Графические акселераторы (ускорители) -- специализированные графические сопроцессоры, увеличивающие эффективность видеосистемы. Их применение освобождает центральный процессор от большого объёма операций с видеоданными, так как акселераторы самостоятельно вычисляют, какие пиксели отображать на экране и каковы их цвета.

Видеоакселераторы

Изображение, которое мы видим на экране монитора, представляет собой выводимое специальным цифроаналоговым преобразователем RAMDAC (Random Access Memory Digital to Analog Converter) и устройством развертки содержимое видеопамяти. Это содержимое может изменяться как центральным процессором, так и графическим процессором видеокарты -- ускорителем двухмерной графики (синонимы: 2D-ускоритель, 2D-акселератор, Windows-акселератор или GDI-акселератор). Современные оконные интерфейсы требуют быстрой (за десятые доли секунды) перерисовки содержимого экрана при открытии/закрытии окон, их перемещении и т. п., иначе пользователь будет чувствовать недостаточно быструю реакцию системы на его действия. Для этого процессор должен был бы обрабатывать данные и передавать их по шине со скоростью, всего в 2-3 раза меньшей, чем скорость работы RAMDAC, а это десятки и даже сотни мегабайт в секунду, что практически нереально даже по современным меркам. В свое время для повышения быстродействия системы были разработаны локальные шины, а позднее -- 2D-ускорители, которые представляют собой специализированные графические процессоры, способные самостоятельно рисовать на экране курсор мыши, элементы окон и стандартные геометрические фигуры, предусмотренные GDI -- графической библиотекой Windows. 2D-ускорители обмениваются данными с видеопамятью по своей собственной шине, не загружая системную шину процессора. По системной шине 2D-ускоритель получает только GDI-инструкции от центрального процессора, при этом объем передаваемых данных и загрузка процессора в сотни раз меньше.

Современные 2D-ускорители имеют 64- или 128-разрядную шину данных, причем для эффективного использования возможностей этой шины на видеокарте должно быть установлено 2 или 4 Мбайт видеопамяти соответственно, иначе данные будут передаваться по вдвое более узкой шине с соответствующей потерей в быстродействии.

Можно сказать, что к настоящему моменту 2D-ускорители достигли совершенства. Все они работают столь быстро, что несмотря на то, что их производительность на специальных тестах может отличаться от модели к модели на 10-15%, пользователь, скорее всего, не заметит этого различия. Поэтому при выборе 2D-ускорителя следует обратить внимание на другие факторы: качество изображения, наличие дополнительных функций, качество и функциональность драйверов, поддерживаемые частоты кадровой развертки, совместимость с VESA (для любителей DOS-игр) и т. п. Микросхемы 2D-ускорителей в настоящее время производят ATI, Cirrus Logic, Chips&Technologies, Matrox, Number Nine, S3, Trident, Tseng Labs и другие компании.

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 скоростью 30 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 превышает 320 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 современных 2D-ускорителей являются в то же время и видеоускорителями, а некоторые, например ATI Rage128, умеют воспроизводить и видео в формате MPEG-2 (т. е. с исходным разрешением 720 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.

3D-акселераторы

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 название 3D-ускорителей (синонимом является 3D-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 ускоряет 3D-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 переотражаться 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 выполняет 3D-ускоритель.

Перечислим наиболее распространенные операции, которые 3D-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 большинством 3D-ускорителей. В большинстве современных ускорителей предусмотрены 16-разрядные Z-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 массовых 3D-ускорителях пока не используется. Большинство 3D-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 переотражения 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 применяют 3D-ускорители на шине AGP, которые поддерживают технологию сжатия текстур. Наиболее совершенные карты поддерживают мультитекстурирование -- 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). Под MIP-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 соседними MIP-картами. Трилинейная фильтрация дает особенный эффект при наложении текстур на протяженный объект, удаляющийся от наблюдателя. Современные платы поддерживают трилинейную 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 дизеринг (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. В 3D-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 возможности 3D-ускорителя. На сегодняшний день существует множество таких интерфейсов, среди которых наиболее известны Direct3D (Microsoft), OpenGL (Silicon Graphics), Glide (3Dfx), 3DR (Intel), Heidi (Autodesk), RenderGL (Intergraph).

Интерфейс Direct3D компании Microsoft стал фактическим стандартом для большинства компьютерных игр; и большинство 3D-ускорителей укомплектованы Direct3D-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 профессиональных 3D-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 уступает Direct3D.

Драйвер 3D-ускорителя может поддерживать OpenGL в двух режимах: усеченном MCD (Mini Client Driver) и полном ICD (Installable Client Driver). Драйвер MCD реализует только базовый набор операций, ICD-- высокооптимизированный драйвер, который обеспечивает максимальное быстродействие. К сожалению, многие производители 3D-ускорителей, заявив о своей полной поддержке OpenGL, не обеспечивают ее даже на уровне MCD-драйвера. Наличием стабильных ICD-драйверов могут похвастаться лишь немногие 3D-ускорители (в основном на базе чипсетов 3DPro, 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 универсальным 3D API и поддерживает только возможности Voodoo.

В настоящее время наиболее известны следующие 3D-ускорители: ATI 3D Rage Pro и 3D Rage 128; Intel i740; Number Nine Ticket to Ride IV; Mitsubishi 3DPro/2mp, Matrox G100 и G200; S3 Savage3D; Riva128 и RivaTNT; Rendition V2100 и V2200; 3Dlabs Permedia 2 и 3; 3Dfx Voodoo, Voodoo2 и Voodoo Banshee; NEC PowerVR PCX2. На базе этих чипсетов производятся собственно видеокарты, причем не только перечисленными компаниями, а и компаниями, не выпускающими собственные графические процесоры, например ASUSTek, Creative Labs или Diamond Multimedia. Современные 3D-видеокарты обладают и функциями ускорения двухмерной графики. Исключением являются ускорители на базе 3Dfx Voodoo и Voodoo2, которые подключаются к выходу обыкновенной видеокарты перед монитором специальным внешним соединительным кабелем. Такое решение ухудшает качество 2D-изображения, и к тому же невозможна работа в оконном режиме. В 3Dfx Voodoo Banshee от этой схемы отказались, и она представляет собой полноценный 2D/3D-ускоритель.

Страницы: 1, 2, 3, 4