Rozdział 9.
Grafika PC
w dobie multimediów
W epoce bujnego rozkwitu technik multimedialnych komputer PC, który nie jest w stanie pokazać na swoim monitorze płynnie animowanej sekwencji wideo lub wirtualnych obiektów trójwymiarowych wydaje się być niekompletny. Odbiorcy przyzwyczajeni do jakości obrazów telewizyjnych oczekują tego samego na ekranie PC.
Wymyślne nazwy handlowe przeróżnych akceleratorów graficznych mają zachęcić potencjalnych klientów do kupna. Co kryje się za tajemniczo brzmiącymi pojęciami oraz kilka wiodących tendencji w tej dziedzinie zostanie przedstawione Czytelnikowi w tym rozdziale.
Same parametry techniczne nowych opracowań nie decydują o powodzeniu produktu na rynku. Konieczne jest uwzględnienie również aspektów ekonomicznych co znajduje naturalnie swoje odbicie w cenie. Z tego względu, mimo iż aktualny stan technologii leży często znacznie wyżej, producenci zmuszeni są do wprowadzania różnorodnych ograniczeń i wybierania kompromisów. Część z tych uproszczeń nie ma w istocie dużego wpływu na jakość postrzeganych obrazów bowiem zmysł wzroku człowieka nie jest kamerą cyfrową i reaguje na barwne obrazy w bardzo specyficzny sposób. Istniejące naturalne bariery (szczególnie te dotyczące szybkości obróbki i prezentacji obiektów trójwymiarowych) stanowią nadal gwarancję, iż komputer klasy PC długo jeszcze nie będzie roboczą stacją graficzną.
Całość zagadnień związanych z przetwarzaniem i prezentacją obrazów przez komputer PC można podzielić na dwie grupy tematyczne. Do pierwszej z nich zaliczyć można prezentację połączoną z ewentualną obróbką materiałów, które nie zostały stworzone przez dany komputer a pochodzą z innych źródeł. Do materiałów takich należą wszelkie zdigitalizowane sekwencje wideo (kamery i magnetowidy), odtwarzanie filmów z CD i DVD, sygnały z tunerów telewizyjnych itp. Grupa druga obejmuje swym zasięgiem zestaw zagadnień związanych z syntezą wirtualnego obrazu (w chwili obecnej już prawie wyłącznie 3D) czyli głównie gry komputerowe i różne interakcyjne programy dydaktyczne.
Przetwarzanie sekwencji wideo
Przetwarzanie obrazów wideo należy jeszcze nadal do jednego z ostatnich bastionów, który skutecznie opiera się przed kompletnym zawładnięciem przez komputery PC. Najskuteczniejszą barierę stanowi objętość opracowywanych danych: jedna sekunda pełnowartościowego sygnału wideo poddana digitalizacji zajmuje około 20 MB pamięci. Mimo szybkiego rozwoju technologii dysków twardych i co za tym idzie stałego przyrostu pojemności, taka ilość informacji nie może być przetwarzana w czasie rzeczywistym przez komputer klasy PC.
Analizując stronę fizjologiczną zagadnienia można (podobnie jak w profesjonalnych systemach telewizyjnych) zredukować znaczną część informacji. Z szerokiego pasma sygnału wideo usuwa się te składowe, których obecność w sygnale wideo i tak nie jest dostrzegana przez oko ludzkie. W drugim etapie do akcji wkraczają przemyślne metody kompresji (Indeo i Cinepak). Wszystkie te zabiegi pozwalały, zachowując w miarę przyzwoitą jakość obrazu, na ograniczenie strumienia danych do rozmiarów 500 kB/s. Mimo tak wielkiego stopnia kompresji, technika PC dopiero przed kilku lary dorosła do możliwości prezentacji ruchomych obrazów, a i też nie od razu na całym ekranie. Pierwsze kroki stawiane były w małych okienkach o rozmiarach 352 x 288 pikseli przy szybkości odtwarzania 25 fbs (Frame per Second, obrazów/sekundę). Ogromną zaletą stosowanych technik kompresji obrazu są stosunkowo proste algorytmy dekompresji. Wymagana moc obliczeniowa leży w zakresie procesora klasy 486.
Z nastaniem płyty kompaktowej i rozpowszechnieniem popularnych odtwarzaczy propagatorzy techniki wideo na platformie PC poczuli nowy wiatr w żaglach. Nareszcie powstał tani nośnik informacji, na którym można upakować dobre kilkadziesiąt minut filmu nie wspominając o towarzyszącym dźwięku i to wysokiej jakości. Zapały studziła skutecznie prędkość pierwszych czytników CD: średnio 150 kB/s. Ale i na to znalazło się lekarstwo. Opracowana została nowa technika kompresji (MPEG), która zadowala się nawet tą mizerną prędkością transmisji. I jakkolwiek rozkodowywanie takiego sygnału jest i tak o niebo łatwiejsze od algorytmów kompresji, to rym razem problem przerósł możliwości PC: Pentium radzi sobie z nim z trudem, a 486 wcale. Do akcji bowiem wkracza element przetwarzania w czasie rzeczywistym. Czas rozkodowania jednej klatki nie może być przecież dłuższy od 1/25 s bowiem dla wywołania wrażenia płynności obrazu trzeba wyświetlać co najmniej tą minimalną ilość.
Dla pokonania powyższych barier nie wystarczy zwykłe zwiększenie mocy obliczeniowej CPU. Natura problemu jest złożona i dotyczy różnych wąskich gardeł tkwiących do dziś w architekturze PC. Dane wideo, ze względu na swoją specyfikę, poddają się ponadto niechętnie przetwarzaniu przy pomocy klasycznych rozkazów maszynowych procesorów pochodnych od x86. Do akcji wkroczyć muszą wyspecjalizowane układy koprocesorów (zwanych też akceleratorami), które zwalniają jednostkę centralną PC z wykonywania zadań, do których w zasadzie nie została powołana. Lokalne przetwarzanie danych w obrębie akceleratora wpływa ponadto korzystnie na zmniejszenie ruchu na magistralach systemowych, których przepustowość jaka by nie była i tak zawsze jest za mała.
Sprzętowe wspomaganie funkcji wideo
Pod pojęciem akceleratorów wideo należy rozumieć karty graficzne SVGA wzbogacone o dodatkowe moduły sprzętowe.
Układy takie lokalizuje się (w odróżnieniu od koproce-sora arytmetycznego) nie w rejonie procesora, ale blisko
przetwarzanych danych (pamięci obrazu), czyli na karcie graficznej. Biorą one na siebie fragment procesu dekodowania
obrazu wideo, przez co zwalniają jednostkę centralną (CPU) z ogromnej ilości operacji. Odzyskana moc obliczeniowa
stawiana jest do dyspozycji systemu operacyjnego a odciążone magistrale systemowe umożliwiają szybszy dostęp do
zasobów: pamięci RAM, dysków i peryferii.
Sama idea przekazywania coraz to większych uprawnień do sterownika graficznego nie jest przecież nowa. Już od dawna
proste formy geometryczne (prostokąty, elipsy itp) kreślą i kolorują sterowniki graficzne a jednostka centralna inicjuje
jedynie ten proces zadając niezbędne wartości początkowe(Karty SVGA pracujące w tym
trybie noszą też miano akceleratorów 2D).
Jeszcze przed erą MPEG pojawiły się pierwsze karty, prekursorzy dzisiejszych akceleratorów, które uwalniały PC ze zmory
wideo w formacie znaczka pocztowego. Zastosowane w nich rozwiązania sprzętowe rozciągały obraz na całym ekranie
(skalowanie w kierunku x i y). Niektóre brały ponadto na siebie obliczenia związane z konwersją RGB/YUV.
Podobnie zbudowane są współczesne akceleratory. Podczas odtwarzania sekwencji wideo (np. pliku w formacie avi z
dysku lub płyty kompaktowej) dwa ostatnie etapy procesu dekodowania (konwersja modelu kolorów i skalowanie)
przenoszone są do kontrolera graficznego albo do układu scalonego zawierającego RAM-DAC.
Konwersja RGB/YUY zapożyczona została z techniki telewizyjnej. Dla jednoznacznego zdefiniowania barwy punktu nie
trzeba przekazywać wartości trzech składowych R, G i B (układ współrzędnych RGB), gdyż można, wykorzystać inne
układy współrzędnych.
W układzie YUV składnik Y reprezentuje luminację punktu a informacja o barwie zawarta jest w elementach U i V.
Każdy punkt kolorowy można w każdej chwili przenieść z jednej przestrzeni do drugiej, np. z YUV do RGB:
R=Y+1,140V G=Y-0,395U- 0,581 V B=Y+2,032U
Dla oka ludzkiego większe znaczenie odgrywa szczegółowa infonnacja o luminancji punktów niż o ich barwie. Jeżeli
składnik Y został sprytnie wyizolowany z informacji o kolorach, można sobie pozwolić na pewną redukcję reszty. W tzw.
modelu 4:1:1(Częstotliwość próbkowania sygnałów U i V stanowi Y* częstotliwości próbkowania sygnału luminancji Y.
W modelu oznaczanym 4:2:0 wspomniany stosunek częstotliwości wynosi 1/2, za to przy kwantyzacji informacji o barwie
pomijana jest co druga linia.), składniki U oraz V zajmują jedynie połowę miejsca przewidzianego na Y. Tak więc 4 punkty
obrazu w modelu RGB zajmują 16 bajtów a po przeniesieniu do YUV jedynie 6. Taki kompaktowy schemat pamięci obrazu
redukuje w dużym stopniu ruch na odcinku kontroler graficzny-pamięć obrazu (średnio o 50 %). Uzyskana tą drogą
oszczędność mocy obliczeniowej pozwala na podniesienie rozdzielczości ze 160 x 120 do 320 x 240 punktów.
Jak już wcześniej wspomniano, skalowanie (zoom) odtwarzanego obrazu wideo do oryginalnych rozmiarów (Native Size)
realizowane jest w akceleratorach poprzez układy sprzętowe. W zależności od stopnia komplikacji i nakładów uzyskuje się
różne efekty.
Trzeba zdawać sobie sprawę, że operacja skalowania z założenia musi prowadzić do pogorszenia jakości, bowiem
wprowadza do oryginalnego obrazu informacje, których nigdy tam nie było. W kierunku pionowym powstają nowe linie,
które trzeba równomiernie rozmieścić na ekranie i w dodatku wypełnić inteligentnie jakąś treścią. Każda linia oryginału
musi ponadto przyjąć szereg dodatkowych pikseli (skalowanie w kierunku x) o nieobojętnej poniekąd barwie. Istnieją
mniej lub bardziej szczęśliwe próby opanowania tego zjawiska. Najprostsze kontrolery pierwszej generacji wstawiały po
prostu powielone linie oryginału. Rozciągnięta linia ukośna stawała się dzięki takiemu zabiegowi bardzo "zębata". Dużo
lepsze efekty przynosiła interpolacja międzyliniowa (wyliczana i wstawiana jest linia średnia dzieląca dwa oryginały) ale
wymaga dodatkowego bufora liniowego. W kierunku poziomym interpoluje się zwykle z kilku sąsiadujących punktów.
Układy nowszych generacji interpolowały już zarówno w pionie jak i w poziomie: Vision868 i 968 (s3), Alliance Promotion 3210 (Miro), ALG2302/ALG1301 (dawna Spea) i ARK2000 (Hercules).
Interfejs programowy
Wykorzystanie wszystkich udogodnień oferowanych przez sprzęt nie było by możliwe bez odpowiedniego interfejsu programowego. Dla potrzeb aplikacji pracujących pod kontrolą systemu Windows 3.x stworzone zostało złącze programowe GDI (Graphics Device Interface). Składało się ono z dostępnych dla programisty zestawów funkcji, które rysowały na ekranie okna, paski przewijania, wszelkie elementy kontrolne i sterujące (Buttonś), napisy i najróżniejsze obiekty graficzne. Funkcje te brały na siebie przydzielanie i zwalnianie pamięci, generowanie komunikatów i obsługę użytkownika, jednym słowem troszczyły się o sprawne funkcjonowanie szaty graficznej Windows, bez konieczności głębokiego wnikania w jego wnętrze.
System ten nie znał pojęcia "sekwencja wideo". W początkowej fazie rozwoju tej formy wyrazu treści graficznych programiści byli zmuszeni do przetwarzania każdej klatki obrazu filmowego na mapę bitową i przesyłania jej do GDI. Ta z kolei transportowała ją do sterownika programowego karty graficznej.
Droga do wspomagania funkcji wideo została otwarta dopiero dzięki porozumieniu firm Intel i Microsoft, które uzgodniły standard DCI (Display Control Interface). Interfejs ten stworzony został wyłącznie dla potrzeb Windows 3.Ix i w zasadzie tylko tam znalazł swe zastosowanie.
Na system ten składały się dwa elementy:
Współpracujący bezpośrednio ze sprzętem (kartą z akceleratorem graficznym) programowy sterownik DCI (DCI-Provider).
Niezależny od sprzętu zarządca DCI (DCI-Manager).
Opracowanie sterownika DCI należało do obowiązków producenta karty graficznej. Funkcje udostępniane przez ten sterownik wykorzystywała wyższa warstwa modelu: DCI-Client. Dzięki takiej hierarchii aplikacja wideo zyskiwała bezpośredni dostęp do poszczególnych powierzchni (Surfaces) pamięci karty. Powierzchnie takie mogły należeć do tzw. zakresu widzialnego (Primary Surface) lub do obszaru niewyświetlanego (Off-Screen Surface) gdzie odbywa się właściwe budowanie obrazu oraz różne operacje pomocnicze. Gdy budowany w pamięci obraz był gotów, następowało przełączenie powierzchni (Flip). Przełączenie polegało na prostym przestawieniu wskaźnika adresowego układów odczytujących (RAM-DAC) na nowy obszar, od tej chwili deklarowany jako widzialny.
Największe przyspieszenie operacji wideo osiągało się w przypadku obróbki sygnału, którego schemat kodowania pokrywa się z organizacją pamięci karty (np. YUV w trybie 4:1:1). Wówczas to zdekodowane ramki wideo przesyłane były bez zbędnych opóźnień bezpośrednio do okna wideo w pamięci.
Z systemu DCI mogły czerpać korzyści nawet zwykłe karty graficzne, bez sprzętowego wspomagania funkcji wideo (o ile producent dostarczył odpowiedni sterownik DCI), bowiem strumień wideo przesyłany był do pamięci karty drogą bezpośrednią a nie okrężną poprzez GDI. Konwersja RGB/YUY realizowana była jednak w tym przypadku konwencjonalnie. Wszystkie obliczenia musiała wykonać jednostka centralna komputera.
W pewnej fazie rozwoju DCI doszło do sporu pomiędzy firmami Intel i Microsoft na tle praw autorskich i zastrzeżeń patentowych. Wraz z pojawieniem się na rynku systemu Windows 95, Microsoft wprowadził więc nowy model programowego interfejsu wideo oznaczany mianem DirectDraw. Ze względu na niekompatybilność z funkcjami swego poprzednika, wiele wysiłku włożonego w rozwój złącza DCI musiało pójść na marne.
Kolejny etap rozwoju stanowi propagowany przez Microsoft interfejs DirectX, który jest już jednolity dla Windows 95 i Windows NT. DirectX jest pojęciem bardziej ogólnym pod którym ukrywa się już nie tylko DirectDraw ale i inne interfejsy programowe (API):
DirectDraw. Przyspiesza grafikę 2D poprzez udostępnienie całej pamięci sterownika graficznego bądź to dla bezpośredniego dostępu do okna wideo, bądź dla zrealizowania funkcji manipulowania powierzchniami.
DirectBD. Jest klasycznym zestawem funkcji zwróconych w stronę obecnych już w tym momencie na rynku sprzętowych akceleratorów 3D.
Directlnput. Stanowi bibliotekę funkcji obsługujących obce dla klasycznego PC-ta multimedialne urządzenia wejściowe takie jak: cyfrowe i analogowe manipulatory (Joystick\ układy sterowania symulatorów (lotniczych, samochodowych itp.), pedały, wolanty, hełmy i rękawice systemów przestrzeni wirtualnych (Virtual Reality) itd.
DirectSound. Dostęp i ewentualne przyspieszanie pracy kart dźwiękowych, mikserów i wszelkich instrumentów muzycznych.
DirectPlay. Oferuje aplikacjom dostęp do modemów i środowisk sieciowych.
Format MPEG
Zapotrzebowanie na systemy umożliwiające szybkie i tanie rozpowszechnianie sekwencji obrazów ruchomych generowanych bądź przez komputer bądź przez klasyczny sprzęt wideo zawsze było spore. Każdy kto choć trochę otarł się o te zagadnienia (sekwencje wideo w Internecie) skonfrontowany został z masą przeróżnych formatów i systemów. W punkcie tym omówimy pokrótce cechy formatu MPEG (Motion Pictures Expert Group), który zdaniem autora ma on największe szansę na przeobrażenie się w dominujący standard w tej dziedzinie. Kodowanie i dekodowanie danych w tym systemie ma (ze względu na duże zapotrzebowanie na moc obliczeniową) bardzo ścisły związek ze sprzętem. Wiele poruszonych przy tym zagadnień ma charakter uniwersalny i odnosić się może również do innych formatów.
MPEG opracowany został przez grupę niezależnych ekspertów i nie jest (jak to się często zdarza) związany z żadnym koncernem komputerowym. W krótkim czasie stał się standardem w dziedzinie cyfrowego przesyłania i przechowywania obrazów ruchomych. Wyprzedza on wszystkie poprzednio stosowane formaty (Indeo, Cinepak, QuickTime) zarówno pod względem jakości jak i współczynnika kompresji. Jakość obrazu porównywalna jest z poziomem osiąganym przez powszechnie stosowany magnetowid standardu VHS a towarzyszący dźwięk sprawia wrażenie jakby pochodził z płyty kompaktowej.
Istota kompresji polega w tym wypadku na zapamiętywaniu nie tyle samego obrazu ile zachodzących w nim zmian. Algorytm przeszukuje dłuższe sekwencje filmu i dzieli je na partie, w obrębie których zmiany w obrazie są stosunkowo niewielkie. Na ekranie pozostają przecież na ogół te same obiekty, co najwyżej przesunięte lub o lekko zmienionych wymiarach. Zapamiętywane są więc tylko te zmiany a nie stale ta sama powta-
rzająca się baza. Ten sposób podejścia do zagadnienia sprawia, iż algorytm kompresji MPEG nosi też często miano "kompresji delta", tzn. iż bazuje na małych różnicach pomiędzy kolejnymi klatkami.
Mimo wielu korzyści przynoszonych przez kodowanie jedynie samych zmian, niezbędne jest jednak również zapamiętywanie co pewien czas całej kompletnej sceny, tzw. ramki kluczowej (Key Frame). Ramki takie określa się w technice cyfrowej obróbki często mianem I-Frames. Odtwarzanie sygnału zakodowanego przez MPEG nie musi rozpoczynać się od początku, a często zależy nam na szybkim dostępie do określonego punku wewnątrz sekwencji (na przykład podczas montażu filmu). Obecność ramek kluczowych przyspiesza wówczas znacznie rozkodowanie i obróbkę.
