的原點向上四捨五入時，列11的下列象素每一個都得到2的亮度單位11,10,9和7。
把最小矢量長度設置為諸如4這樣較高的值的主要作用是顯著減少命中數目，在本實施例中，從LMIN=0情況下產生46個命中減至利用最小矢量長度4產生32個命中。處理若干個重複性的波形和噪聲所固有的隨機性將填充短矢量的區域和較長矢量電壓尖峰中的」孔穴」，經過若干次波形光柵化之後產生類似於」斜率響應矢量化」所表現的波形(類似於由授予Siegel等人的美國專利5,550,963「數字合成波形的分級顯示」所產生的波形)。
這種光柵化的首要目的是雙重的。首先，提供一種有效的方法，根據新波形採集的速率，使光柵化器的運行時間保持最優。AVEC完成這一目的，方法是允許在可用的波形變多時使每一個波形上所花費的時間減少。本方法的另一個目的是向操作者提供亮度(或」強度」)控制，其感覺和作用就象模擬CRT(陰極射線管)的亮度或強度控制。根據操作者的喜好通過設置AUNITS使所有的波形亮一些或暗一些，而大體上與觸發脈衝或波形採集速率或AVEC對它們的響應方式無關。
儘管在本發明的最佳實現中源於操作者使用」亮度」控制器的輸入首先影響AUNITS的值，但它與其他設置的相互作用也可以在把AVEC和AUNITS應用於光柵化的方式方面產生差別。這些變量所取的值可以由儀器的設置和輸入的一個或多個波形的性質控制。例如，改變採集和顯示中起作用的通道數將增大要求光柵化的波形數，而這會影響每一個波形的亮度，假定共享一個光柵化器，而且它具有固定的最大繪圖速度。這樣，賦予AVEC的值必須減小以便允許增大光柵化器的輸入，然後AUNTS亦必須增大，以便產生比較恆定的亮度。操作者對解析度設置的選擇也必須考慮進去，因為在解析度和更新速率之間必須平衡。儀器實際的觸發速率一般控制AVEC，但是正如上面所指出的，其數值必須加以調整，以補償儀器其他設置。儘管上面勾劃的目的反映設計環境中本發明者的喜好，正如廣義理解的，本發明並不一定限於這樣的目的，稀疏矢量方式光柵化器控制的其他處理方法仍在本發明的範圍內。
在判斷框12用的LMIN的值一般固定為一個小的值，例如2或3。在這樣的設置下，可以在不明顯影響顯示質量的情況下顯著地縮短繪圖時間。但是，若觸發速率足夠低，LMIN可以設置為0或1。隨機特性一般都設置為」on」，以避免顯示裝置混淆。為了靈活性而包括了由」dot=on」提供的選項，但是至今尚未發現在最佳實現中在改進波形質量方面有多大作用。
AMAX.VAL控制用來幫助防止在高觸發速率下出現飽和，這裡希望有高的波形亮度。它有助於限制每一個光柵化波形的亮度，以減小波形平面在繪製多個波形時飽和的趨勢。與用戶選擇的最高亮度控制設定配合使用Imin控制。通過提高最小亮度等級，它用來保證讓用戶看見每一個數據，即使這是以顯示器的大部分上的灰度信息為代價的。
儘管已經顯示和描述了本發明的最佳實施例，但是，對於本專業的技術人員來說，顯然在不脫離本發明的情況下可以在其更廣泛的方面作出許多變化和修改。例如，獨立和不獨立的變量可以是上述電壓-時間變量以外的其他變量。類似地，可以把垂直和水平軸翻轉過來。所描述的控制互作用之中有許多肯定可以用各種替代的途徑來實現，以達到不同的設計目標。因此，後附的權利要求書準備覆蓋承認本發明的各國專利法所允許的所有這些變化和修改。
權利要求
1．一種用來將一組第一變量對第二變量的數據地址對光柵化為電子數據採集儀表多位光柵掃描顯示器中的象素矢量的方法，所述方法包括以下步驟(a)提供一系列準備光柵化的數據地址對，每一個數據地址對的地址部分規定多位光柵掃描顯示器的特定列，每一個數據地址對的數據部分規定該列中的特定象素；(b)選擇每個矢量的命中數，每個矢量的命中數是每一個矢量光柵化過程中完成的象素修改數目的近似值；(c)選擇每次命中的亮度單位數，每個亮度單位代表準備由多位光柵掃描顯示器的一個象素顯示的亮度額；(d)通過以下步驟求出每一個當前矢量中的象素個數(1)從當前數據地址對算出第一端象素位置；(2)從下一個數據地址對算出第二端象素位置；以及(3)利用第一端象素位置和第二端象素位置算出當前矢量的以象素計的長度；以及(e)若所選每個矢量的命中數等於或大於當前矢量中的象素數，則把所選每次命中的亮度單位數，或其算出的倍數應用於當前矢量的每一個象素；或(f)若所選每個矢量的命中數小於當前矢量中的象素數，則把所選每次命中的亮度單位數分配到當前矢量的若干象素中每一個象素，所述當前矢量中的象素個數近似地等於或小於所選每個矢量的命中數。
2．按照權利要求1的光柵化方法，其特徵在於通過包括把所選每個矢量的命中數除以代表當前矢量中象素個數的步驟求出應用於步驟(e)的所述算出的倍數。
3．按照權利要求2的光柵化方法，其特徵在於代表當前矢量中象素個數的所述數字，是當前矢量中象素的個數、通過向下四捨五入逼近2的冪次的最接近的數字。
4．按照權利要求1的光柵化方法，其特徵在於所述分配的步驟(f)包括某種隨機化功能。
