Видео адаптеры, видео режимы

Под мультимедиа-акселераторами обычно понимают устройства, которые помимо ускорения обычных графических операций могут также выполнять ряд операций по обработке видеоданных от разных источников.

Прежде всего, это функции по ускорению вывода видео в форматах AVI, Indeo, MPEG-1 и других. Проблема в том, что видеофильм в формате NTSC идет со скоростью30 кадров в секунду, PAL и SECAM — 25 кадр/с. Скорость смены кадров в цифровом видео перечисленных форматов также меньше или равна 30 кадр/с, однако разрешение изображения редко превышает320 x 240 пикселов. При этих параметрах скорость поступления информации составляет порядка 6 Мбайт/с и процессор успевает выполнить ее декомпрессию и пересылку по шине в видеопамять. Однако такой размер изображения слишком мал для комфортного просмотра на экране, поэтому его обычно масштабируют на весь экран. В этом случае скорость потока данных возрастает до десятков и сотен мегабайт в секунду.

Это обстоятельство привело к появлению  видеоакселераторов, которые умеют самостоятельно масштабировать видео в форматах AVI и MPEG-1 на весь экран, а также выполнять сглаживание отмасштабированного изображения, чтобы оно не выглядело, как набор квадратиков. Подавляющее большинство современных2D-ускорителей являются в то же время и видео ускорителями, а некоторые, например ATI Rage128,умеют воспроизводить и видео в форматеMPEG-2 (т. е. с исходным разрешением720 х 480).К мультимедиа-функциям также относят аппаратную цифровую компрессию и декомпрессию видео (что почти не встречается на массовых видеокартах),наличие композитного видеовыхода, вывод TV-сигнала на монитор, низкочастотный видеовход и высокочастотный TV-вход, модуль для работы с телетекстом и другие функции.

Когда в роли двигателя прогресса  выступили компьютерные игры, 2D-ускорители(см. Видеоакселераторы)почти исчерпали свои возможности, и эволюция видеокарт пошла по пути наделения их все более мощными средствами ускорения трехмерной машинной графики.

Видеоадаптеры ,способные ускорять операции трехмерной графики, получили название3D-ускорителей(синонимом является3D-акселератор,а также часто встречаемое жаргонное«3Dfx» для обозначения всех 3D-ускорителей,а не только произведенных компанией 3Dfx Interactive). Вообще,3D-ускорители существовали и раньше, но областью их применения было трехмерное моделирование и САПР, стоили они очень дорого(от 1 до 15 тыс. долларов)и были практически недоступны массовому пользователю.

Какие же действия ускоряет3D-акселератор?В  компьютере трехмерные объекты представляются с помощью геометрических моделей, состоящих из сотен и тысяч элементарных геометрических фигур, обычно треугольников. Задаются также пространственное положение источников света, отражательные свойства материала поверхности объекта, степень его прозрачности и т. п. При этом некоторые объекты могут частично загораживать друг друга, между ними может пере отражаться свет; пространство может быть не абсолютно прозрачным, а затянутым туманом или дымкой.

Для большего реализма необходимо учесть и эффект перспективы. Чтобы поверхность смоделированного объекта не выглядела искусственной, на нее наносится текстура —двухмерная картинка небольшого размера, передающая цвет и фактуру поверхности. Все перечисленные трехмерные объекты с учетом примененных к ним эффектов должны в конечном итоге быть преобразованы в плоское изображение. Эту операцию, называемую рендерингом, и выполняет3D-ускоритель. Перечислим наиболее распространенные операции, которые3D-ускоритель выполняет на аппаратном уровне:

Удаление невидимых поверхностей. Обычно выполняется по методу Z-буфера, который заключается в том, что проекции всех точек трехмерной модели объекта на плоскость изображения сортируются в специальной памяти (Z-буфере)по расстоянию от плоскости изображения. В качестве цвета изображения в данной точке выбирается цвет той точки в Z-буфере, которая наиболее близка к плоскости изображения, а остальные точки считаются невидимыми(если не включен эффект прозрачности),так как они загорожены от нас самой первой точкой. Эта операция выполняется подавляющим большинством3D-ускорителей.В большинстве современных ускорителей предусмотрены16-разрядныеZ-буферы, размещаемые в видеопамяти на плате.

Закрашивание(Shading) придает треугольникам, составляющим объект, определенный цвет, зависящий от освещенности. Бывает равномерным(Flat Shading), когда каждый треугольник закрашивается равномерно, что вызывает эффект не гладкой поверхности, а многогранника; по Гуро (Gouraud Shading), когда интерполируются значения цвета вдоль каждой грани, что придает криволинейным поверхностям более гладкий вид без видимых ребер; по Фонгу(Phong Shading), когда интерполируются векторы нормали к поверхности,что позволяет добиться максимальной реалистичности,однако требует больших вычислительных затрат и в массовых3D-ускорителях пока не используется.Большинство3D-ускорителей умеет выполнять закрашивание по Гуро.