Jądro systemu kodowania bazuje (podobnie jak JPEG i wiele innych standardów) na dyskretnej transformacji kosinusowej (DCT). Zgodnie z teorią Fouriera każdy przebieg można przedstawić jako sumę nakładających się na siebie fal sinusoidalnych o różnych częstotliwościach, amplitudach i fazach. Rozkład powierzchniowy punktów świetlnych w obrazie (pikseli) znajduje naturalnie odbicie w takiej analizie Fouriera: duże jednorodne powierzchnie produkują składniki o małej częstotliwości a za drobne skomplikowane detale odpowiedzialne są przebiegi wysokoczęstotliwościowe. Przeważająca większość informacji wizualnej zwykłego równomiernie rozłożonego obrazu rozłożona jest w zakresie składników o małej i średniej częstotliwości. Okazuje się, że pozbawienie obrazu składników Fouriera o najwyższych częstotliwościach (eliminacja najdrobniejszych szczegółów) tylko w niewielkim stopniu wpływa na pogorszenie jego jakości (ocenianej okiem ludzkim).
Kolejnym krokiem w redukcji ilości informacji zawartej w obrazie jest pewne okrojenie go z barwy szczegółów. Znów przychodzi z pomocą fizjologiczna strona zagadnienia: zmysł wzroku bardziej jest wrażliwy na bodźce typu kontrast-jaskrawość niż na szczegółową strukturę barwną. Można więc np. uśrednić kolor dwóch sąsiadujących ze sobą punktów i nadać im pewien kolor wypadkowy. Potrzebna do zapamiętania ilość informacji znacznie maleje po takiej operacji, a jakość obrazu niewiele na tym ucierpi.
W swej podstawowej formie strumień MPEG ma następujące cechy:
Format klasyczny SIF: 352 x 288 punktów przy 25 fps (w systemie PAL)
Format uproszczony QSIF: 176 x 144 punktów przy 25 fps
MPEG jest optymalny dla producentów materiałów edukacyjnych, informacyjnych i prezentacji. Mimo że wnosi on pewne straty do jakości materiału źródłowego, opiera się na nim szereg istniejących już systemów informacyjnych. W swej zwartej formie zawierać może średniej długości Video-Clip wraz z towarzyszącym dźwiękiem o wysokiej jakości. Warto nadmienić, iż algorytm kompresji ma wbudowane mechanizmy gwarantujące synchronizację obrazu i dźwięku. Sprawa ta nie jest bynajmniej oczywista w przypadku wielu innych formatów. Małe rozmiary plików doskonale nadają się do zastosowań w obrębie wszelkich sieci (np. Internet) i skrzynek pocztowych (Mail-Box), gdzie czas przesyłania danych ma wyraźny aspekt ekonomiczny. Warto również nadmienić o częstym wykorzystywaniu MPEG przy archiwizacji danych.
Dekodowanie
Dekodowanie sygnału MPEG jest z punktu widzenia użytkownika sprawą stosunkowo prostą. Występujące na rynku w chwili obecnej produkty można zaliczyć do jednej z trzech klas:
Rozwiązania czysto programowe.
Komputery PC bazujące na procesorach klasy Pentium odtwarzają pliki w tym formacie bez konieczności angażowania dodatkowego sprzętu; na ogół wystarcza MPEG-Player wchodzący w skład zestawu oprogramowania zwykłej karty graficznej. Jakość uzyskiwanego tą drogą obrazu jest ograniczona a brak nadwyżki mocy obliczeniowej może powodować nieregularność projekcji (Franie Jitter). Średnia liczba odtwarzanych ramek jest wówczas wprawdzie stosunkowo wysoka (rzędu 25 fps), ale nierównomiernie rozłożona w czasie. Szczególnie daje się we znaki jednoczesne dekodowanie dźwięku w trybie stereo. Sekwencje z "ciszą na planie" odtwarzane są zwykle z lepszą jakością.
Obciążenie procesora ponad miarę stanowi niestety często rozciągnięcie okienka wideo na cały ekran. Sytuacja taka (Zoom) wymusza konieczność wyznaczania dodatkowych, nie istniejących w oryginale pikseli metodą ekstrapolacji. Metody uśredniania są przeróżne: od prostego dublowania pikseli do wyznaczania wartości średnich z rozległego otoczenia punktu. Procedury te mogą działać zarówno w pionie jak i w poziomie. Algorytmy uśredniające nazywane są też często filtrami. Im więcej złożonych funkcji filtrujących ma włączony odtwarzacz, tym bardziej spada częstotliwość projekcji.
Strumień danych formatu MPEG-1 jest stosunkowo wąski. Nowe wyzwanie stawiają przed systemami odtwarzania na bazie PC dyski DVD. Chęć przetwarzania w systemach o tak szerokim paśmie nakłada naturalnie jeszcze większe wymagania na sprzęt. Lawina danych płynąca strumieniem MPEG-2 kładzie jak na razie na kolana prawie każdy odtwarzacz programowy działający wyłącznie w oparciu o procesor systemowy, chyba że dysponujemy bardzo mocnym i szybkim procesorem najnowszej generacji (moc obliczeniowa rzędu Pentium II 400).
Procesorom Penium, mimo rozszerzeń multimedialnych MMX, nie udaje się uzyskać więcej niż 16 klatek na sekundę. Poprawę tego stanu rzeczy obiecuje nowa technika wspomagania, chociaż trudno ją zaliczyć do rozwiązań czysto programowych. Zakłada ona w większym niż dotychczas stopniu włączenie układu kontrolera grafiki w proces dekodowania. Przyjmuje się, iż kontroler przejmie funkcję odławiania ze strumienia danych MPEG ramek I-Frame, zlokalizowanych średnio co 8 - 16 klatek. W ramkach tych zawarte są pełne kadry sekwencji a pomiędzy nimi zapisuje się jedynie zmiany dynamiczne obrazu (B-Frame, P-Frame). Pentium oblicza i dostarcza kontrolerowi te dane w formie wektorów różnicowych. Wbudowany w układ kontrolera system regeneracji (Motion Com-pensation) sumuje ramki I z wektorami różnicowymi i buduje na tej podstawie kolejne pełne klatki obrazu.
Omawiany system wspomagania wbudowany jest w wiele akceleratorów graficznych najnowszej generacji (np. Permedia-3, S3-Savage, układy ATI począwszy od Rage-II), co pozwala na projekcję sekwencji DVD z prędkością 20 fps, przy czym stopień obciążenia procesora jest dużo mniejszy niż w dotychczasowych rozwiązaniach.
Koprocesor montowany na karcie S-VGA.
Układ akceleratora znajduje się na dodatkowym module, który umieszcza się na specjalnie do tego dostosowanej karcie graficznej (zwykle tego samego producenta, produkty innych firm nie pasują do siebie). Moduły wspomagające dysponują najczęściej gniazdem wyprowadzającym na zewnątrz sygnały Audio/Video. System taki jest szczególnie przydatny dla zwolenników odtwarzania płyt kompaktowych.
Wspomniane moduły wspomagające budowane były przeważnie w oparciu o układ Scenic/MX2 (86C445) współpracujący z chipem Trio64V+ (86C769). Drugi z nich integrował w sobie oprócz klasycznych funkcji karty SVGA również akcelerator graficzny i przetwornik RAM-DAC. Często spotykany był również scalony układ dekodera TMYP9550 opracowany przez firmę Trident. Zawierał on sprzętowy zoom (dla odtwarzania sygnału MPEG na całym ekranie) wraz z towarzyszącymi mu filtrami i przetwornikami skalującymi.
Wyspecjalizowane karty wspomagające.
W rozwiązaniu tym, PC zostaje wyposażony w dodatkową kartę wspomagającą. Zdekodowany sygnał wyjściowy może być wprowadzany do karty SVGA bądź poprzez złącze rozszerzające (Feature Connector) bądź przepuszczany do monitora (Analog Loop Thni). Oprogramowanie dołączone do takiego systemu otwiera na ekranie oddzielne okno, w którym prezentowany jest zdekodowany obraz. Nie jest to najszczęśliwsze rozwiązanie, bowiem ogranicza zwykle tryb pracy monitora. Jeżeli nawet zestaw monitor-VGA mogą współpracować w rozdzielczości 1280 x 1024 przy częstotliwości 80 Hz to dekoder wymusza tryb 800 x 600 przy 72 Hz.
Istnieje na szczęście metoda ominięcia tego dylematu - dekoder przesyła wyniki swej pracy do karty SVGA magistralą PCI.
Stosowana karta graficzna musi przy tym spełniać (w zależności od rozmiarów okna, ilości kolorów i rozdzielczości) pewne wymagania, między innymi odnośnie szybkości. Im większe okno (w szczególności pełny ekran) i wyższy tryb kolorowy, tym większe obciążenie dla pamięci karty. Może się więc zdarzyć, że system nie jest w stanie nadążyć i pojawiają się charakterystyczne nieciągłości.
Rozwiązania sprzętowe zainstalowane na komputerze klasy 486 DX100 gwarantują w zasadzie odtwarzanie obrazu w tempie 25 fps przy zachowaniu maksymalnej jakości dźwięku.
Powiększanie oryginalnego okna wideo lub wręcz rozciąganie na cały ekran jest również wspomagane sprzętowo. Metody dorabiania brakujących linii i pikseli są podobnie jak w przypadku rozwiązań sprzętowych różne. W zależności od nakładów oczekiwać można zróżnicowanych efektów. Proste układy typu S3-Tio dublują kolejne linii przez co ukośne krawędzie obiektów wzbogacane są o charakterystyczne uzębienie. Interpolacja budująca linie pośrednie na bazie sąsiadów daje wspaniałe efekty ale podnosi koszty scalonych kontrolerów.
Kodowanie
Tworzenie pliku MPEG jest procesem dużo bardziej skomplikowanych niż jego rozkodowanie. Najczęściej materiałem wejściowym jest sekwencja wideo z kamery lub innego źródła podobnego typu. Dysponować musimy więc kartą graficzną ze złączem wideo, która zapisze na dysku ten materiał (digitalizacja), na razie w klasycznej (nie skompresowanej) choć już cyfrowej postaci. Plik taki może już teraz być przejęty przez program kodujący do postaci MPEG.
W prostych zastosowaniach multimedialnych posługujemy się najczęściej formatem MPEG-1, który przy maksymalnej rozdzielczości 352 x 288 punktów pompuje strumień
danych w tempie 170 kB/s (120-140 kB/s dla obrazu i 30 kB/s dla dźwięku). Strumień taki dostarczy podczas odtwarzania bez trudu każdy prosty czytnik płyt CD-ROM.
Dla potrzeb bardziej wymagających zastosowań zdefiniowany został format MPEG-2 pracujący na strumieniu od 500 kB/s wzwyż. Jakość obrazu sięga w tym przypadku zakresu leżącego w przedziale między S-VHS a HDTV.
Warto zdawać sobie sprawę, iż kodowanie (nawet jeśli jest to wyłącznie MPEG-1) bez wspomagania sprzętowego jest niezmiernie czasochłonne. W przeliczeniu na moc obliczeniową procesora Pentium 166 należy liczyć się ze współczynnikiem 40 - 80, tzn. zakodowanie l sekundy produktu finalnego pochłania około 40 - 80 s czasu komputera.
Należy również zwrócić uwagę na duże zapotrzebowanie na wolną przestrzeń na dysku twardym.
Programy kodujące oczekują materiału wyjściowego najczęściej w formie pliku M-JPEG lub AVI. Pliki takie generują karty do obróbki sygnału wideo (Video Grabber) oraz wiele programów. Warto w tym miejscu nadmienić o drobnej kolizji wymiarów rastrów punktowych. Większość digitalizerów przetwarza obraz w formacie PAL do rozmiaru 384 x 288 punktów. Standard MPEG przewiduje jednak 352 x 288. Programy kodujące radzą sobie z tą różnicą 32 punktów na przeróżne sposoby:
Przeskalowanie obrazu zmienia naturalny stosunek wysokości do szerokości, okręgi stają się elipsami a postacie przechodzą kurację odchudzającą.
Przeskalowanie obrazu z zachowaniem stosunku wysokości do szerokości powoduje pojawienie się czarnych pasków na górze i dole ekranu.
Skalowanie symetryczne z naruszeniem szerokości i wysokości prowadzi do wytworzenia czarnej ramki wokół obrazu.
Obustronne, symetryczne obcięcie nadmiarowych 16 punktów wydaje się być optymalnym rozwiązaniem; niestety często aktywacja tej funkcji (Cropping) powoduje obcięcie jednostronne o 32 punkty.
Kodery akceptują też często pojedyncze obrazy w formie map bitowych (np. PCX lub GIF). Podać je należy wtedy w formie kolejno ponumerowanych plików lub umieścić
ich nazwy w specjalnym skrypcie. Rozmiary map bitowych muszą na ogół spełniać pewne wymagania; np. nie mogą przekraczać rozmiarów 768 x 576. Format MPEG integruje obrazy kolorowe w trybie 24 bitów na kolor. Niektóre kodery wyposażone są w funkcje regulacji strumienia wyjściowego. Można więc zażądać by produkt wyjściowy rozpakowywał się do strumienia o określonej szerokości, niekoniecznie 150 kB/s. Typowe oferowane szerokości leżą w przedziale 5 - 500 kB/s (Wybierając wielkość poniżej
150 kB/s, decydujemy się na obniżenie jakości.).
Towarzyszący dźwięk, o ile nie jest już wkomponowany w plik źródłowy można podać w formie dodatkowego pliku WAV. MPEG nie gwarantuje jednak w tym wypadku automatycznej synchronizacji obrazu i dźwięku chociaż zwykle jest możliwa ręczna korekta ustanawiająca zbieżność. Większość koderów dopuszcza wszelkie manipulacje na ścieżkach dźwiękowych: mono, stereo, dwa kanały niezależne, zamiana kanałów itp.
Dużo szybciej i bardziej komfortowo przebiega proces kompresji z zastosowaniem specjalistycznych układów współpracujących z magistralą PCI. Karty tego typu na ogół nie wymagają jakiegokolwiek połączenia z kartą VGA a transport danych przebiega magistralą PCI w trybie BUS-MASTER (do tego w końcu została opracowana). Oferowane jest również zwykle bezpośrednie wejście dla sygnału dźwiękowego oraz wideo (S-Video, FBAS). Przebieg procesu kompresji może być na bieżąco kontrolowany. System dostarcza wyrywkowo w oddzielnym oknie (Preview Window) próbki obrazu (np. jedną na 10 klatek) a dźwięk może być doprowadzony do zainstalowanej w komputerze karty dźwiękowej.
W przeciwieństwie do opisywanych wcześniej koderów programowych (bez wspomagania sprzętowego) zapotrzebowanie na dodatkową pamięć dyskową jest niewielkie. Wejściowy plik AVI przetwarzany jest również znacznie szybciej ale też nie w czasie rzeczywistym. Na jedną sekundę materiału wejściowego trzeba liczyć 2-3 sekund czasu przetwarzania (Pentium 166). Maksymalny strumień osiągać może 1,25 MB/s ale nie należy przesadzać z "podkręcaniem śruby" jeśli wynik kompresji przekazywany jest w formie CD-ROM, bowiem zakodowana sekwencja będzie czytelna wyłącznie przez szybkie odtwarzacze CD-ROM (w tym wypadku co najmniej 20-krotne).
Przetwarzanie scenerii 3D
Możliwość podziwiania na ekranie monitora obiektów w formie 3D była do niedawna zarezerwowana wyłącznie dla użytkowników programów typu CAD uruchamianych na silnych stacjach graficznych. Potrzeba symulacji płynnego ruchu nie jest w tym przypadku zbyt paląca. Dla potrzeb CAD wystarczyło zwykle jeśli obiekt można było dowolnie obracać i przesuwać. Częstotliwość projekcji leży w takim wypadku zakresie 5 fps. Dużo ważniejsza jest natomiast wysoka dokładność, na potrzeby której przeznacza się znaczna część mocy obliczeniowej. Bryły 3D przedstawiane były w programach tego typu na ogół jako modele siatkowe, co potęgowało wrażenie 3D. Powierzchnia zew-
nętrzna bryły była jednorodna a starsze wersje programów nie zawsze uwzględniały nawet oświetlenie( Aktualne wersje oszałamiają użytkownika bogactwem funkcji: cieniowanie, mapowanie, różnemodele oświetlenia).
Wśród profesjonalnych użytkowników CAD utrwalił się pogląd, iż próby przeniesienia tych aplikacji na platformę komputerów PC oznaczają w najlepszym razie inwestycje w kartę graficzną droższą od całej reszty zestawu. Ogromny postęp, który dokonał się w ostatnim okresie w dziedzinie akceleratorów graficznych i procesorów oraz stała modernizacja samej architektury PC pozwalają jednak na weryfikację takich poglądów. Wiecznie nienasycony rynek użytkowników gier komputerowych stanowi główny motor postępu w tej dziedzinie. Ostatnio dołączają do nich pierwsze nieśmiałe adaptacje profesjonalnych symulatorów osadzające użytkownika w mniej lub bardziej wiarygodnym sztucznym świecie (Virtual Reality). Zapotrzebowanie na moc obliczeniową przewyższa tu jeszcze nadal możliwości oferowane przez technikę. Wymagana prędkość wyświetlania sięga w profesjonalnych systemach VR zakresu 100 fps. Ponieważ projekcja odbywa się tutaj z dwóch projektorów (na lewe i prawe oko oddzielnie) faktyczna prędkość przetwarzania jest dwukrotnie większa.
Dla potrzeb zwykłego użytkownika wystarcza na razie animacja z prędkością powyżej 25 fps, poniżej której zatraca się powoli subiektywne odczucie płynności ruchów. Szybkie gry interakcyjne podnoszą poprzeczkę do wysokości około 60 fps, bowiem odgrywa w nich rolę czas reakcji użytkownika mierzony jak by nie było ułamkach sekund. Rozdzielczość obrazu 3D przekroczyła już barierę 800 x 600 i nadal rośnie. Powyższe parametry projekcji nie stanowią żadnego problemu dla współczesnych akceleratorów pod warunkiem, iż wyświetlana kompozycja obiektów 3D nie jest zbyt szczegółowa a horyzont nie sięga zbyt daleko (głębia scenerii). To co różni produkty dobre od złych to możliwości dodatkowe poprawiające stopień wiarygodności scenerii: uwzględnienie oświetlenia, efektów specjalnych (rozbłysków, odblasków) i atmosferycznych (mgła), praca z cieniem, bogactwo tekstur o wysokiej rozdzielczości oraz skuteczne eliminacje zniekształceń perspektywicznych i innych. Niektóre akceleratory najnowszej generacji pracują w systemach równoległych dublując cały potok przetwarzający (Dud 3D-Pipeline) lub przynajmniej procesor teksturujący (Dual Texture Engine). Dla zrozumienie tych i innych, często tajemniczo brzmiących pojęć, wymagana jest pewna znajomość zasad konstrukcji i przetwarzania obiektów 3D. Tym właśnie zagadnieniom poświęcona jest dalsza część tego rozdziału.
