Компьютерная графическая система Лекция 1.2
Основные принципы построения и функционирования компьютерных экранов (дисплеев). Тенденции построения КГС.
Основные принципы построения и функционирования компьютерных экранов (дисплеев) 1. Цифровое управление яркостью источника света. 2. Миниатюризация устройств (современные наукоемкие производственные процессы). 3. Световая инерция зрения. 4. Особенности цветового восприятия человека.
Принцип 1 - Цифровое управление яркостью источника света
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) Источник света Рассмотрим техническую систему вход (шина данных) питание ЦАП – устройство преобразующее данные, поступающие на его вход в цифровом виде, в аналоговый сигнал на выходе Электрическое напряжение, вольт выход
С помощью этой технической системы можно управлять яркостью источника света от ЭВМ. Чем выше напряжение питания источника света, тем сильнее его яркость Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) Источник света вход (шина данных) питание Код яркости света Электрическое напряжение, вольт выход Например, на входе код = 0, на выходе напряжение равно 0 вольт; на входе код = 1, на выходе напряжение равно 1 вольт; … на входе код = 5, на выходе напряжение равно 5 вольт; и т.д,
Устройство экрана Принцип 2 - Миниатюризация устройств
Экран представляет собой матрицу миниатюрных источников света с цифровым управлением яркостью
Миниатюрные источники света экрана называют: точками или пикселями. Наименьший размер точки экрана зависит от совершенства технологии его создания. Чем меньше пиксель экрана тем выше качество изображения на экране. С размерами пикселя связана характеристика, называемая разрешением экрана: количество точек на дюйм. Разрешение любого экрана представляет собой количество пикселей, которые могут выводиться на экран, и определяется числом горизонтальных строк по отношению к числу вертикальных столбцов. Размеры экрана могут быть заданы количеством точек по вертикали и горизонтали экрана. Эта характеристика де-факто стандартизована.
Размер экрана, дюймы Разрешение, пиксели Наименование режима 640 х 480VGA (Video Graphics Array) 800 х 600SVGA (Super VGA) 1024 х 768XGA (eXtended Graphics Array) 1280 х 1024UVGA (Ultra VGA) 1600 х 1200–
Принцип 3 - Световая инерция зрения человека
Точки экрана поочередно зажигаются, светят некоторое время и гаснут. Время свечения одной точки установлено таким, чтобы глаз мог воспринять и цвет и яркость точки. Из-за световой инерции глаза точка воспринимается светящейся дольше чем она фактически светится t и > t ф, где t и – время инерции глаза; t ф – время фактического свечения. За время t и КГС засветит и погасит все точки экрана.
Таким образом будет нарисован один кадр и глаз человека за счет инерции зрения видит его как цельное изображение.
Сканирующее устройство Далее процесс повторяется построчно начиная с верхней левой точки экрана на право и сверху в низ. Этот процесс осуществляет Сканирующее устройство управления экраном.
Частота обновления экрана Для глаза человека t и = менее 1/30 секунды. Это время и определяет минимальную необходимую частоту обновления экрана. Время обновления остается постоянным независимо от сложности воспроизводимого изображения и определяется временем сканирования всех строк развертки от верхней до нижней, и, как правило, составляет 1/30 с для обычных телевизоров и не более 1/60 с для качественных растровых графических устройств. При частотах более 60 гц глаз человека воспринимает изображение на экране как совершенно статическое и менее всего устает от фактического мерцания экрана.
Информационный графический канал КГС
Сканирующее устройство ЦАП Буфер кадра (Экранный Файл) ЭВМ Файл изображения Это одноканальная система последовательно передающая цифровые данные от экранного файла на экран. Экранный файл часто называют буфером кадра.
Принцип 4 - Особенности цветового восприятия человека Подробно основные аспекты принципа 4 изложены в /2/. Здесь отметим наиболее важные особенности положенные в основу КГС: Свет как носитель информации содержит только два основных вида данных информацию о яркости и цвете. Как передается яркость мы рассмотрели в принципе 1. Глаз воспринимает яркостную и цветовую информацию раздельно. Глаз воспринимает раздельно зеленый, красный и синий цвета. Причем чувствительность его к этим цветам неодинакова. Наименее чувствителен глаз к синему цвету. Суммарную яркость нельзя получить простым суммированием. Ее следует вычислять по примерной формуле: Яркость = 0,59 х зеленый + 0,3 х красный + 0,11 х синий. КГС строится в соответствии с природными особенностями глаза и состоит из трех конструктивно одинаковых каналах передачи цвета отличающихся только параметрами в соответствии с формулой смешения цветов.