Отсечение (Clipping) определяет часть объекта, видимую на экране, и обрезает все остальное, чтобы не выполнять лишних расчетов. Расчет освещения. Для выполнения этой процедуры часто применяют метод трассировки лучей (Ray Tracing), позволяющий учесть пере отражения света между объектами и их прозрачность. Эту операцию с разным качеством умеют выполнять все 3D-ускорители.Наложение текстур (Texture Mapping),или наложение плоского растрового изображения на трехмерный объект с целью придания его поверхности большей реалистичности .Например, в результате такого наложения деревянная поверхность будет выглядеть именно как сделанная из дерева, а не из неизвестного однородного материала. Качественные текстуры обычно занимают много места. Для работы с ними применяют3D-ускорители на шине AGP, которые поддерживают технологию сжатия текстур. Наиболее совершенные карты поддерживают мульти текстурирование -одновременное наложение двух текстур.

Фильтрация(Filtering) и сглаживание(Anti-aliasing). Под сглаживанием понимается уменьшение искажений текстурных изображений с помощью их интерполяции, особенно на границах, а под фильтрацией понимается способ уменьшения нежелательной «зернистости» при изменении масштаба текстуры при приближении к 3D-объекту или при удалении от него. Известна билинейная фильтрация (Bilinear Filtering), в которой цвет пиксела вычисляется путем линейной интерполяции цветов соседних пикселов, а также более качественная трилинейная фильтрация с использованием MIP-карт (Trilinear MIP Mapping). ПодMIP-картами (от лат. Multum in Parvum — «многое в одном») понимается набор текстур с разными масштабами,что позволяет в процессе трилинейной фильтрации выполнять усреднение между соседними пикселами и между соседнимиMIP-картами. Трилинейная фильтрация дает особенный эффект при наложении текстур на протяженный объект, удаляющийся от наблюдателя. Современные платы поддерживают три линейную фильтрацию.

Прозрачность, или альфа-канал изображения(Transparency, Alpha Blending) — это информация о прозрачности объекта, позволяющая строить такие прозрачные и полупрозрачные объекты, как вода, стекло, огонь, туман и дымка. Наложение тумана (Fogging) часто выделяется в отдельную функцию и вычисляется отдельно. Смешение цветов, или дизе ринг (Dithering)применяется при обработке двух- и трехмерных изображений с большим количеством цветов на устройстве с меньшим их количеством. Этот прием заключается в рисовании малым количеством цветов специального узора, создающего при удалении от него иллюзию использования большего количества цветов. Пример дизеринга -применяемый в полиграфии способ передачи градаций серого цвета за счет нанесения мелких черных точек с различной пространственной частотой. В3D-ускорителях дизеринг используется для передачи 24-битного цвета в 8- или 16-битных режимах.

Для поддержки функций 3D-ускорителя в играх и других программах существует несколько интерфейсов прикладного  программирования ,или API (Application Program Interface),позволяющих приложению стандартным образом использовать возможности3D-ускорителя.На сегодняшний день существует множество таких интерфейсов, среди которых наиболее известныDirect3D (Microsoft), OpenGL (Silicon Graphics), Glide (3Dfx), 3DR (Intel), Heidi (Autodesk), RenderGL (Intergraph).ИнтерфейсDirect3D компании Microsoft стал фактическим стандартом для большинства компьютерных игр; и большинство3D-ускорителей укомплектованыDirect3D-драйверами.Однако стоит иметь в виду,что Direct3D поддерживается только в среде Windows 95/98, а уже в Windows NT большинство плат не поддерживает аппаратных функций ускорения.

Разработанный компанией Silicon Graphics для своих графических станций Iris GL интерфейс прикладного программирования OpenGL стал общепринятым стандартом для программ трехмерного моделирования и САПР. Используемый в профессиональных3D-ускорителях,он позволяет очень точно описывать параметры сцены. OpenGL в настоящее время является открытым стандартом, контролируемым ассоциацией OpenGL Architecture Review Board, в которую помимо Silicon Graphics входят Digital, IBM, Intel, Intergraph, Microsoft и др. Несмотря на это, существует множество диалектов OpenGL. По распространенности в области компьютерных игр OpenGL уступаетDirect3D. Драйвер3D-ускорителя может поддерживать OpenGL в двух режимах: усеченном MCD (Mini Client Driver) и полном ICD (Installable Client Driver). ДрайверMCD реализует только базовый набор операций, ICD— высоко оптимизированный драйвер, который обеспечивает максимальное быстродействие. К сожалению, многие производители3D-ускорителей,заявив о своей полной поддержке OpenGL, не обеспечивают ее даже на уровне MCD-драйвера. Наличием стабильных ICD-драйверов могут похвастаться лишь немногие3D-ускорители(в основном на базе чипсетов3DPro, Glint, Permedia 2 и RivaTNT).

Интерфейс Glide разработан компанией 3Dfx Interactive для производимых ею ускорителей Voodoo. Glide снискал широкое распространение среди производителей компьютерных игр, хотя, в отличие от OpenGL, Glide не является универсальным3D API и поддерживает только возможности V.