Schemat przetwarzania obiektów 3D
Obiekty 3D stanowią pewien fragment przestrzeni ograniczonej powierzchniami o różnym stopniu komplikacji. Jakkolwiek każda taka powierzchnia da się, bez względu na stopień komplikacji, jednoznacznie zdefiniować przy pomocy równań matematycznych odpowiedniego rzędu, ich przetwarzanie pochłonęło by całą dostępną moc obliczeniową.
Podobnie jak wiele innych problemów i ten daje się uprościć poprzez przybliżenie, którego dokładność można regulować w miarę potrzeb i możliwości. Uproszczenie polega na rozłożeniu każdej z takich powierzchni na odpowiednio dużą (zależną od stopnia dokładności) liczbę wielokątów płaskich. Najprostszym z wielokątów jest oczywiście trójkąt i ten właśnie używany do wspomnianej aproksymacji.
Dowolnie skomplikowana bryła da się zawsze rozłożyć na takie trójkąty. W zależności od stopnia komplikacji i wymaganej dokładności trójkątów takich jest mniej lub więcej: sześcian ma ich 12 a bardzo skomplikowany obiekt w grach komputerowych nawet
wiele tysięcy.
Przedstawienie takie ma ogromną zaletę: każdy z wierzchołków trójkąta jest jednoznacznie zawieszony w przestrzeni przy pomocy trójki współrzędnych (x, y, z). Cały oT)iekt 3D przechowywany jest w spójnym fragmencie pamięci a wszelkie na nim operacje (przemieszczenie, obrót, skalowanie itp.) sprowadzają się do rachunku macierzowego. Algorytm przesunięcia takiego obiektu jest stosunkowo prosty i da się zapisać w kilku linijkach kodu źródłowego. Prostota algorytmu nie oznacza bynajmniej szybkości działania. W przełożeniu na język maszynowy rachunki takie są bardzo pracochłonne bowiem mnożenie macierzy to cały szereg operacji mnożenia i dodawania.
Manipulacja obiektami 3D to tylko skromny wycinek pracy jaką trzeba włożyć w to by widziany na ekranie obraz mógł zostać być uznany za zbliżony do rzeczywistości Rozłożona na elementarne trójkąty bryła przechodzi skomplikowany proces przekształceń nazywany potokiem przetwarzania 3D.
Rys.9.6.
Potok przetwarzania danych.
User <-> Aplication ->API -> Geometry Engine -> Rendering Fngine -> Frame Buffer -> RAMDC -> Monitor
Ogólna koncepcja scenerii narzucana jest przez aplikację i ewentualnie modelowana zachowaniem użytkownika. Przełożenie tych żądań na język niższego poziomu odbywa się w warstwie API, która stanowi pewien pomost pomiędzy oprogramowaniem użytkowym a sprzętem. W następnym etapie do akcji przystępuje procesor geometryczny (Geometry Engine), który rozmieszcza obiekty na ekranie oraz dba o ich aktualne położenie i rozmiary. Po rozłożeniu na wspomniane wcześniej trójkąty elementarne, oddaje je do dalszego przetwarzania już na poziomie punktów stanowiących wnętrze trójkąta (pikseli) do procesora rasteryżującego (Rendering Engine). Obliczone punkty obrazu umieszczane są w pamięci karty graficznej (Frame Buffer) skąd odczytywane są przez przetwornik (RAM-DAC) i wyświetlane na monitorze.
Poszczególne etapy przetwarzania omówione zostaną oddzielnie w dalszych punktach.
API
Aplikacje przetwarzające obiekty 3D odwołują się do sprzętu najczęściej poprzez zestaw pewnych funkcji ujętych w biblioteki. Funkcje biblioteczne to metody operujące na obiektach 3D. Typowe operacje to formowanie pojedynczych obiektów, łączenie ich w grupy, manipulacje w przestrzeni oraz zagadnienia związane z samą wizualizacją (np. oświetlenie).
Powyższy zestaw funkcji wraz z definicjami formatów danych stanowi interfejs API (Application Programming Interface) oszczędzający programistom znaczną część pracy. Odsunięcie spraw sprzętowych od programowych sprzyja swobodzie myślenia. Producent karty graficznej (akceleratora) wyposażają w biblioteki. Są one dostępne dla różnych platform sprzętowych i umożliwiają przez to łatwe przenoszenie oprogramowania. Oto przykłady klasycznych API:
GKS (Grafisches Kernsystem). Wprowadzona do niemieckich norm ISO i DIN w roku 1986, zaprojektowana początkowo dla potrzeb obiektów 2D została poszerzona o funkcje trójwymiarowe (GKS-3D).
PHIGS (Programmers Hierarchical Interactive Graphics System). Stanowi rozwinięcie GKS o interakcyjne funkcje GUI. W dalszym etapie uzupełniona do postaci PHIGS-PLUS (PHIGS-Plus Lumiere und Surfaces) oferuje optymalizację cieniowania.
GL (Graphics Libr ary). Niezależnie od rozwoju na rynku europejskim w USA zostaje opracowana dla potrzeb najpopularniejszych tam silnych stacji graficznych (Silicon Graphics Workstations) biblioteka GL. Zalety tej biblioteki zostały docenione również przez wyznawców innych platform sprzętowych co doprowadziło do uzgodnienia szerszego standardu OpenGL (obecnie już wkomponowany w struktury Windows NT). W ślad za tym rozwinęły się dodatkowe narzędzia wspomagające (Open Inventory) wraz z własnym językiem programowania VRML (Virtual Reality Modeling Language). W chwili obecnej sterowniki bazujące na interfejsie OIL (Open Inventor Library) dołączane są przeważnie do wysokiej klasy akceleratorów 3D.
W dobie dominacji Internetu język VRML stał się nieformalnym standardem w dziedzinie przekazu ruchomych obiektów 3 D.
SGL biblioteka graficzna PowerVR. Biblioteka dopasowana jest do układów PowerVR. Opiera się na modelu matematycznym określanym mianem "infinite planes", gdzie obiekty modeluje się jako wycinki przestrzeni ograniczone pół-przestrzeniami i płaszczyznami.
DirectSD Microsoft Windows 95. Stanowi część ogólnego systemu DirectX. Firma Microsoft sukcesywnie wprowadza na rynek kolejne wersje tego interfejsu.
Inne biblioteki. Do grupy tej zaliczyć można opracowania innych firm mocno zaangażowanych w zastosowania 3D. Pod dachem firmy Autodesk powstała biblioteka HOOPS (Hierarchical Object Oriented Pictitre System). Również Spea stworzyła swój własny standard nazwany SP3D. Nowością jest też opracowywany wspólnie przez SGI i Sun biblioteka CosmoGL (głównie dla potrzeb 3D-Web)
Geometry Engine
Znaczną część potoku przetwarzającego 3D stanowią operacje geometryczne. Elementy wirtualnej scenerii muszą zostać usytuowane na właściwym miejscu w trójwymiarowej przestrzeni a cały obraz musi zostać rzucony na dwuwymiarową płaszczyznę ekranu. Uwzględnia się przy tym naturalnie położenie obserwatora oraz źródeł światła, co pociąga za sobą całą maszynerię obliczeniową związaną z oświetleniem. Z punktu widzenia matematyki, operacje geometryczne sprowadzają się do różnorodnych manipulacji na współrzędnych punktów. Jakkolwiek przyjęło się w tym momencie mówić o przetwarzaniu przez procesor geometryczny (Geometry Engine) nie wolno zapominać, iż obliczeń tych dokonuje nadal jednostka centralna komputera (CPU),
bowiem nawet akceleratory najnowszej generacji (Mowa tu oczywiście o układach
przeznaczonych na rynek masowy. Istnieją naturalnie akceleratory 3D do zastosować profesjonalnych, które przejmują od jednostki centralnej również obliczenia geometrii. Koprocesory tego typu pracują zwykle w arytmetyce zmiennoprzecinkowej o zwiększonej precyzji a dokładność przeprowadzanych obliczeń przewyższa możliwości oferowane przez CPU.) troszczą się jedynie o rasteryzację pojedynczych trójkątów i umieszczenie ich w pamięci karty graficznej. CPU musi więc przygotować parametry wierzchołków trójkątów i przekazać je do dalszego przetwarzania (już w obrębie akceleratora 3D na karcie graficznej).
Do obowiązków procesora geometrycznego należą więc następujące operacje:
Tłumaczenie opisu środowiska
W pierwszym kroku procesor analizuje opis scenerii 3D. Sceneria to zestaw obiektów 3D takich jak budynki, pojazdy itd. podawany w języku wyższego poziomu. Efektem końcowym jest tej fazy przetwarzania jest rozbicie obiektów na pojedyncze trójkąty elementarne.
Oświetlenie i tekstura
Aby sceneria sprawiała wrażenie naturalnej trzeba uwzględniać wpływ źródeł światła. Dla każdego z trójkątów określa się więc kierunek i typ oświetlenia oraz przypisuje pewną teksturę. Obliczenia barw obiektów oświetlanych jest skomplikowane bowiem wypadkowa zależy od barwy własnej podłoża i od barwy światła padającego na nią. Zwykle przyjmuje się pewne modele matematyczne (np. model Phong'a) upraszające nieco to zagadnienie. Dokładne określanie barwy wypadkowej dla każdego piksela oddzielnie pochłaniałoby zbyt wiele mocy obliczeniowej. Dla uproszczenia obliczeń dokonuje się dla narożników trójkątów.
Przekształcenia geometryczne
Przekształcenia geometryczne to wszelkie zmiany w układzie scenerii (przesunięcia i obroty obiektów oraz zmiany ich rozmiarów) obserwowane z punku widzenia domniemanego obserwatora. Zmianie może ulegać zarówno sama scena jak i również położenie obserwatora. Operacje te sprowadzają się do rachunków macierzowych i wektorowych. Każdy narożnik trójkąta trzeba przemnożyć przez macierz [4x4] i to w arytmetyce zmiennoprzecinkowej (FP). Rachunek wektorowy nie jest skomplikowany ale czasochłonny. Składa się na niego szereg następujących po sobie mnożeń i dodawań (w tym wypadku 16). Aby przekonać się jak łatwo przy tym sięgnąć kresu rezerw mocy obliczeniowej wystarczy przeanalizować prosty przykład. Sceneria rozłożona na 2 000 trójkątów to 6 000 wierzchołków. Aby zagwarantować prędkość animacji powyżej 30 fps
należy przeprowadzić co najmniej 2 880 000 operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę. Dla porównania, wydajność jednostki FP procesora Pentium wynosiła około 4 milionów mnożeń na sekundę.
Strefa widoczności
W wyniku transformacji scenerii (przesunięcia obiektów) część trójkątów (lub ich fragmentów) znika z pola widzenia. Pole widzenia wyznaczane jest przez ściany boczne tzw. piramidy widoczności, u wierzchołka której umieszczony jest obserwator.
Procesor geometryczny nie musi się zajmować trójkątami, które w całości znalazły się poza piramidą. Kłopot sprawiają te, wychodzące na zewnątrz trójkąty, których fragmenty znajdują się w jej wnętrzu. Muszą one zostać obcięte (Clipping) na granicy ścian piramidy. W tym celu procesor geometryczny oblicza najpierw współrzędne punktów przecięcia trójkąta z płaszczyznami ścian. Atrybuty tych nowych punktów (tekstura, kolor) przejmowane są dla uproszczenia od starych wierzchołków leżących już poza piramidą. Mamy teraz do czynienia ze złożonym wielokątem (rozpiętym pomiędzy czterema punktami), który musi zostać rozłożony na trójkąty elementarne.
Przekazanie parametrów do jednostki rasteryzującej
Gdy wszystkie powyższe kroki zostały przeprowadzone, procesor przechodzi do projekcji trójwymiarowej przestrzeni na płaszczyznę dwuwymiarową. Uwzględniane są przy tym niezbędne skróty perspektywiczne oraz rozmiary obrazu na ekranie. Dalszy etap przetwarzania odbywa się już w procesorze rasteryżującym (Rendering Engine) i odnosi się do poszczególnych punktów we wnętrzu trójkąta. W danym cyklu opracowywany jest tylko jeden trójkąt a procesor rasteryzujący nie dysponuje żadnymi informacjami odnoszącymi się do całej scenerii. Procesor geometryczny przekazuje wyniki swoich obliczeń w formie pakietu zawierającego współrzędne i parametry wierzchołków jednego z trójkątów.
Rendering Engine
Dalszy ciąg potoku przetwarzania 3D odbywa się pod kontrolą procesora rasteryzują-cego. Rasteryzacja (Polygon Rendering) polega na obliczeniu (zwykle w formie składowych RGB) ostatecznego koloru każdego z punktów wewnętrznych przetwarzanego w danym momencie trójkąta. Zanim zostaną ustalone definitywne wartości tych składowych, punkt przechodzi przez szereg etapów uwzględniających różne czynniki modyfikujące takie jak np. teksturowanie lub efekty atmosferyczne i specjalne. W końcowej fazie, po przejściu całego cyklu przetwarzania przez procesor rasteryzujący, do pamięci obrazu zapisywany jest pojedynczy punkt (piksel) o pewnych wypadkowych składowych kolorów (RGB). W momencie skompletowania wszystkich pikseli, pamięć obrazu wyświetlana jest na ekranie.
Procesor rasteryzujący przejmuje od procesora geometrycznego jako dane wstępne zestaw parametrów przypisywany każdemu z wierzchołków trójkąta. Poniższy zestaw parametrów przekazywany jest więc trzykrotnie, dla każdego wierzchołka oddzielnie:
Współrzędne położenia wierzchołka w przestrzeni trójwymiarowej (x, y, z), gdzie z oznacza odległość punktu od płaszczyzny obserwacji, mierzoną w kierunku od obserwatora.
Odniesienie do współrzędnych tekstury (u, v), której wzór pokrywać ma dany trójkąt.
Barwę wierzchołka rozpisaną na elementy składowe R, G, B.
Informacja o stopniu przezroczystości powierzchni (tzw. współczynnik a). Ze względów oszczędnościowych a jest zwykle wspólne dla wszystkich trzech wierzchołków. Stopniowa zmiana tego współczynnika (po każdym obliczonym obrazie) pozwala na delikatne wymiksowanie trójkąta ze scenerii.
Parametr korekcyjny skrótu perspektywicznego (w). Korekcja taka staje się niezbędna dla niektórych trójkątów, które leżą w płaszczyznach znacznie odchylonych od powierzchni ekranu. Współczynnik w jest poza tym często używany w zastępstwie współrzędnej z, bowiem gwarantuje (mimo uwzględnienia nieliniowego skrótu perspektywicznego) liniowy rozkład wartości w buforach przechowujących informację o odległości punku od obserwatora.
Zakres zadań spoczywających na procesorze rasteryzującym jest stosunkowo rozległy. Ilość niezbędnych do przeprowadzenia obliczeń jest ogromna i zależy od stopnia komplikacji algorytmów. Niektóre zagadnienia dają się co prawda uprościć poprzez przybliżenia i interpolacje ale i tak obowiązuje generalna zasada, że im bardziej skomplikowane modele matematyczne tym lepsze wyniki końcowe. Bogate efekty świetlne pogłębiające wierne odczucie rzeczywistości wymagają potężnej mocy obliczeniowej, którą nowoczesne akceleratory 3D dostarczają coraz łatwiej.
Zaoszczędzić można już na etapie przekazywania danych pomiędzy procesorami geometrycznym i rasteryzującym. Transmitowanie wszystkich trzech wierzchołków każdego trójkąta oddzielnie jest stosunkowo nieekonomiczne. Niektóre trójkąty przylegają przecież do siebie i mają wspólne wierzchołki. Sześć przylegających do siebie trójkątów (TS, Triangle Stripes} ma tylko 6 niezależnych wierzchołków i nie trzeba przekazywać aż 18 punktów. Elastyczne przełączanie trybu pracy na TS i z powrotem możliwe jest dzięki temu, iż nowoczesne akceleratory dysponują uniwersalnym protokołem wymiany danych, który przypomina system pakietów informacyjnych o różnej zawartości.
W dalszym etapie przetwarzania następuje zwykle konwersja formatów. Procesor geometryczny wydaje dane w formacie zmiennoprzecinkowym a akcelerator pracuje w arytmetyce stałoprzecinkowej. Sam ten krok zajął by procesorowi Pentium 90 co najmniej 15 cykli zegarowych (dla każdego przekazywanego parametru oddzielnie!).
Istota rasteryzacji polega, jak już wcześniej wspomniano na obliczeniu kolorów wszystkich wewnętrznych pikseli trójkąta. Procesor dysponuje na wstępie wartościami składowych kolorowych jedynie dla wierzchołków. Barwy wierzchołków przejmowane są od procesora geometrycznego jako wynik przyjętych założeń odnośnie barwy własnej oraz oświetlenia obiektu. Nie wolno przecież zapominać, że widzimy tylko to co jest oświetlone. Jest to zagadnienie o kapitalnym znaczeniu jeśli chcemy by nasz wirtualny obiekt 3D przypominał coś w miarę rzeczywistego. Dokładne odwzorowanie rzeczywistości jest z matematycznego punktu widzenia stosunkowo skomplikowane. Dla ułatwienia obliczeń przyjęło się posługiwać jednym z modeli uproszczonych (lub kombinacją kilku z nich). Zagadnienia dotyczące modelowania oświetlenia wykraczają zdecydowanie poza zakres tej publikacji.
Najbardziej prymitywny (i w dzisiejszych czasach już wcale niestosowany) tryb pracy polega na obliczeniu pewnej wartości średniej z trzech punktów wierzchołkowych i skopiowaniu jej na wszystkie punkty wewnętrzne (Fiat Shading). Modelowana w tym stylu sceneria nabiera wprawdzie pewnego wrażenia "3D" ale powierzchnie obiektów są nienaturalnie kanciaste bowiem bardzo wyraźnie widać pojedyncze trójkąty. Nawet mimo rozbicia na dużą liczbę elementów oko ludzkie dostrzega "szlify" na powierzchni.
Bardziej zaawansowaną technikę stanowicieniowanie Gouranda (Gourand Shading). Dla zwiększenia złudzenia, iż mamy do czynienia z równomiernie zakrzywioną powierzchnią modyfikuje się w pewien określony sposób składowe kolorów dla poszczególnych punktów wewnętrznych trójkątów.
