Компьютерная графика и ее аппаратная реализация (обзор видеокарт)

Графический чип GeForce 8500 GT может похвастаться лишь одним функциональным блоком, который состоит из 16 потоковых процессоров и 4 TMU. Ядро содержит 210 млн транзисторов. Номинальная частота чипа равна 450 МГц, потоковых процессоров -- 900 МГц. Блоки ROP и шину данных оставили без изменений. На видеокартах используются 8 микросхем DDR2-памяти (с 16-битной шиной) объемом 256 Мбит каждая. Частота памяти составляет 800 МГц.

Основным преимуществом чипов G84 и G86 стал встроенный видеопроцессор PureVideo HD. Он использует BSP-движок (Bitstream Processor Engine), который берет на себя основную нагрузку по декодированию таких видеоформатов, как H.264, VC-1, MPEG-2 с разрешением до 1920x1080 и битрейтом до 40 Мбит/с. На практике получается следующее: воспроизведение дисков Blu-ray и HD-DVD с применением программного декодирования загружает процессор на 90-100%, видеокарты предыдущего поколения снижают этот показатель до 60-70%, в случае с GeForce 8500/8600 обработка видео отъедает лишь 20% процессорного времени. Прогресс налицо!

Поддержка внешних интерфейсов у GeForce 8500/8600 теперь встроена в графическое ядро платы. В случае с GeForce 8800 этим занимался чип NVIO. GeForce 8600 GTS оснащена двумя выходами Dual-Link DVI-I c поддержкой HDCP. Кроме того, возможно появление моделей с разъемом HDMI. GeForce 8500 GT и 8600 GT обладают лишь опциональной поддержкой HDCP и HDMI, так что реализация этих интерфейсов остается уделом производителей видеокарт.

Глоссарий

2D Graphics

Двумерная графика. Графика, *действие* в которой происходит в одной плоскости. Например, пользовательский интерфейс.

3D Graphics

Трехмерная графика. Визуальное отображение трехмерной сцены или объекта. Для представления трехмерной графики на двумерном устройстве (дисплей) применяют рендеринг (см. Rendering).

Anti-aliasing

Анти-алиасинг. Способ обработки (интерполяции) пикселов для получения более четких краев (границ) изображения (объекта). Наиболее часто используемая техника для создания плавного перехода от цвета линии или края к цвету фона. В некоторых случаях результатом является смазывание (blurring) краев.

Buffer

Буфер. Область временного хранения данных, часто используется для компенсации разницы в скорости работы различных компонентов системы. Часто в качестве буфера используется дополнительная память, зарезервированная для временного хранения данных, которые передаются между центральным процессором системы и периферией (такой, как винчестер, принтер или видеоадаптер). Особенно полезен буфер для компенсации разницы в уровнях интенсивности потоков данных, для обеспечения места размещения данных, когда процессы асинхронны (например, данные, переданные в контроллер видеоплаты, должны дождаться, когда графический процессор закончит выполнение текущей операции и считает новую порцию информации), и для сохранения данных в неизменном виде (как буфер для видеокадра). Некоторые буферы являются частью адресуемой памяти центрального процессора системы, другие буферы памяти являются частью периферийных устройств.

Double Buffering

Двойная буферизация. Представьте себе старый трюк аниматоров: нарисованный на уголках стопки бумаги персонаж мультика со слегка изменяемым положением на каждом следующем листе; затем, пролистав всю стопку, отогнув уголок, мы увидим плавное движение нашего героя. Практически такой же принцип работы имеет и Double Buffering в 3D анимации, т.е. следующее положение персонажа уже нарисовано до того, как текущая страница не пролистана. Без применения двойной буферизации движущееся изображение не будет иметь требуемой плавности, т.е. будет прерывистым. Для двойной буферизации требуется наличие двух областей, зарезервированных в буфере кадров трехмерной графической платы; обе области должны соответствовать размеру изображения, выводимого на экран.

