Архитектура графических рабочих станций. Технологии 3D графики

API

Архитектура рабочих станций. Графический ускоритель. АРI.

Типы видеоадаптеров

· EGA (Enhanced Graphic Adapter) — улучшенный графический адаптер.
Разрешающая способность — 640 * 350, 16 цветов (2⁴). Для хранения картинки необходимо минимум 640 * 350 * 4 бит = 896000 бит = 112 Кб видеопамяти.

Частота точек составляет 16.257 МГц — это означает, что за секунду луч пробегает 16275000 точек. Частота горизонтального сканирования составляет 21.85 КГц, то есть за секунду зажигается 21850 строк; 16275000/21850 = 745 пикселов по горизонтали. С учетом того, что потери составляют около 14%, на одну строку приходится 745 - 745 * 14%/100% = 640 пикселов.

Частота вертикального сканирования равна 60 кадр/сек; на кадр приходится 21850/60 = 364 строчки. Некоторое время тратится на обратный ход луча, поэтому по вертикали число пикселов уменьшается и становится равным 350.

· VGA (Video Graphic Array) — графическая видеоматрица.
При разрешающей способности 640 * 480 VGA обеспечивает 16 цветов (2⁴), при разрешающей способности 320 * 200 обеспечивается 256 цветов (2⁸). Для хранения 16-цветной картинки требуется минимум 640 * 480 * 4 бит = 1228800 бит = 150 Кб, для хранения картинки с 256 цветами необходимо 320 * 200 * 8 бит = 512000 бит = 64 Кб видеопамяти.

SVGA (Super VGA).
Разрешающая способность — 1024 * 768 и более, 256 цветов (2⁸) и более. Для хранения картинки требуется 1024 * 768 * 8 бит = 6291456 бит = 786.4 Кб видеопамяти.

Видеокарта предназначена для преобразования информации, хранящейся и обрабатываемой ПК в визуальную форму, пригодную для воспроизведения на мониторе. Комплект “видеокарта-монитор” – это интерфейс между человеком и ПК.

С ростом ОС Windows появилась острая потребность в аппаратных ускорителях двумерной графики, чтобы разгрузить центральный процессор системы, вынужденный обрабатывать дополнительные события. Т.к. на обработку графики требуется как можно больше ресурсов центрального процессора, производители добавили в свои продукты функции обработки двумерной графики. Так появился процессор, обеспечивающий ускорение VGA или GUI ускоритель, который стал обязательным элементом в современных компьютерах.

В настоящий момент в видеоакселерации можно выделить следующие направления:

1) 2D – ускорители (прорисовка окон при открытии и свертывании, аппаратный курсор, постоянно видимый при перемещении указателя, аппаратная поддержка примитивов линий, окружностей, шрифтов, закраска областей на экране, заливка градиентов и т.д.);

2) обработка видеопотоков (компрессия/декомпрессия в реальном времени);

3) 3D – ускорители.

Интерфейс между прикладной программой и графической системой – это множество функций, которые в совокупности образуют графическую библиотеку. Спецификация этих функций и есть то, что мы называем интерфейсом прикладного программирования (API –Appli cation programmer’s interface). Для программиста, занимающегося разработкой прикладной программы, существует только API, таким образом, он избавлен от необходимости вникать в подробности работы аппаратуры и программной реализации функций графической библиотеки. Программируемый интерфейс приложений (API) состоит из функций, управляющих 3D-конвейером на программном уровне, но при этом может использовать преимущества аппаратной реализации 3D при наличии этой возможности. Если имеется аппаратный ускоритель, API использует его преимущества, если нет, то API работает с оптимальными настройками, рассчитанными на самые обычные системы. Таким образом, благодаря применению API любое количество программных средств может поддерживаться любым количеством аппаратных 3D-ускорителей.

Часть вычислительных операций, связанных с отображением и моделированием трехмерного мира, переложено теперь на 3D-акселератор, который является сердцем 3D-видеокарты. Для достижения реалистичности отображения поверхностей применяется текстурирование. Так, фасад здания потребовал бы отображения множества граней для моделирования множества кирпичей. Однако текстура (изображение, накладываемое на всю поверхность сразу) дает больше реализма, но требует меньше вычислительных ресурсов, так как позволяет оперировать всем фасадом как единой поверхностью. Перед тем, как поверхности отображают на экране, они текстурируются и затеняются. Все текстуры хранятся в памяти, обычно установленной на видеокарте. Когда поверхности текстурируются, необходим учет перспективы. Она гарантирует, что битмэп (массив пикселей) правильно наложится на разные части объекта – и те, которые ближе к наблюдателю, и на более далекие. Для подавления эффектов мерцания и пробелов между битмэпами применяется фильтрация (обычно би- или трилинейная). Чтобы избежать непредвиденных изменений (depth-aliasing – неверное наложение текстуры на удаленные полигоны), большинство управляющих графикой процессов создают серии предфильтрованных битмэпов текстур с уменьшенным разрешением, этот процесс называется mip mapping. Затем графическая программа автоматически определяет, какую текстуру использовать, основываясь на деталях изображения, которое уже выведено на экран. Соответственно, если объект уменьшается в размерах, размер его текстурного битмэпа тоже уменьшается: 0 – сама текстура, 1 – уменьшенная в два раза и т.д. В момент нахождения объекта в переходном состоянии от одного mip-map-уровня к другому появляется особый тип ошибок визуализации, известных под названием mip-banding (мип-бендинг) – полосатость или слоеность, т.е. явно различимые границы перехода от одного mip-map-уровня к другому.

Билинейная фильтрация – метод устранения искажений изображения. При медленном вращении или движении объекта могут быть заметны перескакивания пикселей с одного места на другое, что и вызывает мерцание. Для снижения того эффекта при билинейной фильтрации для отображения точки поверхности берется взвешенное среднее четырех смежных текстурных пикселей. Трилинейная фильтрация – для получения каждого пикселя изображения берется взвешенное среднее значение результатов двух mip-уровней билинейной фильтрации. Полученное изображение будет еще более четким и менее мерцающим, что позволяет решить проблему mip-banding. Одной из альтернатив трилинейной фильтрации является анизотропная фильтрация. Анизотропная фильтрация может быть реализована с помощью использования выборки по шаблонам, в качестве которых могут выступать текстели. Для наложения текстуры на пиксель используется больше текстелей, причем количество используемых текстелей зависит от применяемого алгоритма. Для борьбы с рваными краями изображения применяется anti-aliasing. Это способ обработки (интерполяции) пикселей для получения более четких краев изображения.

Z-буферизация – это самый распространенный метод удаления скрытых поверхностей. В Z-буфере хранится значение глубины всех пикселей (z-координаты).

Затуманивание – этот эффект образуется за счет комбинирования смешанных компьютерных цветовых пикселей с цветом тумана под управлением функции, определяющейщей глубину затуманивания. С помощью этого же алгоритма далеко отстоящие объекты погружаются в дымку, создавая иллюзию расстояния.

Прозрачность – способ передачи информации о прозрачности полупрозрачных объектов. Эффект полупрозрачности создается путем объединения цвета исходного пикселя с пикселем, уже находящимся в буфере. В результате цвет точки является комбинацией цветов переднего и заднего плана.

Дата добавления: 2015-03-29