Algorytm określa najpierw kolor wypadkowy punktów przecięcia P, i P2 linii skanowania z ramionami trójkąta. Wypadkową stanowi średnia ważona barwy wierzchołków:
Dla P#1 wynik uśrednia się na podstawie A i C: #IPI=VX I#A + (1 -v) x I#C*v "należy"{0...1}
Barwa P#22 zależna jest od B i C:
I#P2 = txI#B + (1 - t) x I#C ; i "należy do"{0...1}
Każda ze zmiennych Ix symbolizuje barwę punktu z uwzględnieniem rozbicia na składowe elementarne. Oznacza to, że
każde obliczenie przeprowadza się trzykrotnie dla wyodrębnienia składowych R, G i B. Współczynniki v i t stanowią
odpowiednio wagi średniej, tj. odzwierciedlają stopień oddalenia punktów P#1 i P#2 od wierzchołków (im większy
od P#1 tym mniejszy od P#2). Dla każdego z punktów X aktualnie skanowanej linijki interpoluje się barwę wypadkową w
sposób bardzo podobny. Budowana jest średnia ważona rozpinana pomiędzy punktami P#1 i P#2:
I#X = txI#PI + (1 - u) x I#P2 ; U "należy do"{0...1}
Obliczenia I#X (tzn, R#Xi, B#Xi i G#Xi)wykonuje się oczywiście dla każdego punktu oddzielnie. Ponieważ mnożenie
zajmuje nieporównywalnie więcej czasu od nawet kilku operacji dodawania, algorytmy omijają powyższe równanie i
zamiast tego dodaje się (określane tylko jeden raz dla danej linii) przyrosty A; :
I#(i+1) = I#Xi + DELTA#i gdzie:
DELTA#i=I#P2-I#p1 / (n- 1) n"należy do {1...n - 1}
Cieniowanie Gouranda mimo swej prostoty daje bardzo dobre efekty. Powierzchnie modelowanych w ten sposób brył
sprawiają miłe dla oka wrażenie ciągłości. Metoda ta nadaje się jednak wyłącznie do obrazowania prymitywnych scenerii
złożonych ze sztucznych obiektów pozbawionych wszelkich szczegółów powierzchniowych i faktur, bez
charakterystycznej dla świata rzeczywistego gry świateł, cieni i odblasków.
Dalszy poważny krok w kierunku upodobnienia syntetycznych obiektów 3D do świata naturalnego umożliwiają
zaprezentowane w następnym punkcie techniki mapowania.
Teksturowanie
Technika mapowania przy pomocy tekstur (Texture Mapped) była jeszcze do niedawna wyłączną domeną drogich i profesjonalnych systemów graficznych wykorzystywanych w symulacjach i projektowaniu CAD. Mapowanie w czasie rzeczywistym dokonywane było na stacjach graficznych o specjalnie zaprojektowanej architekturze dostosowanej do przetwarzania grafiki. Moc obliczeniowa zwykłego komputera klasy PC sięgnęła jednak w międzyczasie tak wysoko, iż można się było pokusić o przeniesienie tych technik również na jego platformę.
Mapowanie nie służy niczemu innemu jak oszukaniu zmysłu wzroku i ułatwieniu życia ludziom projektującym obiekty trójwymiarowe. Nie ma tu mowy o wzroście dokładności lub wierności przedstawienia modelu. Stanowi natomiast ostateczny i bardzo efektowny szlif nadawany wymodelowanym bryłom.
Mapowanie związane jest nierozerwalnie z pojęciem tekstury. Tekstura jest zwykłą mapą bitową (zeskanowaną, sfotografowaną lub wytworzoną sztucznie) naklejaną elektronicznie na wybrane miejsca obiektu 3D. Pojedyncze punkty tekstury nazywane są tekslami (dla odróżnienia od punktów obrazu na które są naklejane czyli pikseli). W ten oto prosty sposób jednorodny prostopadłościan staje się klocem lub drewnianą deską, a statuetka może być w szybkim tempie przerobiona z marmurowej na pokrytą błyszczącym chromem. Proszę zwrócić uwagę na niewspółmiernie mały nakład pracy potrzebnej do wymodelowania prostopadłościanu i pokrycia go teksturą: te sam obiekt składa się w rzeczywistości z nierównomiernie zachodzących na siebie warstw drewna (słojów i poziomic), które należałoby oddzielnie modelować i łączyć.
Komputer operuje stosunkowo małą, jak na ten stopień skomplikowania obiektu ilością danych. W pamięci przechowywane są współrzędne dwunastu trójkątów na które rozbite zostaj ą płaszczyzny prostopadłościanu i kilka dodatkowych danych o sposobie "nalepiania" tekstury. Ten sam obiekt traktowany "na poważnie" musiałby zostać zamodelowany milionami trójkątów elementarnych.
Tekstury jak już wspomniano są obiektami płaskimi. Obraz taki łatwo jest nakleić na ścianę prostopadłościanu gdyż jest ona tak samo płaska. Nałożenie mapy bitowej na bardziej skomplikowane (a w szczególności nieregularne) obiekty wymaga doboru pewnego przekształcenia przestrzennego. Jednym z nich może być opisanie bryły w dodatkową kulę. Teksturowanie przebiega wtedy w dwóch etapach. W pierwszej fazie pokrywa się teksturą samą kulę co jest o tyle łatwiejsze, że stanowi ona bryłę regularną. Wystarczy tu prosta funkcja transformująca współrzędne kuliste (długość i szerokość geograficzną) na współrzędne (x,y) płaskiej mapy bitowej. Jeżeli mapa bitowa o rozmiarach 180 x 360 umieszczona zostanie w układzie współrzędnych prostokątnych to dla każdego punktu położonego na kuli można podać parę liczb:
x "należy" (0 ... 360),
y "należy" (-90 ... +90) lub po prostej zmianie (0 ... 180).
W drugim etapie przetwarzania, zamkniętą w kulę bryłę przecina się siecią promieni wychodzących z jakiegoś umownego punktu środkowego. Każdy z promieni przecina powierzchnię bryły i powierzchnię kuli, sprowadzając poszukiwany teksel.
Powyższy prosty model nie bierze jednak pod uwagę, iż zarówno mapowany obiekt jak i sama tekstura składają się z pewnej skończonej liczby pikseli i tekseli (konieczność uwzględniania rozdzielczości czyli rastra). Teksturowanie ma miejsce w punktach świetlnych obiektu (pikselach) rozmieszczonych na rastrze. Pomiędzy nimi nie ma żadnych punktów pośrednich. Algorytm skanujący teksturę musi zwrócić dla każdego piksela jakąś określoną wartość składników RGB i tylko jedną. Jeśli w wyniku obliczeń skanera przeprowadzającego odwzorowanie trafienie ma miejsce w przestrzeń pomiędzy tekselami, konieczne jest pewne przybliżenie wartości (z sąsiednich tekseli). Nie można liczyć na to, iż każdy piksel obrazu trafia dokładnie w jakiś teksel mapy bitowej, tym bardziej iż rozmiary tekstury są inne niż obiektu. Dodatkowym źródłem zniekształceń jest również wynik oddziaływania skrótu perspektywicznego.
Mnogość różnych czynników zniekształcających i konieczność ich korekcji sprawia, iż teksturowanie jest jednym z najbardziej skomplikowanych i czasochłonnych fragmentów potoku przetwarzającego 3D. Wprowadzanie tych poprawek oraz różnorodne aproksymacje należą oczywiście do obowiązków procesora rasteryzującego. Najpierw przeprowadzana jest korekcja perspektywy a następnie przystępuje się do nakładania mapy. Akceleratory aktualnych generacji potrafią nakładać mapy wielokrotnie i symulować różnorodne efekty specjalne oraz atmosferyczne.
Korekcja perspektywy
Konieczność korekcji perspektywy wynika z faktu rzutowania teksturowanego obrazu 3D na płaszczyznę ekranu. Skrót perspektywiczny oddziaływuje nie tylko na geometrię obiektów (a właściwie na pojedynczych trójkątów elementarnych), ale dodatkowo zakłóca samo mapowanie. Prostokątna mapa bitowa musi zostać rozciągnięta od strony obserwatora i ściśnięta w miarę posuwania się w głąb przestrzeni 3D. Istotę omawianego zniekształcenia przedstawia rysunek 9.10, na którego prawej części naniesiony jest prostokąt zawieszony w przestrzeni 3D. Prostokąt ten teksturowany jest mapą bitową przedstawioną symbolicznie w lewej części rysunku. Wyraźnie widać, że trudno jest o proste odwzorowanie tych dwóch obiektów. Transformacja przestrzeni u,v -> x,y jest dosyć skomplikowana i jeśli nie uwzględnia się szeregu poprawek prowadzi do nienaturalnych zniekształceń (Visual Artifacts). Różnorodne procedury korekcyjne występują często pod wspólnym terminem Anti-Aliasing.
Zagadnienie skrótów perspektywicznych doczekało się bardzo dokładnego opisu matematycznego. Głębsza analiza problemu wykazuje, że dla zniwelowania skutków zniekształceń tekstur, którymi pokrywane są obiekty 3D nie wystarczy interpolacja liniowa, a w równaniach pojawiają się składniki wyższego rzędu oraz operacje dzielenia.
Procesor rasteryżujący musi skanować w dwóch przestrzeniach: obrazu i tekstury. Obraz skanowany jest w naturalny sposób wzdłuż linii poziomych. W układzie współrzędnych tekstury analogiczna linia przechodzi przez punkty (u0, v0) i (u,, V|) jednakże na skutek omawianego zniekształcenia perspektywy jest linią ukośną.
Algorytm przemierza przestrzeń (U, V) poruszając się równymi krokami od punktu (u#i,v#i) do punktu (u#(i=1); v#9i+1)):
u#(i+1) = u#i + d#u
v(i+1) = v#i + d#i
Elementarne przyrosty w kierunku u i v wynikają z następującego wzoru:
d#u = (u#1 -- u#2) / (x#1 - x#0)
d#v = (v#1 - v#0) / (x#1 - x#0)
Dzielenie liczb (i to w formacie zmiennoprzecinkowym) należy do najbardziej czasochłonnych operacji. Każda z nich zajmuje do kilkudziesięciu cykli zegarowych. Często newralgiczne czynniki typu l / w aproksymuje się składowymi wyższego rzędu (ddu i ddv). Wielokrotne dodawania są i tak zawsze szybciej wykonywane niż dzielenie.
Nakładanie mapy
Procesor rasteryzujący oblicza dla każdego piksela obrazu (przestrzeń x,y) współrzędne w przestrzeni mapy bitowej (u,v). W tak określonym punkcie nie koniecznie należy się spodziewać jednego z tekseli. Algorytm musi jednak zwrócić jakąś wartość składowych RGB. Wybór sposobu postępowania w tym właśnie momencie decyduje w znacznym stopniu o końcowym wyglądzie scenerii. Warto może przyjrzeć się drodze jaką odbyły akceleratory 3D: od najprostszego przybliżenia punktu sąsiedniego do skomplikowanych interpolacji tekstur o różnych skalach.
Przyporządkowanie najbliższego punktu (Peak Nearest)
Ten prosty algorytm pobiera parametry tekstury z punktu leżącego najbliżej wyliczonych współrzędnych. Powierzchnia obiektu pokrywanego tą techniką nie daje zadowalających efektów. Płaszczyzny sprawiają nienaturalne wrażenie struktury gruboziarnistej, szczególnie gdy leżą blisko obserwatora (silne powiększenie). Zniekształcenia dotyczą również linii ukośnych, które kreślone sąjako schodkowe.
Mapowanie w tym trybie zostało porzucone (skoro tylko pozwoliła na to nadwyżka mocy obliczeniowej) na korzyść bardziej złożonych algorytmów, które dają zdecydowanie lepsze efekty. Te bardziej rozbudowane metody należą do grupy, której cechą wspólną jest uśredniającej z kilku teksli. Należą do nich: filtracja bilinearna, MIP-Mapping oraz filtracj a tri linearna.
Filtracja bilinearna (Bilinear Interpolation)
W metodzie tej analizie podlega otoczenie punktu. Parametry RGB uśrednia się w oparciu o czterech sąsiadów przy czym budowana wartość średnia ważona jest stopniem oddalenia od punktu trafienia. Teksie leżące bliżej mają większy wpływ na wynik.
Dla pewnego punktu obrazu A(x,y) otrzymujemy parę współrzędnych (U. u, V.v) lokalizującą punkt w przestrzeni tekstury. Punkt ten otoczony jest czterema sąsiadami:
Punkt_1 (U, V) Punkt_2 (U+1, V) Punkt_3 (U+1, V+1) Punkt_4 (U, V+1)
Składowe ułamkowe 0.u i 0.v współrzędnych punktu (U. u, V:v) reprezentują właśnie położenie we wnętrzu kwadratu ograniczonego punktami l, 2, 3 i 4.
Każdy z narożnych punktów ma jasno zdefiniowane parametry R, G, B (R#1, G#1, B#2, R#2, G#2, B#2 ...) Poszukiwane składniki barwy dla punktu A stanowią wypadkową kolorów punktów l - 4 ale z uwzględnieniem ich odległości od punktu. Im bliżej narożnika usytuowany jest punkt A tym większy jest jego wpływ na kolor wypadkowy. Budowana jest średnia ważona a współczynniki wagowe d#1 - d#4 odpowiadają powierzchni prostokątów zaznaczonych na rysunku:
d#1 = (1 - 0.u) x (1 - 0.v) d#2 = 0.u x (l - 0.v) d#3 = 0.u x 0.v d#4 = (l - 0.u) x 0.v
Teraz można już wyznaczyć parametry R, G, B punktu A: R = d#1 x R#1 + d#2 x R#2 + d#3 x R#3 + d#4 x R#4 G = d#1 x G#1 + d#2 x G#2+ d#3 x G#3 + d#4 x G#4 B = d#1 x B#2 + d#2 x B#2 + d#3 x B#3 + d#4 x B#4
W praktyce spotkać można było również różne formy pośrednie filtracji bilinearnej, wprowadzane zwykle ze względów oszczędnościowych. I tak np. kontroler graficzny z akceleratorem 3 D typu GD5464 firmy Cirrus Logic uśredniał na podstawie sąsiedztwa dwóch punktów a nie czterech.
Algorytm filtracji bilinearnej stanowi rozsądny kompromis pomiędzy osiąganymi wynikami a stopniem komplikacji i w chwili obecnej należy do standardowego wyposażenia każdego szanującego się akceleratora 3D. Warto jednak wiedzieć, iż nie usuwa on wszelkich zniekształceń a tylko niektóre. Nadal pozostaje w mocy szkodliwy wpływ skrótów perspektywicznych (Depth Aliasing). Wynika to z nieuchronnego faktu, iż teksturowany obiekt, który oddala się od obserwatora (poruszający się obiekt lub fragment scenerii typu droga biegnąca w stronę horyzontu) ściska w coraz to mniejszych ramach stale tą samą mapę. Chcąc skorygować ten czynnik powstały algorytmy wyższej generacji, które uwzględniają w odpowiednim momencie zmianę rozdzielczości mapy bitowej.
MIP-Mapping
Tekstury są jak już wspomniano mapami bitowymi o ustalonej rozdzielczości (np. 256 x 256) a co za tym idzie ich rozmiar jest stały. Poddawane mapowaniu obiekty 3D mogą mieć różne rozmiary.
Weźmy za przykład grę wykorzystującą naturalną scenerię powierzchni ziemi. Obszar podzielony jest na kwadraty l x l km, z których każdy przechowywany jest jako mapa bitowa 1000 x 1000 punktów. Obraz taki widziany z kabiny symulatora lotniczego ma rozdzielczość graniczną l m^2. Jeśli akcja przeniesie się na ziemię, gracz nie rozróżnia szczegółów poniżej l m.
Optymalne dopasowanie następuje jedynie wtedy, gdy rozmiar mapy bitowej zgodny jest wymiarami pokrywanej
powierzchni. W przypadkach obiektów, których rozmiary ulegają zmianie (bo np. oddalają się lub przybliżają do
obserwatora) rodzi się problem dopasowania tekstury do mapowanej powierzchni. Jeśli wymiar tekstury osiąga wartość
dwukrotnie większą od długości lub szerokości obiektu procesor rasteryzujący powinien przeprowadzić interpolację
bilinearną i zredukować powierzchnię mapy o jedną czwartą (z każdych czterech tekseli mapy poziomu wyższego otrzymuje
się jeden teksel mapy poziomu niższego). Ponieważ wielokrotne przeprowadzanie takich interpolacji w czasie rzeczywistym
jest czystą stratą mocy obliczeniowej (jeśli wyniki za każdym razem są porzucane) przefiltrowane mapy bitowe zapamiętuje
się na stałe. Dla każdej tekstury przygotowuje się obszerny zestaw (Stąd nazwa Mip-Mapping (Mip = Multum in parwo,
dużo w jednym))
map bitowych o różnych stopniach rozdzielczości. Przechowywane mapy (nazywane też Mipami) mają rozmiary będące
kolejnymi potęgami liczby 2. Lista zamykana jest zwykle w okolicach 500, gdyż potrzeba mapowania tak dużych obiektów
w standardowych ekranowych trybach rozdzielczości jest znikoma. Do dyspozycji stoją więc zwykle mapy o
następujących rozmiarach:
l x 1,2 x 2, 4x4, 8 x 8, 16 x 16, ...512 x 512
Procesor rasteryżujący określa, który Mip jest w danym momencie najbardziej optymalny. W tym celu obliczany jest
wyznacznik LOD (Level of Detali}. LOD = 0 oznacza mapę o najwyższej rozdzielczości, która odpowiada stosunkowi
l teksel na l piksel. Mapa o poziomie LÓD = l prze filtrowana jest już w stosunku 4 tekseli na l piksel, itd.
Współczynnik LÓD powinien być w zasadzie obliczany dla każdego piksela trójkąta oddzielnie (Per Pixel MIP-Mapping),
bowiem taka procedura daje najlepsze wrażenia optyczne. W formie oszczędnościowej LÓD określa się raz na cały trójkąt
(Per Triangle MIP-Mapping) ale postępowanie takie prowadzi często do nieciągłości obrazu w narożnikach trójkąta.
MIP-Mapping, mimo iż jest bardzo zaawansowaną i skuteczną techniką nakładania tekstur, rozwiązuje jedne problemy ale
w zamian za to wywołuje inne skutki uboczne. W pewnych niekorzystnych warunkach widoczny jest mianowicie moment
przełączeń na kolejne stopnie LÓD (zjawisko określane jako MIP-Banding). Obserwator dostrzega wówczas nieistniejące
w naturze linie wzdłuż granic dzielących Mipy o różnym poziomie LÓD. Dla zniwelowania tego efektu opracowany został
jeszcze bardziej rozbudowany algorytm teksturowania nazywany filtracją trilinearną.
Filtracja trilinearną
Algorytm ten daje bardzo dobre wyniki ale pochłania wiele mocy obliczeniowej bowiem stanowi kombinację filtracji
bilinearnej i średniej ważonej dwóch sąsiednich Mipów. Metoda rozmywa przejścia pomiędzy stopniami LÓD, co
odbierane jest przez oko ludzkie zdecydowanie lepiej niż ostro zarysowane punkty przełączeń. Filtracja trilinearną bierze
swoją nazwę stąd, iż stosuje w sumie 3 filtry aby wydzielić jeden uśredniony
teksel. Procesor wybiera z danej mapy bitowej dwa Mipy o rozdzielczościach leżących najbliżej rozmiarów mapowanego obiektu. Filtr pierwszy dokonuje filtracja bilinearnej mapy Mip jednego poziomu. Filtr drugi opracowuje mapę bitową poziomu drugiego. Filtr trzeci uśrednia wyniki z powyższych dwóch operacji.