Метод использования двух буферов для получения изображения: один для отображения картинки, другой для рендеринга. В то время, как отображается содержимое одного буфера, в другом происходит рендеринг. Когда очередной кадр обработан, буфера переключаются (меняются местами). Таким образом наблюдатель все время видит отличную картинку.

Fogging

Затуманивание. Образуется за счет комбинирования смешанных компьютерных цветовых пикселов с цветом тумана (fog) под управлением функции, определяющей глубину затуманивания.

FPS, frames per second

Частота смены кадров. Чтобы оценить быстродействие системы трехмерной визуализации, достаточно запустить приложение, динамически создающее трехмерные сцены, и подсчитать число кадров в секунду, которое система способна отобразить. Однако, единого, достаточно авторитетного теста такого рода еще не создано. Большинство имеющихся тестов, основаны на фрагментах трехмерных игр и проверяют поведение графической карты на весьма ограниченном наборе функций.

Например, известная фирма Ziff Davis, выпустила тестовый пакет 3D Winbench'98.

Frame buffer

Буфер кадра. Специально отведенная область памяти компьютера или отдельной платы для временного хранения данных о пикселах, требуемых для отображения одного кадра (полного изображения) на экране монитора. Емкость буфера кадра определяется количеством битов, задействованных для определения каждого пиксела, который должен отображать изменяемую область или количество цветов и их интенсивность на экране.

MIP Mapping

Multum in Parvo - с латыни переводится как "много в одном". Метод улучшения качества текстурных изображений при помощи использования текстур с разным разрешением для различных объектов одного и того же изображения, в зависимости от их размера и глубины. Таким образом, в памяти хранятся несколько копий текстурированного изображения в различных разрешениях. В результате этого изображение остается качественным при приближении к объекту и при удалении от него. При использовании этого метода Вы увидите изображение в высоком разрешении, находясь близко от объекта, и изображение в низком разрешении при удалении от объекта. MIP Mapping снижает мерцание и "зашумленность" изображения, возникающие при texture mapping.

Mip mapping использует некоторые умные методы для упаковки данных о текстурах изображения в памяти. Чтобы использовать Mip mapping, необходимо, взяв все размеры текстур и умножив это число на два, построить одну карту наибольшего размера. Все карты меньшего размера обычно фильтруются и становятся усредненными и уменьшенными версиями самой большой карты.

Pipeline

Конвейер. В случае с графикой - серия шагов по созданию и отображению трехмерного изображения. Первый шаг - трансформация: создается трехмерный объект и отображается на плоскость. Второй шаг - добавление освещенности объекту. Третий шаг - рендеринг цветов и теней многоугольников для соответствующих текстур.

Pixel

Пиксель. Комбинированный термин, обозначающий элемент изображения, который является наименьшим элементом экрана монитора. Другое название - pel.

Изображение на экране состоит из сотен тысяч пикселей, объединенных для формирования изображения. Пиксель является минимальным сегментом растровой строки, которая дискретно управляется системой, образующей изображение. С другой стороны, это координата, используемая для определения горизонтальной пространственной позиции пикселя в пределах изображения. Пиксели на мониторе - это светящиеся точки яркого фосфора, являющиеся минимальным элементом цифрового изображения. Размер пикселя не может быть меньше точки, которую монитор может образовать. На цветном мониторе точки состоят из групп триад. Триады формируются тремя различными фосфорами: красным, зеленым и синим. Фосфоры располагаются вдоль сторон друг друга. Пиксели могут отличаться размерами и формой, в зависимости от монитора и графического режима. Количество точек на экране определяются физическим соотношением ширины к высоте трубки.