3.1. Графические процессоры и их функции

Реализм 3D-графики очень сильно зависит от производительности видеокарты. Чем больше блоков пиксельных шейдеров содержит процессор и чем выше частота, тем больше эффектов можно  наложить на 3D-сцену, чтобы улучшить её визуальное восприятие.

Графический процессор содержит много  различных функциональных блоков. По количеству некоторых компонентов  можно оценить, насколько графический  процессор мощный.Перед тем, как  двигаться дальше, позвольте рассмотреть  самые важные функциональные блоки.

Вершинные процессоры (блоки вершинных шейдеров)

Как и блоки пиксельных шейдеров, вершинные процессоры выполняют  код программ-шейдеров,которые касаются вершин. Поскольку больший бюджет вершин позволяет создавать более  сложные 3D-объекты, производительность вершинных процессоров очень важна в 3D-сценах со сложными объектами или с большим их количеством. Впрочем, блоки вершинных шейдеров всё же не так очевидно влияют на производительность, как пиксельные процессоры.

Пиксельные  процессоры (блоки пиксельных шейдеров)

Пиксельный процессор - это компонент  графического чипа, выделенный на обработку  пиксельных программ-шейдеров. Эти  процессоры выполняют вычисления, касающиеся только пикселей. Поскольку пиксели  содержат информацию о цвете, пиксельные шейдеры позволяют достичь впечатляющих графических эффектов. Например, большинство эффектов воды, которые вы видели в играх, создаётся с помощью пиксельных шейдеров. Обычно число пиксельных процессоров используется для сравнения пиксельной производительности видеокарт. Если одна карта оснащена восемью блоками пиксельных шейдеров, а другая - 16 блоками, то вполне логично предположить, что видеокарта с 16 блоками будет быстрее обрабатывать сложные пиксельные программы. Также следует учитывать и тактовую частоту, но сегодня удвоение числа пиксельных процессоров эффективнее по энергопотреблению, чем удвоение частоты графического чипа.

Унифицированные шейдеры

Унифицированные(единые) шейдеры ещё  не пришли в мир ПК, но грядущий стандарт DirectX 10 как раз опирается на подобную архитектуру. То есть структура кода вершинных,геометрических и пиксельных программ будет единая, хотя шейдеры будут выполнять разную работу. Новую спецификацию можно посмотреть в Xbox 360, где графический процессор был специально разработан ATi для Microsoft.

Блоки наложения  текстур (Texture Mapping Unit, TMU)

Текстуры следует выбрать и  отфильтровать. Эта работа выполняется  блоками наложения текстур,которые  работают совместно с блоками  пиксельных и вершинных шейдеров. РаботаTMU заключается в применении текстурных операций над пикселями. Число текстурных блоков в графическом процессоре часто используется для сравнения текстурной производительности видеокарт. Вполне разумно предположить, что видеокарта с большим числом TMU даст более высокую текстурную производительность.

Блоки растровых  операций (Raster Operator Unit, ROP)

Процессоры растровых операций отвечают за запись пиксельных данных в память. Скорость, с которой  выполняется эта операция, является скоростью заполнения (fill rate). В ранние дни 3D-ускорителей число ROP и скорость заполнения являлись очень важными характеристиками видеокарт. Сегодня работа ROP по-прежнему важна, но производительность видеокарты уже не упирается в эти блоки, как было раньше.Поэтому производительность (и число) ROP уже редко используется для оценки скорости видеокарты.

3.2. Графические конвейеры

Конвейеры используются для описания архитектуры видеокарт и дают вполне наглядное представление  о производительности графического процессора.

Конвейер нельзя считать строгим техническим термином. В графическом процессоре используются разные конвейеры, которые выполняют отличающиеся друг от друга функции. Исторически под конвейером понимали пиксельный процессор, который был подключён к своему блоку наложения текстур(TMU). Например, у видеокарты Radeon 9700 используется восемь пиксельных процессоров, каждый из которых подключён к своему TMU, поэтому считают, что у карты восемь конвейеров.

Но современные процессоры описать  числом конвейеров весьма сложно. По сравнению с предыдущими дизайнами, новые процессоры используют модульную, фрагментированную структуру.Новатором в этой сфере можно считать ATi, которая с линейкой видеокарт X1000перешла на модульную структуру, что позволило достичь прироста производительности через внутреннюю оптимизацию. Некоторые блоки процессора используются больше, чем другие, и для повышения производительности графического процессора ATi постаралась найти компромисс между числом нужных блоков и площадью кристалла (её нельзя очень сильно увеличивать). В данной архитектуре термин "пиксельный конвейер" уже потерял своё значение, поскольку пиксельные процессоры уже не подключены к собственным блокам TMU. Например, у графического процессора ATi Radeon X1600 есть 12 блоков пиксельных шейдеров и всего четыре блока наложения текстур TMU. Поэтому нельзя говорить, что в архитектуре этого процессора есть 12 пиксельных конвейеров, как и говорить, что их всего четыре. Впрочем, по традиции пиксельные конвейеры всё ещё упоминают.