Jednoznaczny dobór dwóch Mipów (o rozdzielczościach zamykających obiekt od góry i od dołu) nie zawsze jest możliwy. Na skutek działania skrótu perspektywicznego może się zdarzyć, iż różne obszary tego samego obiektu pasują lepiej do różnych Mipów. Proszę wyobrazić sobie trójkąt mocno odchylony w kierunku horyzontu. Długość jego podstawy jest niewielka (optymalny Mip 8x8) natomiast długość ramion wielokrotnie większa (wymagany Mip 128 x 128). Nowoczesne akceleratory 3D przechodzą wówczas do innego trybu pracy określanego jako filtracja anizotropową (Anisotrophic Filtering). Algorytm ten posługuje się mapami bitowymi o odmiennych rodzielczościach w kierunku X i Y.
Filtracja anizotropową stanowi zaawansowaną technikę z grupy tzw. Oversampling (inaczej Sub-Pixel Interpolatiori). Termin ten oznacza próbkowanie ze zwiększoną rozdzielczością (większą niż odstęp pomiędzy tekselami i pikselami) i uśrednianie wyników. Algorytmy tego typu dają doskonałe efekty ale pochłaniają ogromną ilość mocy obliczeniowej. 8-krotny oversampling redukuje wartość fps w stosunku 1:8. Techniki te są obecnie przedmiotem intensywnych badań i nie majak na razie rozwiązań praktycznych nadających się do powszechnego zastosowania.
Omawiane tu funkcje filtrujące redukują efekt schodkowy powstający na zewnętrznych krawędziach obiektów w stosunku do tła (Edge Anti-Aliasing). Bardziej nowoczesny system (Scenę Anti-Aliasing) może redukować schodki tworzące się na liniach przecięć wielokątów we wnętrzu obiektów. Algorytmy tego rodzaju przetwarzają obraz jako całość i pochłaniają naturalnie ogromną ilość mocy obliczeniowej. Producenci akceleratorów inwestują wiele w prace nad optymalizacją takich algorytmów.
Mieszanie kolorów
Procesor rasteryzujący może uwzględniać fakt mieszania się kolorów (Blending) podłoża mapowanego obiektu i nakładanej tekstury. Ta część procesu przetwarzania ma miejsce w specjalnej programowanej jednostce mieszającej barwy (Blending Engine). W zależności od zaprogramowanej operacji i użytych kolorów uzyskuje się efekty przyciemnienia, rozjaśnienia lub połysku (Specular Lighting). Jednostka mieszająca może zsyntetyzować dowolne dwa obrazy w jeden posuwając się piksel po pikselu. Najprostsze algorytmy to modulacja i przesłanianie.
Modulacja. W modelu tym zakłada się, iż trójwymiarowa bryła przed oklejeniem jej teksturą była idealnie biała, tzn. odbijałaby całkowicie padające na nią światło. W takim razie każdy z barwnych elementów tekstury stanowi filtr tłumiący światło odbite w tym kolorze.
Przykład:
Jeden z narożników idealnie białego trójkąta oświetlony zostaje zielonym światłem. Punkt ten ma teraz parametry RGB (0,1 ; 0,9 ; 0,1). Naklejona w tym miejscu tekstura cechuje się zabarwieniem RGB (0,2 ; 0,3 ; 0,4). Jako barwa wynikowa przyjęta zostanie trójka:
R=0,l x 0,2=0,02 G=0,9 x 0,3=0,27 B=0,l x 0,4=0,04
Przesłanianie. Zamiast prostego mnożenia składników RGB dla podłoża i tekstury przyjąć można przyjąć bardziej elastyczne rozwiązanie. Dla każdego ze składowych wynikowych z osobna wprowadza się funkcję postaci:
C#X = axP#X+(l-a)xT#X gdzie:
C#X jest składnikiem wynikowym (C#R , C#G lub C#B),
P#X - składnik koloru podłoża,
T#X - składnik koloru tekstury,
a - (0 ... 1) współczynnik przesłaniania.
Model ten pozwala na swobodne określenie stopnia dominacji nakładających się na siebie barw: jeśli a = O tekstura przesłania całkowicie podłoże; dla a = l widzimy tylko podłoże a tekstura jest przeźroczysta. Liczby z przedziału O - l wyobrażają wszelkie stany pośrednie.
Z punktu widzenia komputera obliczenia przesłaniania są bardziej pracochłonne od modulacji. Oprócz niezbędnych w pierwszym modelu trzech mnożeń trzeba jeszcze przeprowadzić dodatkowo trzy dodawania. Sprawę można uprościć, jeżeli współczynnik przenikania a jest stały w ramach całej tekstury. Dla wiernego odtworzenia rzeczywistości założenie to nie zawsze jednak może być przyjęte.
Efekty specjalne
Gry i symulacje komputerowe ostatniej generacji wprowadzają do swojego repertuaru szereg efektów specjalnych, które mają pogłębić u obserwatora wrażenie naturalności scenerii. W ich realizacji bierze intensywny udział jednostka mieszająca (Blending Engine) Większość z nich wymaga kolejnego nałożenia dwóch tekstur. Oto kilka przykładów:
Mgła (Fog). Należy do grupy efektów atmosferycznych (Atmospheric Effects) i polega na sterowaniu współczynnikiem przejrzystości tekstur.
Przejrzystość obiektów (Alpha Blending) .Efekt wywoływany jest przez maszynę mieszającą barwy. Istota tej symulacji polega na manipulacji barwy piksela już obliczonego i spoczywającego w pamięci obrazu. Jego parametry pobiera się i miesza z innym kolorem a zaktualizowany piksel wynikowy jest ponownie zapisywany w pamięci.
Depth Cueing. Stopniowe obniżanie jasności obiektów w miarę oddalania się od obserwatora.
Bump Map. Ta sama mapa nakładana jest dwukrotnie, z tym że za drugim razem wprowadzane jest lekkie przesunięcie. Algorytm daje zadziwiająco wspaniałe wyniki w symulowaniu powierzchni o "tłoczonej" fakturze. Wrażenia takiego nie da się uzyskać przy pomocy pojedynczej tekstury.
Emironment Map. Symulacja błyszczących powierzchni, w których w naturalnych warunkach odbijają się przedmioty otoczenia. Trudność polega na tym, iż algorytm pochłania ogromną ilość mocy obliczeniowej bowiem współrzędne tekstur (u;v) nie są na stałe przypisane do wierzchołków trójkąta a muszą być dynamicznie określane dla każdej rasteryzowanej sceny oddzielnie.
Lighting Map. Symuluje odblaski rzucane na otoczenie przez silne źródła światła (eksplozje, rozbłyski laserów, itp)
Cienie (Shadow). Symulacja cieni rzucanych przez przedmioty wymaga również teksturowania dwukrotnego.
Spora część wymienionych tu efektów (Bump Map, Environment Map, Lighting Map, Shadowing) wymaga teksturowania wielokrotnego (Midti Texturing). Obróbka scenerii bogatych w efekty tego rodzaju jest coraz bardziej pracochłonna. W jednym błyszczącym obiekcie odbija się otoczenie ale z kolei sam obiekt rzuca odblaski na otoczenie. Aby przyspieszyć takie obliczenia najnowocześniejsze akceleratory 3D wyposażane są dwa równoległe potoki przetwarzające (Dual 3D Pipe Linę) lub przynajmniej w podwójną jednostkę teksturującą (Dual Texture Unif). Procesory tego typu pobierają w jednym cyklu przetwarzania po dwa teksele i to z dwóch różnych tekstur.
Teksturowanie wielokrotne stanowi jeden ze znaków szczególnych DirectX w wersji 6.0 i zwrócone jest wyraźnie w stronę układów najnowszej generacji posiadających dublowane procesory teksturujące (Voodoo-2, RivaTNT czy też Permedia-3). Jeśli kontroler nie należy do wspomnianej klasy, funkcje wewnętrzne DirectX 6.0 mogą symulować programowo brakujące fragmenty sprzętu.
Pamięć lokalna akceleratora 3D
Lokalna pamięć akceleratora 3D (fizycznie obecna na karcie kontrolera) podzielona jest na kilka obszarów funkcjonalnych.
Obszar najbardziej istotny to pamięć obrazowa (Franie Bitffer) przechowująca składowe kolorowe (zwykle w formacie RGB lub YUV) wszystkich X x Y pikseli wyświetlanego
obrazu. W obrębie pamięci obrazowej obowiązuje adresowanie współrzędnymi ekranu (x i y, gdzie x = l ... X oraz y = l ... Y), zgodnie z aktualnie ustawionym trybem rozdzielczości (X x Y).
Obszar drugi tworzy tzw. bufor Z (lub w nowszych modelach bufor W). Do grupy obszarów adresowanych współrzędnymi (x,y) zaliczyć należy również tzw. Stencil Buffer, który jest implementowany w akceleratorach ostatniej generacji.
W czasach przed wprowadzeniem AGP kontroler 3D musiał przeznaczać część swej lokalnej pamięci na bitowe mapy tekstur. Mimo iż mechanizmy oferowane przez magistralę AGP pozwalają na przetwarzanie tekstur wprost w pamięci operacyjnej, część kontrolerów wybiera jednak obróbkę w pamięci lokalnej (jednak większa szybkość), zwłaszcza iż możliwym stała się silna kompresja map bitowych bez szczególnej utraty rozdzielczości. W dalszej części rozdziału omówimy pokrótce wspomniane obszary pamięci.
Frame Buffer
Pamięć obrazu pracuje w bardzo specyficznych warunkach. Podlega ona jednoczesnemu zapisywaniu (przez kontroler graficzny) i odczytywaniu (przez przetwornik RAM-DAC). Gdyby wszystko miało się odbywać w obrębie tego samego bloku pamięciowego, przetwornik musiałby czekać na ostateczne zakończenie procesu zapisu. Do momentu odczytania ostatniego piksela nie wolno byłoby z kolei nic zapisywać (wówczas oczekuje kontroler). Aby wymienione dwa procesy nie zakłócały się wzajemnie wprowadzono podwójne buforowanie (Dual Buffering). Do dyspozycji kontrolera graficznego stawia się dwa jednakowe bufory pamięciowe. Jeśli jeden z nich wypełniany jest świeżą treścią (Back Buffer), drugi można oddać do dyspozycji RAM-DAC by przekazał kompletną zawartość na ekran (Front Buffer). W ten sposób zawsze jakiś bufor jest pokazywany a jakiś stoi gotów do zapisu i wspomniane dwa procesy nie zakłócają się wzajemnie.
Moment przełączenia buforów musi wypadać w chwili, gdy generowany jest kolejny impuls synchronizujący w pionie, w przeciwnym razie obraz podzielony zostanie poziomą linią. Może się jednak zdarzyć, iż mimo nadejścia kolejnego impulsu V#(SYNCNC) akcelerator nie zdążył z kompletnym wypełnieniem bufora.
Rozważmy prosty przykład obliczeniowy. Pracujemy w trybie 60 Hz i RAM-DAC generuje co 1/60 sekund impuls synchronizacji pionowej. Jeżeli czas obliczeń jednej sceny wyniesie tylko nieco dłużej niż 1/60 sekundy (na przykład 1/59 sekundy), to kontroler 3D przegapia o ułamek sekundy moment przełączenia i musi czekać na nadejście następnego. W tym czasie procesor graficzny stoi bezczynnie. Do jednego z buforów nie może jeszcze pisać (bo nie został do tej pory wyświetlony) a drugi bufor jest aktualnie pokazywany i też nie można go zamazywać. Rzeczywista częstotliwość odtwarzania obrazu wynosi w tym przypadku już tylko 30 fps.
Rozwiązanie tego problemu możliwe jest jedynie poprzez wprowadzenie trzeciego bufora (Triple Buffering). Przy podziale na 3 bufory odpada czas oczekiwania na impuls syn-
chronizacyjny bowiem kontroler zawsze dysponuje jakimś obszarem pamięci, do którego może zapisywać wyniki swoich obliczeń. Wadą tego rozwiązania jest zmienna częstotliwość odtwarzania [fps], bowiem nie ma już mechanizmu wyzwalającego w równych odstępach czasowych moment przełączania buforów. Połączenie zalet sztywnej synchronizacji ze stałą możliwością zapisu do jednego z buforów możliwa jest w układach implementujących bufory poczwórne (Quad Buffering).
Warto nadmienić, iż zapis do pamięci obrazu odbywać się może zarówno przy załączonej jak i wyłączonej synchronizacji z impulsami V#SYNC- Synchronizację wyłącza się zwykle w celach pomiarowych, np. uruchamiając programy typu Bench-Mark. Kontroler może wtedy pisać do bufora obrazu z narzucaną przez siebie prędkością i nie musi czekać na moment powrotu wiązki elektronów w cyklu odchylania pionowego. Osiągane w tych anormalnych okolicznościach wartości fps sięgają w chwili obecnej powyżej 100 obrazów na sekundę. W warunkach rzeczywistych, gdy odtwarzana jest jakaś aplikacja, a nie program testujący, kontroler graficzny wypełniwszy w całości bufor obrazu musi odczekać nadejścia kolejnego impulsu synchronizacyjnego jeśli chce pokazać kompletny obraz. W takim uzależnionym układzie częstotliwość powtarzania obrazu 3D nie leży nigdy powyżej częstotliwości odchylania pionowego, z którą pracuje monitor.
Bufor Z/W
Położenie dowolnego punktu w przestrzeni 3D jest jednoznacznie zdefiniowane przez trójkę liczb (x, y, z) będących jego współrzędnymi. Z punktów takich składają się trójkąty elementarne a z nich z kolei modelowane właściwe elementy scenerii. Oś Z przebiega w kierunku od płaszczyzny ekranu w głąb przestrzeni 3D. Wartość współrzędnej z rośnie w miarę oddalania się od obserwatora.
Mimo iż rzecz dotyczy przestrzeni 3D, cały proces przetwarzania ma miejsce w płaszczyźnie ekranu, adresowanej parą współrzędnych płaskich (x, y).
Mogło by się wydawać, że trzecia współrzędna z reprezentująca odległość punktu od ekranu staje się zbędna. Tak jednak nie jest, bowiem skutkiem projekcji na ekran trójwymiarowe elementy przedstawianej scenerii mogą się wzajemnie przesłaniać. Zjawisko przesłaniania się obiektów 3D sprowadza się do przesłaniania się trójkątów elementarnych a w gruncie rzeczy do przesłaniania się pikseli. Analizę przesłaniania przeprowadza się właśnie na poziomie pojedynczych punktów obrazu.
Na ekranie kreślone będą więc tylko te punkty bryły, które są widoczne dla obserwatora. O tym czy punkt jest widoczny czy nie decyduje właśnie jego współrzędna z. W tym celu utworzony zostaje w pamięci karty graficznej tzw. bufor Z. Stanowi on tablicę Z[x,y] o rozmiarach ekranu (X x Y). Elementy tablicy Z są zwykle dwubajtowe. Przed przystąpieniem do formowania nowego obrazu ustawiana jest wartość początkowa, dla każdego z[x,y]=OxFFFFh, co w ramach dokładności oferowanej przez zakres 0-216 odpowiada +00 na osi Z.
W miarę budowania trójwymiarowej scenerii rozpisanej na elementarne trójkąty, rozpatruje się współrzędne z dla każdego z aktualnie obliczanych punktów składowych i porównuje je z dotychczasową wartością zapamiętaną w buforze Z (Z-Buffering). Punkt o współrzędnych (x, y, z) zostaje uznany za widoczny jeśli spełnia warunek:
z < Z[x,y]
Obliczone składowe RGB dla punktu uznanego za widoczny wędrują do bufora obrazowego i umieszczane są pod adresem [x,y]. Współrzędna z takiego nowego punktu zamazuje napotkaną w buforze Z wartość:
Z[x,y]=z
Tak zmodyfikowany element tablicy Z pozostaje niezmieniony do momentu przetwarzania punktu obiektu leżącego jeszcze bliżej obserwatora.
Mechanizm bezbłędnego określania wzajemnego przesłaniania się pikseli funkcjonuje teoretycznie jedynie przy założeniu nieskończenie wielkiej dokładności obliczeń. Odstęp pomiędzy blisko położonymi obiektami 3D (np. obraz wiszący na ścianie) może w pewnych warunkach wymykać się spod kontroli, jeśli dokładność obliczeń (kwantyzacja) nie gwarantuje możliwości odróżnienie obiektów od siebie. Kluczową rolę odgrywa tutaj głębia przedstawianej sceny. Na nią bowiem rozkłada się stojąca do dyspozycji dokładność mechanizmu kontroli głębokości.
Im większy jest zakres widoczności obserwatora, tym większe wymagania spoczywają na dokładności pomiaru odległości na osi Z. Organizacja bufora Z stawia do dyspozycji określoną ilość bitów. Bufor Z może pracować na liczbach 16, 24 lub 32-bitowych. Akceleratory powszechnego użytku zadowalają się zwykle organizacją 16-bitową, modele nowszych generacji, szczególnie te które zostały bogato wyposażone w pamięć pracują w trybie 32-bitowym. Stojący do dyspozycji rozmiar bufora Z można różnie wykorzystywać. Zwykle pracuje się w arytmetyce liczb stałoprzecinkowych (skalowane liczby całkowite). Obiekty położone blisko (o małej współrzędnej Z) posiadają przez to większą dokładność oceny głębokości. Przejście na arytmetykę zmiennoprzecinkową gwarantują jednakową dokładność w całym zakresie widzenia, ale spowalnia cały proces obliczeniowy.
Nie bez znaczenia jest znowu wpływ skrótu perspektywicznego, skutkiem czego rozkład wartości z w buforze nie jest liniowy. Obiekty znacznie oddalone od obserwatora mają coraz to bardziej zbliżone wartości współrzędnej z, przez co rośnie niebezpieczeństwo przekroczenia wartości minimalnej poniżej granicy dokładności. Jeśli zamiast współrzędnej z używać skorygowanej współrzędnej w (która również wyraża odległość od obserwatora ale w innej skali) rozkład wartości w buforze (nazywanym teraz buforem W) staje się liniowy.
Z-Buffering (lub W-Buffering) obciążają bardzo mocno pamięć lokalną akceleratora poprzez szereg odwołań typu Read/Write-Modify. Odwołania tego typu są szczególnie uciążliwe, bowiem wymagają nieustannych przełączeń z zapisu na odczyt i odwrotnie.
Nowoczesne pamięci dynamiczne osiągają swoje maksymalne parametry jedynie w trakcie szeregu następujących po sobie cykli dostępu tego samego rodzaju.
Warto wspomnieć w tym miejscu o istnieniu ciekawego algorytmu pozwalającego na ominięcie całego procesu porównywania współrzędnych z, a w dodatku nie wymagającego odwołań do pamięci. Mowa tu o sortowaniu trójkątów (Z-Sort). Przed przystąpieniem do przetwarzania wszystkie trójkąty elementarne ustawiane są w szereg (odzwierciedlający wzajemne przesłanianie). Gdy lista jest gotowa procesor przystępuje do przetwarzania w kolejności "od tyłu do przodu". Jeżeli przetwarzany będzie każdy trójkąt, obiekty przesłonięte zostaną w naturalny sposób zamazane przez obiekty leżące bliżej. W ten sposób omija się zagadnienie niedokładności oceny odległości na osi Z. Bez względu na to jak blisko od siebie spoczywają dwa trójkąty, zawsze jeden z nich można uznać za bliższy (poprzez pozycję w kolejce).