Procedural Texturing techniques (программное текстурирование)

Метод наложения реалистичных текстур "на лету", т.е. путем математических аппроксимаций структуры таких материалов как дерево, мрамор , камень и др. До последнего времени Procedural Texturing редко использовалось как в программных, так и акселерированных игровых и других движках реального времени. В первом случае, ввиду того, что подобные вычисления требуют колоссальных мощностей математического сопроцессора для приемлемой скорости рендеринга, а во втором случае - потому, что "шумовые" алгоритмы Перлина, которые используются для генерации таких текстур - не стандартны и имеют много вариаций. Более того, процесс генерации текстур, различных по типу, требует различных схемных подходов, в то время как традиционное наложение текстур требует одинакового схемного решения для загрузки любого изображения. После появления на свет технологии MMX от Intel ситуация изменилась, и уже существуют разработки программной реализации "шума" Перлина на основе этой технологии, которые позволяют накладывать текстуры "на лету" со скоростью, сравнимой с простым текстурированием.

Характерные особенности:

Доступны любые качество и разрешение текстур, возможна их моментальная смена "на лету" (+)

Трехмерность (+)

Высокие требования к производительности CPU (-)

Минимальные требования к количеству памяти компьютера (+)

Процесс сложноуправляем (-)

Ограниченность применения. Неприменим для имитации людей, картин, торговых марок и этикеток, рисунков и т.д. (-)

Rasterization

Разделение объекта на пикселы.

Ray Tracing

"Трассировка лучей" - один из самых сложных и качественных методов построения реалистических изображений. Наиболее распространен вариант "обратной трассировки лучей": от глаза наблюдателя, через пиксел строящегося изображения проводят луч и, учитывая все его отражения от объектов, вычисляют цвет этого пиксела.

RGB

Система цветообразования, в которой конечный цвет получается за счет смешения, с различной интенсивностью, трех основных цветов: красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue). Самое известное устройство, которое использует систему RGB, это цветной монитор.

Real-time

Режим реального времени; при этом иммитируемые события происходят так же, как и в реальной жизни. Для достижения этого используется синхронизация со встроенным таймером компьютера.

Rendering

Процесс создания реалистичных изображений на экране, использующий математические модели и формулы для добавления цвета, тени и т.д.

Resolution

Разрешение. Количество пикселей, представленное битами в видеопамяти, или адресуемое разрешение. Видеопамять может организовываться соотношением пикселов (битов) по оси x (пикселы на строке) к числу пикселов по оси y (столбцы) и к размеру отводимой памяти на представление глубины цвета. Стандартная видеопамять VGA 640 пикселов на 480 пикселов и, обычно, с глубиной представления цвета 8 бит. Чем выше разрешение, тем более детально изображение, и тем больше нужно хранить о нем информации. Но не вся хранимая информация может быть отображена на дисплее.

Tessellation

Процесс деления изображения на более мелкие формы. Для описания характера поверхности объекта она делится на всевозможные многоугольники. Наиболее часто при отображении графических объектов используется деление на треугольники и четырехугольники, так как они легче всего обсчитываются и ими легко манипулировать.

Texel

Элемент текстуры - определенный пиксель в текстуре.

Texture

Двумерное изображение хранящееся в памяти компьютера или графического акселератора в одном из пиксельных форматов. В случае хранения в сжатом виде на дисках компьютера текстура может представлять собой обычный бит-мап, который мы привыкли видеть в форматах bmp, jpg, gif и т.д. Перед использованием текстура разворачивается в памяти и может занимать объем в десятки раз больший первоначального размера. Существует порядка двух десятков более или менее стандартизированных пиксельных форматов текстур.

Texture Anti-aliasing

Удаление нежелательных искажений растровых изображений с помощью интерполяции текстурных изображений.

Texture Mapping

Традиционно термином texture mapping в трехмерном моделировании называют процесс наложения двухмерной текстуры на трехмерный объект (текстура как бы натягивается на объект) для придания ему соответствующего внешнего вида. Таким образом, например, производится "раскрашивание" моделей монстров и игроков в трехмерных играх типа Quake

Transformation

Изменение координат. Последовательность математических операций над выходными графическими примитивами и геометрическими атрибутами для преобразования их из рассчетных координат в системные координаты.