5．按照權利要求1的光柵化方法，其特徵在於所述分配的步驟(f)包括以下步驟(1)計算以象素量度的初始偏移量值；(2)計算以象素量度的周期增量值；以及(3)利用所述初始偏移量值和周期增量值，確定當前矢量中哪些象素要接受所述亮度單位數。
6．按照權利要求5的光柵化方法，其特徵在於所述計算步驟(f)(1)包括使用某種隨機化功能。
7．按照權利要求1的光柵化方法，其特徵在於選擇每個矢量的命中數的所述步驟至少部分地依賴於電子數據採集儀表的觸發脈衝速率。
8．按照權利要求1的光柵化方法，其特徵在於選擇每次命中的亮度單位數的所述步驟至少部分地依賴於操作者的輸入。
9．按照權利要求1的光柵化方法，其特徵在於若當前矢量中的象素個數小於預先賦值的最小值，則所述亮度單位數只應用於所述當前矢量中的單個象素。
10．按照權利要求1的光柵化方法，其特徵在於步驟(e)還包括以下步驟(1)把所選的每次命中的亮度單位數的算出的倍數中的總亮度單位數與預定的最大數比較；以及(2)若步驟(1)的比較表明總亮度單位數超過預定的最大數，則把所述總亮度單位數減小到預定的最大數。
11．按照權利要求1的光柵化方法，其特徵在於所選的每個矢量的命中數被限制為總是2的冪次。
12．按照權利要求1的光柵化方法，其特徵在於所述第一變量是振幅，而所述第二變量是頻率。
13．按照權利要求1的光柵化方法，其特徵在於步驟(e)的所述算出的倍數受到為減小提供給當前矢量中的每一個象素的總亮度單位數而可以調整的常數值的影響。
14．按照權利要求1的光柵化方法，其特徵在於所述多位光柵掃描顯示器的所述象素矢量是垂直地定位的，而矢量中所有象素都在光柵掃描顯示的一列中。
15．按照權利要求1的光柵化方法，其特徵在於所述多位光柵掃描顯示器的所述象素矢量包括具有水平分量的矢量，並且所述矢量中某些象素處於所述多位光柵掃描顯示器的不同於第一端象素位置所處的列中。
16．按照權利要求1的光柵化方法，其特徵在於所述第一變量是電壓，而所述第二變量是時間。
17．按照權利要求16的光柵化方法，其特徵在於通過包括把所選的每個矢量命中數除以代表當前矢量中象素個數的步驟求出所述應用步驟(e)的所述算出的倍數。
18．按照權利要求17的光柵化方法，其特徵在於所述代表當前矢量中象素個數的數是通過把當前矢量中的象素個數向下四捨五入至2的冪次的最接近的數而逼近的數。
19．按照權利要求16的光柵化方法，其特徵在於所述分配步驟(f)包括某種隨機化功能。
20．按照權利要求16的光柵化方法，其特徵在於所述分配的步驟(f)包括以下步驟(1)計算以象素量度的初始偏移量值；(2)計算以象素量度的周期增量值；以及(3)利用所述初始偏移量值和周期增量值，確定當前矢量中哪些象素要接受亮度單位數。
21．按照權利要求20的光柵化方法，其特徵在於所述計算的步驟(f)(1)包括利用某種隨機化功能。
22．按照權利要求16的光柵化方法，其特徵在於所述選擇每個矢量的命中數的步驟至少部分地依賴於所述電子數據採集儀表的觸發脈衝速率。
23．按照權利要求16的光柵化方法，其特徵在於所述選擇每個命中的亮度單位數的步驟至少部分地依賴於操作者的輸入。
24．按照權利要求16的光柵化方法，其特徵在於若當前矢量中的象素個數小於預先賦值的最小值，則亮度單位數只應用於當前矢量中的單個象素。
25．按照權利要求16的光柵化方法，其特徵在於步驟(e)還包括以下步驟(1)把所選的每次命中的亮度單位數的所述算出的倍數中的所述總亮度單位數與預定的最大數比較，以及(2)若步驟(1)的比較表明所述總亮度單位數超過了所述預定的最大數，則把所述總亮度單位數減小到所述預定的最大數。
26．按照權利要求16的光柵化方法，其特徵在於把所述選擇的每個矢量的命中數限制為總是2的冪次。
27．按照權利要求16的光柵化方法，其特徵在於步驟(e)的所述算出的倍數受一個為了減小提供給當前矢量中每一個象素的總亮度單位數而可以調整的常數的值的影響。
28．按照權利要求16的光柵化方法，其特徵在於所述多位光柵掃描顯示器象素的矢量是垂直地定位的，以及所述矢量內的所有象素都處於所述光柵掃描顯示器的一列內。
29．按照權利要求16的光柵化方法，其特徵在於所述多位光柵掃描顯示器象素的矢量包括具有水平分量的矢量，以及所述矢量中某些象素處在多位光柵掃描顯示器的不同於所述第一端象素位置所處的列中。
全文摘要
公開一種把一組電壓－時間數據－地址對光柵化成數字式示波器或類似的電子數據採集儀表的多位光柵顯示存儲器水平和垂直位置的方法。該方法通過使操作者或基於儀表觸發脈衝速率的某種功能可以設定用來點亮受每個獲取數據對的光柵化影響的象素的亮度單位數,來提供控制數字亮度的新途徑。稀疏矢量光柵化避免了在點方式和矢量方式之間硬性地二中選一,並給予用戶類似於模擬式的產生觀察選擇的感覺的連續統一體的亮度控制。
文檔編號G09G5/36GK1234506SQ9910225
公開日1999年11月10日 申請日期1999年2月15日 優先權日1998年2月19日
發明者S·K·蘇利範, P·M·格拉赫, K·P·多拜恩斯, S·J·彼德斯, D·P·馬圭雷, R·C·普勒布斯特, 張京凡 申請人:特克特朗尼克公司