Pamięć tekstur
Jednym z czynników silnie obciążających lokalną magistralę pamięciową akceleratora jest dostęp do tekstur. Są to co prawda wyłącznie cykle odczytu ale za to w dużej liczbie: przy aktywnej filtracji trilinearnej potrzeba wczytywać parametry 8 tekseli na każdy piksel obrazu. Procesory wyposażone w podwójne potoki przetwarzania (kompletne lub jedynie jednostki teksturujące) generują oczywiście dodatkowe obciążenie. Projektanci akceleratorów od dawna łamią sobie głowę nad różnymi sposobami optymalizacji architektury i zwiększenia wydajności pamięci.
Spore rezerwy drzemią w samej organizacji pamięci a zwłaszcza wyrafinowanym rozlokowaniu map bitowych. Tekstury układane są często w pozornie nielogicznej formie, która gwarantuje jednak szybszy dostęp do kolejnych tekseli bez konieczności zmiany wiersza. Duże, kwadratowe obszary tekstury składające się z większej liczby logicznych linii, złożone są fizycznie w jednym wierszu pamięci. Cykl dostępu ulega znacznemu skróceniu bowiem pamięć może przejść w tryb pracy Burst, a przygotowanie kolejnego adresu obejmuje jedynie modyfikację kolumny.
Profesjonalne akceleratory 3D dysponują często lokalną pamięcią pośrednią typu Cache, w której przechowuje się spory fragment aktualnie przetwarzanej mapy bitowej. Duże oszczędności przynosi sam sposób kodowania danych, np. przejście z przestrzeni RGB na YUV. W zależności od wymagań odnośnie jakości można pozwolić sobie na ograniczenie formatu danych: zamiast przeznaczać po jednym bajcie na każdą składową koloru można przejść do jednego z trybów oszczędnościowych: RGB-565 ( RGB-565 oznacza rozpisanie na składniki 16-bitowej komórki pamięci obrazu: dla składnika zielonego 6 bitów a dla składników czerwonego i niebieskiego po 5 bitów.),
RGBA-4444 lubRGBA5551. Procesor teksturujący tłumaczy formaty tego typu na swój
wewnętrznyformat RGBA8888 w którym dokonuje wszelkich operacji.
Aspekty ekonomiczne zadecydowały, iż akceleratory wcześniejszych generacji powszechnie wyposażane były w 64-bitową szynę komunikacyjną. Połowa jej szerokości przeznaczana była na komunikację z pamięcią obrazu a reszta łączyła kontroler z pamięcią tekstur. Układy wyższej klasy posiadał)' po dwie niezależne magistrale pamięciowe, każda o szerokości 64 bitów.
Ostatnio do użytku wchodzi również inne rozwiązanie pozwalające na bardziej efektywne wykorzystanie pamięci. Prezentowany tu system kompresji tekstur (S3TC) zaproponowany został przez firmę S3 i wprowadzony przez Microsoft do biblioteki DirectX 6.0.
Żelazna reguła mówiąca, iż pamięci jest zawsze za mało obowiązuje naturalnie i w tym względzie. Osiągane efekty wizualne są tym lepsze im większa jest rozdzielczość map bitowych, którymi posługuje się procesor tekstur. Obiekt teksturowany mapą o rozmiarach 512 x 512 oddziaływuje znacznie bardziej realistycznie na obserwatora pokrywany tym samym wzorem ale o rozdzielczości 64 x 64.
Zapotrzebowanie na pamięć rośnie naturalnie dodatkowo w systemach posługujących się mapowaniem MIP. Każda z map bitowych przechowywana musi być w kilku lub kilkunastu wstępnie prze filtrowanych rozmiarach.
Właśnie temu stale rosnącemu zapotrzebowaniu na tekstury ma przyjść z pomocą system S3TC. Stosowany tu mechanizm pozwala na osiągnięcie sześciokrotnego współczynnika kompresji (przy założeniu, że produktem wejściowym była mapa bitowa przeznaczająca 24 bity na piksel, czyli w formacie RGB888). Algorytm oferuje 2 modele kompresji. W trybie podstawowym przeznaczane są po 4 bity na każdy kodowany teksel. W modelu drugim generowany jest strumień wyjściowy o podwójnej szerokości.
Algorytm kompresji nie koduje całej tekstury na raz, lecz dzieli ją wstępnie na bloki o rozmiarach 4 x 4 i w takich porcjach przetwarza. W obrębie bloku analizowany jest kolor każdego teksla w celu wydzielenia dwóch wiodących kolorów bazowych.
Produktem wyjściowym mechanizmu kompresji są dwie struktury danych: kodowana (wyjściowa) mapa bitowa oraz paleta kolorów (Texture Palette Lookup).
Przetworzony blok wejściowy stanowi teraz zestaw indeksów do palety kolorów. Paleta jest czterowierszową tablicą zawierającą w sumie cztery kolory: dwa bazowe i dwa pośrednie wyznaczane przez interpolację kolorów bazowych. Kolory pośrednie generowane są automatycznie w fazie dekodowania i nie przechodzą do strumienia wyjściowego (nie są zapisywane). Paleta kodowana jest w formie RGB565, tj. po 16 bitów na kolor.
W ten sposób kodowany blok 4x4 zamieniany jest na zestaw dwubitowych indeksów i zajmuje teraz rozmiar 32 bitów (4 x 4 x 2). Możliwe wartości indeksów to oczywiście 00,01, 10 lub 11.
W wyniku kompresji bloku 4x4 zapisywane są 64 bity (32 bity zestaw indeksów i 32 bity paleta). Algorytm w tej wersji
produkuje więc średnio po 4 bity na teksel.
Rozmiar pamięci i organizacja
Faktyczne zapotrzebowanie na pamięć graficzną wynika w głównej mierze z aktualnego trybu pracy sterownika graficznego
Pełna strona obrazu zajmuje:
P = p x l x c gdzie:
P - ilość pamięci w bajtach, p - ilość punktów w linii,
l - ilość linii na ekranie (p x l opisuje rozdzielczość obrazu w pikselach, np. 800 x 600),
c - tryb kolorowy, tj. liczba bajtów odwzorowujących barwę piksla.
Jeden bajt daje możliwość rozróżnienia 256 kolorów. Dwa bajty mogą zakodować do 2I6 różnych kolorów (tryb High Color,
w zależności od przyjętej umowy oznacza 32 768 lub 65 535 barw). Praca w trybie Tnie Color wymaga poświęcenia trzech
bajtów na piksel. Pozwala to na przedstawienie ponad 16 milionów barw. 24-bitowe cykle dostępu do pamięci graficznej
nie są najmocniejszą stroną kontrolerów graficznych z architekturą 64-bitową. Niektóre z nich poświęcają więc 4 bajty
pamięci w celu przyspieszenia dostępu. Tryb 3-bajtowy można niekiedy wymusić. Możliwość ta ukrywa się w oknach
konfiguracyjnych pod nazwą Packed Pixel Mode. Bez tego nie były by możliwe niektóre z trybów np. 1280 x 1024
( 1280 x 10241280 x 1024 x 4 = 5 MB)i True Color w kartach dysponujących 4 MB pamięci graficznej.
Zgodnie z powyższym praca z rozdzielczością 1024 x 768 punktów w trybie High Color (16 bitów na piksel, c = 2) pochłania
1024 x 768 x 2 = 1572864 bajty pamięci. Jeśli uwzględniać wyłącznie zapotrzebowanie wynikające z pracy sterownika
graficznego (bez podwójnego buforowania, tekstur i bufora-Z) już nawet niewielka ilość pamięci pozwala na osiągnięcie
rozsądnego trybu pracy:
Tabela 9.1.
Zapotrzebowanie na pamięć karty graficznej
Ilość pamięci; RAM-DAC; Maksyma/nie możliwy tryb;
1 MB; 135 MHz; 1280 x 10247 16col./75 Hz, 1024 x 768/256col./75 Hz, 800 x 600 / HiColor / 75 Hz;
2 MB; 135 MHz; 1280 x 1024/256col./75Hz, 1152 x 864 /HiColor/ 80 Hz,1024 x 768 /HiColor/ 80 Hz,800 x 600 / TrueColor / 75 Hz;
4 MB; 175 MHz; 1280 x 1 024 /TrueColor/ 75 Hz, 600 x 1200 /HiColor/ 65 Hz, 220 MHz;1280 x 1024 /HiColor/ 80 Hz;
Powyższa kalkulacja traci sens w przypadku akceleratora 3D, który bardzo intensywnie korzysta z pamięci graficznej. Już w trybie 640 x 480 i High Color może powstać deficyt nawet przy obsadzie 4 MB. Na samą pamięć obrazu przypada zgodnie z powyższymi obliczeniami około 600 kB. Drugie tyle trzeba przeznaczyć na dodatkowy bufor (Back Buffer) w którym przygotowywany jest obraz i jeszcze raz tyle samo na potrzeby bufora-Z. Razem już prawie 2 MB. Do tego doliczyć musimy pamięć tekstur. Jeśli włączona jest filtracja trilinearna w pamięci schronienie musi znaleźć cała rodzina map bitowych: oryginał 256 x 256 plus pomniejszenia 128 x 128, 64 x 64, aż do 1x1. Na całość potrzeba zarezerwować prawie 90 kB, a to dopiero jedna tekstura. Widać wyraźnie jak niezmiernie pamięciożerne są funkcje 3D.
Typowy dla Windows 16-bitowy (216 barw) obraz kolorowy w formacie 1024x768 zajmuje około 1,6 MB pamięci graficznej. Aby go kompletnie odnowić w stosunkowo krótkim czasie, np. 1/1 Os, procesor musi przesłać strumień danych 16 MB/s. Nie stanowi to jeszcze przeciążenia dla magistrali PCI. Lepsze karty graficzne mogą przejąć z magistrali do 60 MB/s. Ponadto w praktyce prawie nigdy nie odbudowuje się całego obrazu a jedynie pewne jego fragmenty (np. przesłonięte lub przesunięte okna).
Problem rodzi się w momencie wyprowadzania danych na monitor. Chcąc zachować ergonomiczną częstotliwość odświeżania należy przesłać w ciągu jednej sekundy 75 bloków danych po 1,6 MB. Wymagana szerokość pasma wynosi więc 120 MB/s. Podobne obliczenie przeprowadzone dla rozdzielczości 1280 x 1024 da wynik 200 MB/s, a w formacie 1600 x 1200 aż 288 MB/s. Sytuację można trochę podratować redukując liczbę kolorów: 1024 x 768 przy 256 kolorach i 70 Hz daje już tylko 55 MB/s.
W toku rozwoju kart graficznych projektanci już dawno stanęli przed problemem ograniczeń w paśmie (dla standardowego trybu VGA mamy około 10 MB/s). Pierwszy po-
ważny przyrost zapotrzebowania z 10 na 55 MB/s był możliwy do zaspokojenia początkowo jedynie poprzez zastosowanie drogich układów pamięci V-RAM.
Brak innych rozwiązań spowodowany był dodatkowo małą szerokością magistral systemowych. Architektura ISA zadowalała się przez długie lata szynami 16-bitowymi, nawet w obrębie sterowników graficznych. Przyrost szerokości tych magistral umożliwił zaspokojenie głodu pasma już przy użyciu tanich układów pamięci. Bardzo szybko dokonał się skok z 16 na 32 bity, 64 bity należy do standardu a coraz częściej pojawiają się już modele wyposażone w szyny 128-bitowe.-
-Jeszcze raz warto podkreślić, że mowa o wewnętrznych magistralach kart graficznych, łączących ich procesory z blokami pamięci. Komunikacja sterownika ze światem zewnętrznym przebiega nadal poprzez 32-bitową szynę PCI lub AGP.
Niestety nie wszystkie produkty przyozdobione naklejkami "128" i "64" mogły w istocie rzeczy poszczycić się adekwatnymi parametrami. W zaciszu kolorowych pudełek czekały na użytkownika często niemiłe niespodzianki. Ich przyczyna leżała w konfiguracji z niepełną obsadą pamięci. Względy ekonomiczne decydowały o tym, iż szerokość portu danych pojedynczych chipów pamięciowych wynosi zwykle 16 bitów. W zależności od szerokości magistrali wewnętrznej sterownika i aktualnej obsady pamięci mogła wystąpić następująca sytuacja:
Cztery układy pamięciowe, każdy po 512 kB, tworzą wprawdzie w sumie blok 2 MB ale dostęp do pamięci odbywa się w trybie 64-bitowym. Jeśli nawet kontroler wyprowadza szynę podwójnej szerokości, nie może ona być w pełni wykorzystana. Produkt w tej konfiguracji nie powinien być reklamowany jako 128-bitowy. Dopiero uzupełnienie do 4 MB uprawnia do posługiwania się takim określeniem.
Redukcja obciążenia magistrali pamięciowej karty graficznej możliwa jest do osiągnięcia na drodze obniżenia
częstotliwości odchylania pionowego. Większość ludzi zadowoli się z pewnością częstotliwością 75 Hz i nie
zauważy różnicy między 90 a 120 Hz. Spory fragment populacji odbiera wręcz negatywnie częstotliwości powyżej
100 Hz.
Wzrost zapotrzebowania na szybką pamięć graficzną i konieczność racjonalnego zagospodarowania pasma
przepustowego wynika z wielu dodatkowych powodów. Techniki multimedialne narzucają nowe wymagania i stanowią
dodatkowe obciążenia. Pamięć graficzna służy przecież nie tylko jako prosta matryca pikseli, z których buduje się obraz.
Jest również miejscem przechowywania bitowych map tekstur oraz buforem Z. Głębokość buforu Z jest różna i waha się
w granicach 16 (Matrox Millennium) do 32 bitów (Spea Fire GL). Filtracja bilinearna tekstur pracuje zwykle w trybie
uśredniania z czterech otaczających punktów (cztery cykle odczytu). Jeszcze gorszy bilans prezentuje Mip-Mapping.
W generowaną średnią zaangażowane są dwie mapy bitowe o różnej rozdzielczości (8 cykli odczytu). Skalowanie w pionie
to często ekstrapolacja z dwóch linii. W trybie pracy z przełączanymi buforami (Double Buffering) zarządza się ponadto
dwoma blokami obrazowymi jednocześnie.
Realizacja powyższych funkcji mnoży ogromną ilość dodatkowych cykli dostępu a przeznaczana na nie ilość czasu
pozostaje bez zmian. Kontrolery graficzne profesjonalnych systemów multimedialnych (np. symulatorów) wyposaża
się więc w oddzielne szyny pamięciowe kierowane do niezależnych bloków. Jednej z magistral przydziela się część
pamięci dla potrzeb bufora Z i tekstur a druga obsługuje blok pamięci obrazowej.
Nawet pozornie duża ilość zainstalowanej na karcie pamięci nie zawsze może sprostać pokładanym w niej zadaniom.
Łatwo obliczyć, że w trybie True-Color (32 bity na piksel) i rozdzielczości 1280 x 1024 nawet 8 MB nie wystarcza do
realizacji funkcji podwójnego buforowania: na karcie mieści się tylko jedna strona obrazu (5 MB). Kontroler Glint radzi
sobie w tym wypadku zrzucając drugi bufor do pamięci operacyjnej PC co skutecznie blokuje magistralę PCI.
Kilka przykładów wykorzystania pamięci na kartach z akceleratorami 3D przedstawia tabela 9.2.
Tabela 9.2.
Typowe wykorzystanie pamięci w akceleratorach 3D
Pamięć na karcie; Rozdzielczość; Liczba kolorów; Bufory obrazowe (Front/Back); Bufor Z (16-bitowy); Pamięć dla tekstur;
1 MB; 320 x 200, 2^16; 0,12 MB/0,12 MB; 0,12 MB; 0,63 MB
2 MB; 640 x 480, 2^16; 0,59 MB 70,59 MB; 0,59 MB; 0,24 MB
2 MB; 800 x 600; 2^8; 0,46 MB / 0,46 MB; 0,92 MB; 0,17 MB
4 MB; 640 x 480, 2^16; 0,59 MB 70,59 MB; 0,59 MB; 2,24 MB
4 MB; 800 x 600; 2^16; 0,92 MB 7 0,92 MB; 0,92 MB; 1,25 MB
Rodzaje pamięci graficznych
Technika podwójnego buforowania (Double Buffering) umożliwia wprawdzie bardziej racjonalne wykorzystanie mocy obliczeniowej akceleratora i wpływa na płynną prezentacje obrazu ale stanowi też dodatkowe obciążenie dla magistrali pamięciowej (przeplatające się cykle zapisu i odczytu), źródłem naprzemiennych cykli R/W jest również konieczność komunikacji z buforem Z. Dostępu tego typu nie lubią w szczególności pamięci SDRAM i SGRAM, które osiągają swoje szczytowe parametry w długich sekwencyjnych cyklach. Każde przełączenie buforów (Back/Front) to szereg operacji zapisu wymuszających zerowanie pamięci obrazu i inicjujących bufor Z wartością +00.
Jeśli maksymalna przepustowość magistrali wynika z przyjętej architektury oraz typu pamięci to w danym przypadku nie da jej się przekroczyć. Wartość ta rzutuje w pewnym sensie na ograniczenie stopnia złożoności przedstawianych scen, ilości trójkątów elementarnych, rodzaju efektów świetlnych, sposobu teksturowania, aktywowanych filtrów itp. Podwyższenie dowolnego z tych czynników musi owocować obniżeniem częstotliwości odtwarzania obrazu. Jedyne wyjście z tego impasu oferują (przynajmniej na jakiś czas) nowe i coraz to szybsze typy pamięci, oszczędna nią gospodarka a często nawet pewne sztuczki ograniczające pasmo przenoszenia.
Do jednej z nich należy tzw. rasteryzacja. Jądro akceleratora 3D przeprowadza obliczenia kolorów z dokładnością do 32 bitów. Aby zredukować szerokość zajmowanego pasma, zapis obliczonych wartości (do pamięci graficznej) odbywa się jednak w trybie 16-bito-wym.
Oszczędności maj ą naturalnie swoje ujemne strony, które są niestety natychmiast wykrywane przez nasz zmysł wzroku. Oko ludzkie wyłapuje przejścia między kolorami i widzi w tym miejscu nieistniejące w gruncie rzeczy linie podziału (Mach-Banding). W takich krytycznym obszarach procesor musi rozmazywać nieco obraz (Dithering) bowiem oko ludzkie jest mniej czułe na barwne szumy, niż na wyraźne granice międzykolorowe. Rozmycie linii uzyskuje się poprzez nieregularne domieszki interpolowanych kolorów pośrednich.
Pamięci graficzne przeszły dosyć długą drogę rozwojową a prace nad ich udoskonalaniem trwają nieprzerwanie. Oto krótki przegląd powszechnie stosowanych typów.