Tri-linear Filtering (Tri-linear MIP Mapping)

Метод уменьшения искажений в картах текстур, использующий билинейную фильтрацию для четырех текстурных пикселов из двух ближайших MIP-карт и их дальнейшую интерполяцию.

Для получения изображения берется взвешенное среднее значение результатов двух уровней билинейной фильтрации. Полученное изображение - более четкое и менее мерцающее.

Текстуры, с помощью которых формируется поверхность объекта, изменяют свой вид в зависимости от изменения расстояния от объекта до положения глаз зрителя. При движущемся изображении, например, по мере того, как объект удаляется от зрителя, карты текстур должны уменьшаться в размерах вместе с уменьшением размера отображаемого объекта. Для того, чтобы выполнить это преобразование, графический процессор фильтрует карты текстур вплоть до (соответствующего) размера, необходимого для покрытия поверхности объекта, при этом изображение остается естественным, т.е. объект не деформируется непредвиденным образом. Для того, чтобы избежать таких непредвиденных изменений, большинство графических программ создают серии пред-фильтрованных карт текстур с уменьшенным разрешением, этот процесс называется mip mapping. Затем графическая программа автоматически определяет, какую карту текстур использовать, основываясь на деталях карты текстур изображения, которое уже выведено на экран. Соответственно, если объект уменьшается в размерах, размер карты текстур тоже уменьшается.

Z-buffer

Часть графической памяти, в которой хранятся расстояния от точки наблюдения до каждого пиксела (значения Z). Z-buffer определяет, какая из многих перекрывающихся точек наиболее близка к плоскости наблюдения.

Также, как большее число битов на пиксель для цвета в буфере кадра соответствует большему количеству цветов, доступных в системе изображения, так и количество бит на пиксель в z-буфере соответствует большему числу элементов. Обычно, z-буфер имеет не менее 16 бит на пиксел для представления глубины цвета. Аппаратные акселераторы 3D графики могут иметь собственный z-буфер на графической карте, чтобы избежать удвоенной нагрузки на системную шину при передаче данных. Некоторые реализации Z-buffer используют для хранения не целочисленное значение глубины а значение с плавающей запятой от 0 до 1.

Z-buffering

Процесс удаления скрытых поверхностей, использующий значения глубины, хранящиеся в Z-буфере. Перед отображением нового кадра, буфер очищается, и значения величин Z устанавливаются равными бесконечности. При рендеринге объекта устанавливаются значения Z для каждого пиксела: чем ближе расположен пиксел, тем меньше значение величины Z. Для каждого нового пиксела значение глубины сравнивается со значением, хранящимся в буфере, и пиксел записывается в кадр, только если величина глубины меньше сохраненного значения

Z-sorting

Процесс удаления невидимых поверхностей с помощью сортировки многоугольников в порядке низ-верх, предшествующий рендерингу. Таким образом, при рендеринге верхние поверхности обрабатываются последними. Результаты рендеринга получаются верными только, если объекты не близки и не пересекаются. Преимуществом этого метода является отсутствие необходимости хранения значений глубины. Недостатком является высокая загрузка процессора и ограничение на пересекающиеся объекты.

GUI

Графический интерфейс пользователя (graphical user interface). Интерфейс между пользователем и программой, определяющий способ взаимодействия пользователя и програм+

Литература

1. http://www.worldofpc.ru/vhis.html

2. http://www.izcity.com/data/hard/print_article528.htm

3. http://www.comprice.ru/arch/2005-14.phtml

4. http://www.softdata.ru/data/hard/article528.htm 

5. http://www.videocarta.ru/pagsect-366.html

6. http://subscribe.ru/archive/comp.paper.compdoc/200407/08063443.html

7. http://www.igromania.ru/Articles/3976/Yenciklopediya_tretego_izmereniya_chast_6_Peripetii_sovremennyh_3D-tehnologii.htm 

8. http://www.computery.ru/upgrade/index.html

9. http://www.upweek.ru