DRAM
Elementarna komórka pamięci realizowana jest za pomocą pary złożonej z jednego tranzystora i kondensatora. Komórki zgrupowane są w pola a dostęp do pojedynczego bitu odbywa się poprzez wybranie adresu wiersza i kolumny. W trybie przyspieszonym (Fast Page Modę) wystarczy podawać adresy kolumn przy niezmiennym adresie wiersza co daje skrócony o połowę czas dostępu w stosunku do pełnego adresowania.
DRAM jest typem-prekursorem w grupie pamięci dynamicznych i wywodzi się z czasów pierwszych komputerów PC. Stosowana jest (z małymi modyfikacjami) do dnia dzisiej-
szego jako pamięć operacyjna o czym decydują jednak inne kryteria. Ten standardowy typ pamięci nie jest obecnie w stanie sprostać wymaganiom zastosowań multimedialnych.
EDO i BEDO DRAM
Stanowi odmianę pamięci DRAM i udostępnia pasmo nieco powyżej 200 MB/s. Podczas odczytu dane utrzymywane są na wyjściu aż do momentu gdy pole pamięci gotowe jest do przekazania następnego słowa. W ten sposób kontroler graficzny może przygotowywać się do następnego cyklu odczytu będąc jeszcze w trakcie przejmowania danych z cyklu poprzedniego. Zachodzenie na siebie kolejnych cykli (technika pipeline) jest podstawą pracy w stylu Burst (stąd wywodzi się nazwa Burst EDO, BEDO DRAM). Dopiero ten zysk na czasie pozwolił na taktowanie pamięci bez cykli oczekiwania, tzn. każdy cykl zegara pamięci wyzwala l cykl odczytu. Cztery równolegle połączone układy pamięci (pracujące w konfiguracji 4x16 = 64bity) taktowane zegarem 50 MHz osiągają maksymalny transfer 400 MB/s (8 x 50). Średnia prędkość transmisji jest naturalnie mniejsza, bowiem kontroler musi kiedyś wreszcie zmienić adres wiersza i opuścić tryb Fast-Page.
O ile pamięci EDO stosowane były bardzo powszechnie, typ BEDO umarł śmiercią naturalną nie doczekawszy się powszechnej akceptacji.
SDRAM
Synchroniczna odmiana pamięci DRAM wytwarzana przez wszystkich liczących się producentów. Typowa częstotliwość taktowania sięga 100 MHz. Szybkie odmiany tego typu przystosowane są do zegara 125 MHz co pozwala osiągnąć transfer 640 MB/s (przy szerokości magistrali 64 bity).
W przeciwieństwie do klasycznych układów pamięci DRAM, które wymagają precyzyjnie uformowanych sygnałów RAS i CAS (Rów Address Strobe, Coliimn Address Strobe) pamięci synchroniczne mają własny kontroler przetwarzający impulsy zegarowe na niezbędne sygnały sterujące. Metoda taka zmniejsza wymogi nakładane na dokładność wykonania ścieżek na płytkach drukowanych i gwarantuje zwiększenie prędkości taktowania.
Bloki pamięci SDRAM i SGRAM organizowane są zwykle w dwa banki obsługiwane naprzemiennie (technika interleave) co pozwala na nakładanie się w czasie kolejnych cykli dostępu.
SGRAM
Odmiana synchronicznej pamięci SDRAM cechująca się dodatkowym trybem pracy blokowej przy zapisie (Block-Write). Pojedyncze układy pamięci mają szerokość 32 bitów, co stanowi korzystny czynnik przy obsadzie 2-4 MB. Częstotliwość zegara taktującego osiąga również zakres 100 MHz.
MDRAM
Multibank-DRAM, należy do grupy synchronicznych pamięci DRAM. W odróżnieniu od SDRAM i SGRAM (w trybie burst współpracują ze sobą 2 banki) mamy tu do czynienia z przypadkiem nakładania się na siebie 8 banków. Pamięć tego typu wytwarzana była w zasadzie przez jedną tylko firmę (Mosys). Bazowała na logicznych jednostkach pamięci 256 kB, każda po 8 banków 32 kB. Na rynku powszechne były układy l MB integrujące w sobie cztery jednostki pamięci.
Technologia ta umożliwiała (w skali laboratoryjnej) taktowanie zegarem 100 - 125 MHz, ale rozrzut parametrów i niedoskonałość wykonania elementów w produkcji masowej ograniczał częstotliwość do 85 MHz. Z pamięcią MDRAM współpracował kontroler ET-6000 będący dziełem firmy Tseng.
Fizyczna szerokość magistrali wewnętrznej kontrolera ET-6000 wynosi w zasadzie 32 bity ale jej organizacja jest dość nietypowa. Sterownik wymienia dane z pamięcią przez jeden z dwóch portów o szerokości 16 bitów. Każdy z nich wyprowadza multiplekso-waną szynę komunikacyjną, którą przesyłane są adresy i dane. Szyny taktowane są sygnałem zegarowym pamięci (ok. 100 MHz), a przesyłanie odbywa się zarówno podczas narastającego jak i opadającego zbocza zegara. Szczytowa przepustowość takiej szyny sięga więc (w przeliczeniu na jeden układ MDRAM) ok. 400 MB/s. Dwa bloki pamięci cechują się więc wydajnością wykraczającą poza parametry typowe dla pamięci V-RAM. Pamięć MDRAM, podobnie jak wiele innych rozwiązań przeszła już do historii.
RDRAM
Mianem tym określana jest pamięć Rambus. Zapewnia ona stosunkowo duży transfer (po 500 MB/s na każdy układ) zawdzięczany głównie taktowaniu bardzo szybkim zegarem 250 MHz. Dane przenoszone są podczas obydwu zboczy zegara. Tak szybka technika stwarza oczywiście szereg problemów. Rosną wymagania odnośnie stosowanych materiałów i precyzji wykonania.
Szerokość magistrali pojedynczego układu ograniczona została do 8 bitów, co bynajmniej nie ułatwia integracji w strukturach aktualnie rozwijanych sterowników. RDRAM wymaga specjalnego sterownika pamięci co naturalnie podnosi koszty produktów.
Sterowniki łączące dwa kanały RDRAM (każdy po 667 MB/s) pozwoliły na przełamanie po raz pierwszy bariery l GB/s.
V-RAM
Specjalny typ pamięci opracowany przez firmę Texas Instruments. Skrót V-RAM (Video-RAM) nie oddaje w pełni istoty sprawy. Z punktu widzenia kontrolera graficznego układy pamięci Y-RAM zachowują się jak normalne pamięci DRAM. Osiągane pasmo przenoszenia przy zapisie magistralą 64-bitową nie przekracza 200 MB/s. Cechą
szczególną jest niezależny port84 wyjściowy prowadzący do przetwornika RAM-DAC. Transfer na tym odcinku sięga 360 MB/s, a kontroler nie musi tracić cykli zegarowych na wytworzenie sygnału dla monitora. Nie występuje tu, charakterystyczne dla wszystkich innych typów pamięci zjawisko stopniowego blokowania ograniczonego przecież pasma przepustowego magistrali, w miarę wzrostu rozdzielczości i ilości odtwarzanych kolorów. Można więc zachować wysoką (lub co najmniej ergonomiczną) częstotliwość odświeżania ekranu przy pracy w trybach o wysokiej rozdzielczości rzędu 1600 x 1280.
Wbrew powszechnie panującej opinii, pobór danych z portu wyjściowego nie jest całkowicie niezależny od cykli zapisu. Odczyt pamięci V-RAM przebiega według następującego algorytmu:
Cykl inicjowany jest przez kontroler, który adresuje punkt początkowy żądanego obszaru.
Układ V-RAM wyprowadza automatycznie bit po bicie zawartość kolejnych komórek tego obszaru do specjalnego rejestru przesuwnego.
Stojące do dyspozycji w powyższym rejestrze dane mogą być pobierane przez przetwornik RAM-DAC.
Do wyczerpania zawartości rejestru pamięć może być zapisywana. W tym sensie możliwy jest jednoczesny zapis i odczyt.
Pamięci V-RAM obciążone są opłatami licencyjnymi na rzecz wynalazcy, firmy Texas Intstruments, przez co zbyt drogie dla rynku powszechnego konsumenta.
WRAM
WRAM (Window RAM) stanowi wariant V-RAM poszerzony o pewne dodatkowe, realizowane sprzętowo funkcje blokowe (Aligned Move i Fiil). Układy tego typu wytwarzane były wyłącznie przez firmę Samsung i montowane na wczesnych wersjach kart (Millenium-1) firmy Matrox.
RAM-DAC
Układ RAM-DAC (Random Access Memoiy-Digital/Analog Converter} stanowi stopień wyjściowy karty graficznej i przetwarza zakodowany cyfrowo obraz pobierany z pamięci na analogowe sygnały RGB sterujące tor wizyjny monitora.
Stąd też pochodzi bardziej precyzyjna nazwa tego typu pamięci: Dual Ported RAM
W zasadzie są to trzy niezależne przetworniki, po jednym dla każdego z kolorów R, G. B. Czasami można spotkać bardziej rozbudowane rozwiązania, jak np. te z wyjściami na dwa monitory. Karta posiada wtedy 2 niezależne zestawy po 3 przetworniki RAM-DAC.
Prędkość maksymalna z jaką może przebiegać ta konwersja (Pixel Clock) leży w zakresie od około 130 MHz (tanie produkty powszechnego użytku) do prawie 300 MHz (akceleratory najnowszej generacji). Rozwój technologii ostatnich lat pozwolił również na stopniowe integrowanie przetworników w obrębie struktury scalonej samego akceleratora, co wcześniej było niemożliwe. Szybkie przetworniki (powyżej 200 MHz) wytwarzane były wyłącznie jako niezależne układy scalone. Wymagana częstotliwość taktowania wynika z aktualnie ustawionej rozdzielczości i częstotliwości odświeżania obrazu, a nie zależy od ilości dostępnych w danym trybie barw. Sam fakt obecności na karcie przetwornika klasy 220 MHz nie oznacza bynajmniej, że pracuje on stale z tą częstotliwością.
Szerokość pasma magistrali pamięciowej prowadzącej do przetwornika jest wykładnikiem częstotliwości odświeżania. Zależy ona oczywiście od parametrów pamięci a konkretnie szybkości z jaką można ją odczytywać. Na nic przecież nie zda się tryb pracy w wysokiej rozdzielczości z ogromną ilością dostępnych barw, jeżeli obraz na ekranie drga i oczy odmawiają posłuszeństwa.
( Za dolną granicę postrzegania takich drgań przyjmuje się (nie wnikając w obowiązujące w tej dziedzinie przeróżne normy instytucji ochrony pracy) w praktyce 72 - 75 Hz. Ocena jest często mocno subiektywna, zależy od treści obrazu i konkretnego człowieka. Jeszcze większe rozbieżności panują przy określaniu górnej granicy. Twierdzenie, że im więcej tym lepiej jest w ostatnim czasie poddawane ostrej krytyce.}
Może się zdarzyć, że ze względu na posiadany monitor nigdy nie wykorzystamy pełnych możliwości oferowanych przez RAM-DAC. Aktualna częstotliwość pracy wynika z następującego obliczenia:
f#RAMDAC = kxpxlxf#H
gdzie: k
współczynnik bezpieczeństwa, zapewnia rezerwę na okresy powrotów linii i ramki,
p - ilość punktów w linii,
l - ilość linii na ekranie (p x l opisuje rozdzielczość obrazu w pikslach, np. 800 x 600),
f#H - częstotliwość odświeżania obrazu.
Łatwo teraz obliczyć do czego naprawdę potrzebny jest RAM-DAC klasy 220 MHz. W trybie 1024 x 768 przy 75 Hz wystarczy przecież częstotliwość 79 MHz. Dopiero dla 1600 x 1200 i 85 Hz zegar taktujący musi przełączyć się na najwyższe obroty.
Generowane przez RAM-DAC przebiegi powinny być impulsami prostokątnymi o możliwie stromych zboczach. Stopień wyjściowy przetwornika to 3 źródła prądowe (dla
każdego z kolorów RGB oddzielnie) tak dobrane, by wytwarzały na rezystancji 37,5 Q
(Wartość stanowi wypadkową otrzymaną z równoległego połączenia impedancji obciążenia obydwu końców linii: dwa razy po 75 Q. Niedopasowanie impedancji może być przyczyną szkodliwych zjawisk o charakterze falowym (odbicia i interferencje). Ich obecność objawia się na ekranie w formie uciążliwych efektów (mory, zwielokrotnianie krawędzi) psujących jakość obrazu i meczących oczy.)
następujące poziom napięcia:
0 V dla punktu czarnego,
0,7 V dla punktu o maksymalnej jaskrawości (biały kolor gdy R=G=B= 0,7 V).
W stanie idealnym przetwornik wytwarza przebieg prostokątny o tak wąskich impulsach by można było zapalać i gasić nawet pojedyncze piksele ekranu.
Każdy z punktów może wówczas świecić pełnym blaskiem przez cały czas trwania impulsu. Prawa fizyki ograniczają niestety stromość zboczy. Sygnał nie może narastać nieskończenie szybko, mamy wyraźnie zaznaczone fazy narastania i opadania. Faza pełnej jasności trwa nieco krócej niż szerokość impulsu mierzona u podstawy.
Na ekranie o wysokiej rozdzielczości pojedynczy biały punkt na czarnym tle w pierwszej połowie swego życia znajduje się w fazie gdzieś między czarnym a białym chociaż taka barwa wcale nie jest pożądana. To samo ma miejsce przy gaszeniu piksela. W trybie l 280 i częstotliwości RAM-DAC 135 MHz czas życia punktu można określić na 7,4 ns (1/135 MHz). Firma S3 wymienia na liście parametrów dla swoich zintegrowanych przetworników czasy narastania i opadania 3 ns mierzone na poziomach 10 i 90 %.
Powyższe liczby unaoczniają obecność fizycznych granic ostrości obrazu . Sytuacji nie polepszają również często stosowane filtry wyjściowe typu n instalowane w celu ograniczenia skutków szkodliwego promieniowania.
Strome zbocza produkuj ą przebiegi harmoniczne sięgające zakresu GHz. Promieniowanie tego typu trzeba wyeliminować, tak by produkty mogły uzyskać stosowne certyfikaty (w Europie CE, w USA FCC). W tyle nie pozostają również producenci monitorów, którzy w trosce o redukcję zakłóceń emitowanych przez swoje wyroby, zaopatrują wszelkie przewody sygnałowe w opaski z pierścieni ferrytowych.
Dopasowanie monitora do karty
Kombinacja monitora z kartą graficzną stanowi o jakości z jaką prezentuje się cały komputer wraz ze swoją mocą obliczeniową. Moment zakupu karty graficznej powinien być poprzedzony solidnym przemyśleniem. Decyzja jest tym bardziej trudna im szerszy jest wybór. Specjaliści od marketingu starają się zasypywać potencjalnego klienta ogromem dobrze brzmiących pojęć, które często nie stanowią same w sobie nic szczególnego. Testy porównawcze w gazetach komputerowych i Internecie pozwalają na udowodnienie każdej tezy, bowiem zawsze można dobrać taki program testujący by wykazać to co się zamierza.
Dobrze jest wiedzieć, które z głównych parametrów karty i monitora odgrywają decydującą rolę i jakimi kryteriami należy się kierować przy wyborze określonego produktu. Rzadko kto nie musi uwzględniać czynników ekonomicznych, ale nawet ktoś mogący sobie pozwolić na wszystko powinien sobie zdawać sprawę z tego co dany produkt może mu zaoferować i czy jest w ogóle w stanie wykorzystać jego zalety.
Parametry karty
Przy obecnej sytuacji cenowej stanowczo należy odradzić nabywanie jakichkolwiek kart z pamięcią poniżej 4 MB bowiem są one tylko minimalnie tańsze od obsady 8 MB. Koszt ewentualnego późniejszego rozszerzenia pamięci jest zawsze większy i też pod warun-
kiem, że dana karta w ogóle przewiduje taką możliwość a potrzebne "kostki" są jeszcze gdzieś do zdobycia. Wszystkie nowoczesne akceleratory 3D mają co najmniej 16 MB, a niektóre 32 MB. Warto sobie jednak zdawać sprawę, iż tak duża ilość pamięci niczego nie przyspiesza jak długo nie wchodzimy w zakres zastosować 3 D.
2 MB EDO-RAM wystarczy w zupełności do zwykłych zastosowań komputera klasy PC pracującego pod kontrolą systemu operacyjnego z interfejsem graficznym. Karty tej klasy obrazują tekst, tabele i proste rysunki przy rozdzielczości 800 x 600 w trybie True-Color. Zakres High-Color pokrywany jest do rozmiarów 1024 x 768 a jeśli zadowala nas 256 kolorów można sięgnąć po raster 1280 x 1024 jeszcze z ergonomiczną częstotliwością odchylania 75 Hz. Cieszący się dużą popularnością ze względu na lepsze proporcje format 1152 x 1024 nakłada ostrzejsze wymagania na monitor i nie zawsze jest wspomagany przez sterowniki graficzne. Praca w trybach powyżej 800 x 600 może być uciążliwa jeśli przewody połączeniowe nie są dobrej jakości (uwaga na wszelkie przełączniki i przedłużacze). Często zmusza to do wyboru czcionki ekranowej o większych wymiarach.
W zastosowaniach DTP i podobnych sięgnąć trzeba wyżej. Praca w trybie True-Color przy rozdzielczości 1280 x 1024 lub ergonomiczne 1600 x 1200 w High-Color wymaga obsady 4 MB (V-RAM lub WRAM) przy współudziale przetwornika RAM-DAC co najmniej 220 MHz. Osiągnięcie częstotliwości odświeżania powyżej 69 Hz w obecności przetwornika klasy 175 MHz nie jest w tych trybach możliwe.
Dzisiaj już prawie każda karta VGA ma wbudowane funkcje akceleratora wideo, tzn. jest zdolna do odtwarzania sekwencji wideo z dysku kompaktowego lub twardego i prezentowania ich na ekranie monitora z całkiem przyzwoitą ilością klatek na sekundę (tego typu przyspieszanie funkcji wideo nie ma nic wspólnego z digitalizacją lub obróbką materiału filmowego przejmowanego ze źródeł zewnętrznych).
Sekwencje wideo w formacie AVI nie stanowią nadmiernego obciążenia dla komputera klasy PC. Z kolei MPEG-I, szyty na miarę procesora Pentium 100, nawet przy pracy pełnoekranowej nie wymaga żadnej specjalnej karty graficznej. Większość znajdujących się na rynku produktów osiągnęła pewien stosunkowo wysoki poziom rozwoju, a niewielkie między nimi różnice wychwycić można jedynie przy pomocy specjalnych programów testujących. Jeśli zadowala nas projekcja z prędkością 10 fps przy niezbyt wyszukanej jakości dźwięku, wystarczy nawet maszyna 486 i odtwarzacz software^wy Xing. MPEG-I wspomagany sprzętowo gwarantuje pełne 25 fps i stereofoniczny dźwięk nawet na komputerze 486.
To co w istotny sposób odróżnia od siebie poszczególne chipy graficzne to podejście do skalowania okna wideo (zoom). Kontroler typu Virge interpoluje w poziomie (wytwarza dodatkowe piksle w obrębie linii), w pionie natomiast dubluje ślepo linie, na czym cierpi jakość obrazu.
Karty z wyjściem TV (SCART, S-Video), często wyposażone jeszcze w modulator HF, są przeznaczone raczej do prezentacji obrazów niż do ich opracowywania i tworzenie. Czcionki ekranowe w tym formacie są trudno czytelne. Ograniczenia techniczne
wbudowane w standardy telewizyjne (pasmo toru wizji i zależności czasowe toru odchylania) nie pozwalają na wyjście poza rozdzielczość 800 x 600.
Tuner telewizyjny realizowany jest najczęściej w formie dodatkowego modułu nasadzanego na przystosowaną do tego celu kartę graficzną. Połączenie odbywa się własną niestandardową magistralą lub ujednoliconym złączem Scenie Highway wprowadzonym przez firmę S3. Można też spotkać rozwiązania kombinowane, np. All-in-Wonder firmy ATI (SVGA, niezły akcelerator 3D, wejście i wyjście wideo i tuner telewizyjny). Komputer PC wyposażony w tuner z dekoderem teletekstu ma szerokie pole do popisu przy automatycznym przetwarzaniu szerokich strumieni informacji, np. notowań giełdowych. Wybrane strony można wiązać w sekwencje i zapisywać do plików w formacie AVI (np. 320 x 240 / 25 fps).
Miłośnicy gier komputerowych z pewnością nie potrzebują drogich zestawów opracowanych dla potrzeb CAD. Surowy i co najwyżej cieniowany obraz jest nie do zaakceptowania, tu oczekuje się realizmu w możliwie najwyższej formie a nie precyzji modeli siatkowych.
Użytkownik PC, który posługuje się komputerem jako rozbudowaną maszyną do pisania nie zauważy różnicy między drogim produktem markowym z 32 MB pamięci SGRAM, a tanim egzemplarzem no-name z obsadą 2 MB RAM, jeśli tylko częstotliwość odświeżania obrazu przewyższa nieco 70 Hz. Rozsądnym kompromisem na codzień jest kompatybilność SVGA, a w miarę potrzeb akcelerator 2D lub 3D.
Najważniejsze parametry karty graficznej skupiają się nadal w obrębie pamięci graficznej: jej rozmiaru, typu i szybkości. Czynniki te decydując rozdzielczości, ilości odtwarzanych barw oraz o częstotliwości odświeżania obrazu.
Jakość monitora
Ostatnim ogniwem w łańcuchu przetwarzania informacji w formie graficznej jest monitor. Pada on najczęściej ofiarą cięć oszczędnościowych, szczególnie przy zakupie kompletnych systemów przez początkujących niedoświadczonych użytkowników. Publikowane czasem dane statystyczne potwierdzają smutną prawdę, że dużo łatwiej przekonać jest klienta do zakupu doskonałej karty graficznej niż doinwestowania do monitora. Tymczasem dopasowanie parametrów zainstalowanej graficznej do posiadanego monitora pełni kluczową rolę w optymalnym wykorzystaniu całości dostępnych zasobów.
Poziom techniczny obrazu na ekranie zależy nie tylko od klasy monitora ale również od czystości sygnału wytwarzanego przez kartę. Podobnie jak większość członów składowych systemu PC ich jakość może być różna. Uważać należy szczególnie przy zakupie zestawów komputerowych. Ostra kalkulacja cenowa stanowi dużą szansę trafienia na oba składniki o stosunkowo słabej jakości.
Optymalne dopasowanie parametrów monitora i karty odgrywa kluczową rolę. Słaby monitor nie wykorzysta wysokorozdzielczych trybów oferowanych przez sterownik.
Dobry monitor marnuje się współpracując z kartą o marnej jakości. W łańcuchu połączonych ze sobą elementów decyduje najsłabsze ogniwo.
Będące w powszechnym użyciu monitory dają się zaliczyć do jednej z grup. Podstawą do takiej klasyfikacji jest dopuszczalna częstotliwość odchylania poziomego. Aby monitor mógł pracować w określonym trybie musi w pierwszym rzędzie sprostać wymogom częstotliwości odchylania poziomego. Ergonomiczna częstotliwość odświeżania leży nieco powyżej 72 Hz i ten warunek spełnia prawie każdy monitor. Program konfigura-cyjny sterownika karty graficznej proponuje często w wysokich trybach pracy częstotliwości odchylania dochodzące do 200 Hz. Zawsze jednak można zażądać redukcji do 75 Hz, z korzyścią dla zmniejszenia obciążenia magistrali pamięciowej karty.
Tabela 9.3.
Ergonomiczny tryb pracy monitora, w zależności od maksymalnej częstotliwości odchylania pionowego
Dobry monitor marnuje się współpracując z kartą o marnej jakości. W łańcuchu połą
f#H max [kHz]; Ergonomiczne tryby pracy;
38; 640 x 480 / 72 Hz;
48; 800 x 600 / 72 Hz;
64; 1024x768/80Hz,
64; 1152x864/71 Hz;
78; 800x6007 124Hz,
78; 1024x768/97Hz,
78; 1280 x 1024 /73Hz,
78; 1152x864/86Hz;
85; 1024 x 7687 106 Hz,
85; 1152x864/94Hz,
85; 1280 x 1024/80Hz,
85; 1536x 1152/71 Hz;
102; 1280 x 1024/94Hz,
102; 1 536 x 1152/83 Hz,
102; 1600 x 1200/80Hz;
Dany tryb pracy nakłada określone wymogi na pasmo toru wizyjnego zainstalowanego monitora. Wartości minimalne zebrane zostały w tabeli 9.4.
Tabela 9.4.
Minimalne wymagania toru wizyjnego monitora
Rozdzielczość; f#v [Hz]; f#H [kHz]; Pasmo wideo [MHz];
640 x 480; 75; 38; 25-30
800 x 600; 75; 48; 45-50
1024 x 768; 75; 62; 70-80
1280 x 1024; 75; 80; 120- 135
1600 x 1200; 75; 95; 200 - 220
Przekroczenie określonej dla danego monitora maksymalnej częstotliwości odchylania poziomego o więcej niż 5% stanowi w pierwszej mierze niebezpieczeństwo zerwania synchronizacji a teoretycznie nawet i uszkodzenia, chociaż nowe modele bronią się przed takim traktowaniem przy pomocy wbudowanych mechanizmów ograniczających.
Wykroczenie poza pasmo toru wizyjnego nie stanowi natomiast żadnego zagrożenia. Po prostu sygnał o wysokiej jakości nie będzie odtwarzany wraz z wszystkimi szczegółami (nieostry obraz).
Programy instalacyjne
Procedury konfiguracyjne dołączane do karty graficznej próbują wydobyć to co najlepsze z oferowanych im zasobów. Dobre programy instalacyjne potrafią rozpoznać monitor jeśli naturalnie jest to możliwe (DDC). Często typ monitora można wyłowić z bazy danych programu. Jeśli nie można go tam znaleźć, pozostaje przestudiowanie instrukcji obsługi i ręczne wprowadzanie danych.
Ilość możliwych do ustawiania opcji jest różna. Mało który z programów prezentuje ich tak wiele jak instalator produktów Elsa:
Nieumiejętne posługiwanie się tak potężnymi narzędziami może spowodować uszkodzenie mało odpornych monitorów.
Kanał informacyjny VESA DDC
DDC (Display Data Channel) jest znormalizowanym przez VESA złączem komunikacyjnym pomiędzy monitorem a kartą graficzną. Wymiana danych na tym odcinku umożliwia wprowadzenie w życie idei Plug&Play w stosunku do monitora, który może przekazać swoje preferencje sterownikowi graficznemu.
Twórcom systemu przyświecał na szczęście cel nadrzędny jakim było maksymalne uproszczenie całego przedsięwzięcia, między innymi poprzez wykorzystanie istniejącego okablowania. Typowy przewód łączący analogowy monitor ze sterownikiem VGA nie jest bowiem w pełni wykorzystany
(Uwga na tanie przedłużacze i przełączniki (Switch-Box) z niepełną obsadą kontaktów.).
Kanał DDC posługuje się liniami 12 i 15. W zależności od ich znaczenia wyróżniamy trzy odmiany systemu:
DDC1
DDC1 jest typowym kanałem jednokierunkowym, w którym to jedynie monitor przekazuje informacje do karty sterownika. Transmisja ma charakter synchroniczny odbywa się linią 12. Sygnał zegarowy pobierany jest z końcówki 14 (synchronizacja pozioma).
W każdym takcie zegara monitor wysyła 128 bitowy blok informacyjny EDID (Exten-ded Display Identification}. Blok taki zawiera oprócz funkcji identyfikacyjnych (typ urządzenia, producent, wymiar przekątnej ekranu itp.) również istotne dane techniczne takie jak maksymalnie dozwolone częstotliwości odchylania, zalecane parametry czasowe i amplitudowe przebiegów synchronizujących oraz poziomy sygnałów wideo. Monitor może też przekazać współczynnik nieliniowości swojego toru wideo (funkcja Gamma)
oraz uznane przez siebie tryby DPMS. Znajomość funkcji Gamma monitora upraszcza czasochłonny proces kalibracji barw.
DDC2B
DDC2 jest w przeciwieństwie do szeregowego przekazu złączem DDC1 magistralą pracującą w oparciu o protokół I^2 C. Kanał tego typu umożliwia już obustronną wymianę informacji. Potrzebny jest jednak drugi przewód łączący. Linia 15 przejmuje funkcję sygnału SGL a impulsy SDA przesyłane są końcówką 15. DDC2B ma okrojoną listę dostępnych operacji. Sterownik może w zasadzie tylko zażądać od monitora przesłania bloku EDID lub obszerny zestaw danych skupiony w bloku VDIF (VESA Display Inter-face File)
DDC2AB
Jest rozszerzeniem DDC2B o funkcje znane z systemu Access.Bus. Możliwe jest więc przekazywanie rozkazów sterujących do monitora, np. dla skorygowania położenia obrazu lub regulacji jaskrawości.
W chwili obecnej na rynku obecne są niektóre urządzenia zgodne ze standardem DDC1 i ewentualnie DDC2B. Należy jednak nadmienić, że nie brak innych rozwiązań, choćby z zastosowaniem klasycznego złącza szeregowego RS-232, magistrali Access.Bus, a ostatnio ponownie odkrytego USB.
Podział mocy obliczeniowej
Akceleratory 2D ograniczały się głównie do wyzwalanego jednym rozkazem CPU przesuwania i wypełniania obrazów prostokątnych.
Komplikacja zagadnień związanych z przedstawianiem obiektów 3D przewyższa do dnia dzisiejszego stopień rozwoju techniki komputerowej. Nieodzowne stało się więc sprzętowe wspomaganie jednostki centralnej przy wykonywaniu funkcji graficznych. Obraz 3D generowany w czasie rzeczywistym stanowi mimo stosowania rozbudowanych akceleratorów graficznych nadal stosunkowo duże obciążenie dla CPU.
Skuteczność działania procesorów wspomagających zależy oczywiście w dużej mierze od obranej strategii działania, tj. określenia grupy zadań przejmowanych od centralnego procesora systemowego. Kluczową rolę pełni jednak dopasowanie mocy obliczeniowej CPU i akceleratora, z uwzględnieniem przepustowości magistrali łączącej te dwa podsystemy.
Jakkolwiek akcelerator 3D można pod wieloma względami uznać za wyspecjalizowany i niezależny procesor graficzny, przetwarza on dane podsuwane mu przez CPU. Pełne wykorzystanie potencjału obliczeniowego takiego podsystemu możliwe jest jedynie w warunkach gwarantujących stały dopływ materiału wejściowego. Ten optymalny stan
ma rzadko miejsce i ograniczany jest zarówno przez wydajność centralnego procesora systemowego jak i przepustowość magistrali wewnętrznej doprowadzającej dane do akceleratora.
Akceleratory starszych generacji zdane były wyłącznie na dominującą powszechnie magistralę PCI. Jej specyfikacja określa szczytową prędkość przesyłania danych na 133 MB/s. Standard AGP (Accelerated Graphics Port) dopuszcza maksymalny transfer do wysokości 532 MB/s.
We wcześniejszej części rozdziału przedstawiony został podział zadań pomiędzy procesor systemowy a akcelerator. CPU posługując się swoją jednostką zmiennoprzecinkową przygotowuje parametry trójkątów elementarnych po czym przekazuje je do procesora rasteryzującego
Spróbujmy oszacować szerokość pasma które trzeba poświęcić na powyższą komunikację. Jeśli przyjąć, że każdy narożnik definiowany jest przy pomocy 120 bajtów , średnio skomplikowana sceneria rozłożona na 10000 trójkątów stanowi blok danych o rozmiarach 1,2 MB. Przy założeniu, że akcelerator ma nieograniczoną wydajność (i przyjmuje oraz przetwarza dowolną ilość informacji) a wymagana szybkość odtwarzania obrazu 3D ma wynosić 25 klatek na sekundę, generowany jest strumień o szerokości 30 MB/s.
Miarą rzeczywistej wydajności akceleratorów 3D (określanych w tym kontekście często jako 3D-Engine) jest naturalnie zdolność do przetwarzania pewnej liczby trójkątów w jednostce czasu. Wielkość tą wyraża się w jednostkach tps (Triangles per Second} lub Pol/s (Polygons per Second) uzupełnianych stosownymi przedrostkami k lub M. Podawane przez producentów liczby towarzyszące oferowanym na rynku produktom należy przyjmować ze stosowną rozwagą. Stanowią one zwykle wymiar szczytowych możliwości samego akceleratora, które trudno osiągnąć w warunkach realnych. Już samo rozciągnięcie okna na cały ekran może położyć kres optymistycznej kalkulacji.
Maksymalna częstotliwość odbudowywania obrazu 3 D powiązana jest ścisłą zależnością z zapasem mocy obliczeniowej akceleratora i stopniem komplikacji obiektów (sumaryczną liczbą trójkątów). Karta o wydajności 200 000 tps może budować i wyświetlać obraz 3D z prędkością 10 fps tylko pod warunkiem ograniczonego stopnia komplikacji sceny: tutaj nie więcej niż 20 000 trójkątów.
Kres możliwości magistrali PCI leży jak wiadomo w okolicach 133 MB/s. Oddając całą przepustowość szyny na potrzeby grafiki 3D, można przesłać około 1,1 miliona trójkątów ale oczywiście przy założeniu, że ilość taką jest w stanie przygotować centralny procesor. Moc obliczeniowa procesorów rośnie w takim tempie, że warunek ten jest w zasadzie zawsze możliwy do spełnienia, pod warunkiem pominięcia nadmiernie skomplikowanych zagadnień związanych z oświetleniem.
Nowoczesny koprocesor graficzny 3D (na przykład Yoodoo) rysuje przy włączonej filtracji bilinearnej około 45 MTex/s (45 milionów teksturowanych pikseli na sekundę). Z ograniczeń magistrali PCI wynika maksymalny rozmiar kreślonego trójkąta:
45 milionów pikseli/1,1 miliona trójkątów = 41 pikseli/trójkąt
Scenerie typowych gier zbudowane są z dużo większych trójkątów, tak że czynnikiem hamującym jest często akcelerator 3D a nie CPU. Przedstawiona kalkulacja dowodzi, że wąskie gardło na linii wymiany danych może się przemieszczać w zależności od stopnia komplikacji sceny. Przy dużych trójkątach oczekuje CPU a przy małych akcelerator.
Przykłady rozwiązań akceleratorów graficznych
Większość produkowanych aktualnie akceleratorów 3D to układy kombinowane, integrujące w sobie funkcje 2D i SVGA. Ich instalacja wymaga wymontowania klasycznego sterownika graficznego i umieszczenia w jego miejscu karty akceleratora. Zajmują więc nadal jedno złącze (Single-Slot) magistrali PCI lub dedykowane gniazdo AGP.
W zasadzie jedyny wyjątek w chwili stanowi układ Voodoo współpracują z napotkaną kartą. System taki okupuje więc dwa złącza magistrali PCI przez co określany jest mianem Dual-Slot.
Układ Voodoo
Akcelerator Voodoo jest produktem firmy 3Dfx. Układ montowany był na kartach przez wielu różnych producentów. Pomijając drobne różnice występujące w dołączanych sterownikach programowych, moc obliczeniowa Voodoo utrzymuje się na stałym poziomie.
Sterownik ten jest "czystym" akceleratorem 3D (nie dysponuje klasycznymi funkcjami VGA) przez co musi współpracować z jakąś kartą graficzną, która wyświetla obraz. Obie karty łączą się ze sobą przy pomocy zewnętrznej pętli (Analog Loop Throngh).
Sygnał wyjściowy karty graficznej jest albo podawany w niezmienionej formie do monitora albo też zastępowany sygnałem wytwarzanym przez układ Voodoo. Rolę przełącznika analogowego pełnią zwykle klucze elektroniczne, choć spotykane były i rozwiązania z przekaźnikami elektromechanicznymi.
Układ scalony Voodoo integruje w sobie dwa procesory graficzne co w szerokim zakresie rozwiązuje problem ograniczonego pasma magistrali pamięciowej. Procesor tekstur posiada własną pamięć i przeprowadza filtracje oraz korekcje perspektywy mogąc wykorzystywać dla swoich potrzeb pełne pasmo 400 MB/s. Drugi z procesorów przejmuje obliczone tekstury, przeprowadza porównanie współrzędnej Z i wypełnia pamięć obrazu oraz przełącza bufory pamięciowe wyzwalając cykle odczytu dla wytworzenia sygnału dla monitora.
Układ Voodoo-2
Układ ten przedstawia funkcjonalnie dwa niezależne procesory Voodoo i stąd bierze się jego oznaczenie (Voodoo-2 lub CCoodoo2). Akcelerator ten do niedawna jeszcze stanowił punkt odniesienia ze względu na swą potężną moc obliczeniową. Podobnie jak Riva-TNT może pokryć wielokąt dwiema teksturami w jednym cyklu przetwarzania.
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
09 grafika dzwiek video10 Rozdział 09 D5PNIZIF53L56XMNJYRHFNJR2DBLJUEWKNYUCRAROZDZIAŁ 09 Dziedziczny rak rdzeniasty tarczycy2 09 Grafika (2)09 rozdział 08 63dkeu7shlz4usq4tgmm3a2yvypfjm4m7h2e7ua09 Rozdzial 27 30PA lab [09] rozdział 9(1)09 GIMP tworzenie grafiki na potrzeby WWW (cz2)Dom Nocy 09 Przeznaczona rozdział 10 11 TŁUMACZENIE OFICJALNE09 Rozdzial 7Dom Nocy 09 Przeznaczona rozdział 18 19 TŁUMACZENIE OFICJALNEDom Nocy 09 Przeznaczona rozdział 9 TŁUMACZENIE OFICJALNEwięcej podobnych podstron