В КГС используются два типа цветных объектов: самосветящиеся, излучающие объекты (экраны LCD, электронно-лучевые трубки, плазменные панели, матрицы светодиодов) и несамосветящиеся объекты, отражающие или преломляющие падающий на них свет (бумажные оттиски, светофильтры и т. п.).
Для излучающих объектов используется аддитивное формирование оттенков, когда требуемый цвет формируется за счет смешения трех основных оттенков цветов. Самой известной моделью такого типа является модель RGB. Ее название образовано по первым буквам базовых цветов Red (красный), Green (зеленый), Blue (синий). Цвет несамосветящихся объектов получается в результате отражения светового потока некоторого внешнего источника или источников. Он формируется как сумма не поглощенных составляющих потока. Для правильного цветового восприятия используется субтрактивная цветовая модель CMY. Ее название образовано по первым буквам цветовых координат Cyan (голубой), Magenta (пурпурный), Yellow (желтый).
Смешения основных цветов На рисунке а показаны результаты смешения цветов в аддитивной модели для трех самосветящихся площадок чистых цветов (красного, зеленого и синего). На рисунке б - результаты смешения цветов в субтрактивной модели для трех несамосветящихся площадок чистых цветов (голубого, пурпурного и желтого). Подробнее смотри /2/.
Светящаяся точка на экране может создаваться: 1. свечением люминофора одним из основных цветов под действием луча электронов (ЭЛТ); 2. открытием жидкокристаллической шторки перед источником света (ЖКЭ, LCD - Liquid Crystal Display ); 3. свечением люминофора под действием ультрафиолетового излучения возникающего в плазме, которая в свою очередь возникает под действием электрического разряда; 4. свечением светодиода; 5. свечением полупроводникового лазера; 6. освещением точки на экране (любая материальная поверхность, даже облака) лучом лазера; 7. свечением лапы накаливания (почти не применяется последнее время).
Цветное изображение Экран для цветного изображения содержит три одинаковых канала управления изображением. Каждый канал имеет свои светящиеся точки. На экране эти точки образуют пиксельные триады в виде наборов точек трёх основных цветов красного, зелёного и синего.
Буфер кадра Буфер кадра представляет собой большой непрерывный участок памяти компьютера. Для каждой точки или пиксела в растре отводится как минимум один бит памяти. Эта память называется битовой плоскостью. Для квадратного растра размером 512 х 512 требуется, или бита памяти в одной битовой плоскости. Из-за того, что бит памяти имеет только два состояния (двоичное 0 или 1), имея одну битовую плоскость, можно получить лишь черно- белое изображение.
Схема графического устройства с черно-белым экраном, построенного на основе буфера кадра с одной битовой плоскостью
Растровое изображение в экранном файле (буфере кадра) для черно-белого изображения точки содержит один бит информации. Для цветного растрового изображения буфер кадра содержит сведения о цвете в виде трех и более бит. Рассмотрим пример с тремя битами на каждый пиксел. Буфер кадра представлен тремя плоскостями, каждая из которых содержит по одному биту для каждого пиксела. В случае трех битового представления цвета первый разряд может использоваться для включения или выключения красного, второй зеленого, а третий синего цвета. Так получается восемь цветов (показано в таблице), которые могут быть одновременно выведены на экран графического устройства.
Набор цветов для 3-битовых плоскостей
Пример 3-битовых плоскостей 010
в настоящее время доминируют графические устройства с 24- битовымн плоскостями (по восемь битов на каждый из основных цветов). В таких устройствах каждый цвет может иметь 256 градаций (яркостей), и это дает возможность одновременно отобразить цветов. Хранение конкретного цвета в буфере кадра иллюстрирует рисунок.
Задание цвета 24-битовыми плоскостями
Архитектура КГС Графическая подсистема компьютера состоит из аппаратной и программной частей. Аппаратная часть включает графический контроллер или видеоадаптер (внешний или встроенный в северный мост чипсета), монитор, а также интерфейсы, обслуживающие графическую подсистему: один между видеоадаптером и северным мостом чипсета; второй между видеоадаптером и устройством отображения (монитор, телевизор, проектор и т.д.).
экрана (называемый также монитором, дисплеем); видеоадаптера; программное обеспечение видеосистемы (драйверы видеосистемы) графического программного обеспечения приложений. Графическая система компьютера состоит видеоадаптер Программное обеспечение видеосистемы Графическое программное обеспечение Аппаратная часть Программная часть
Видеоадаптер В современных видеоадаптерах большая часть графических функций реализуется непосредственно в видеоадаптере на аппаратном уровне, что позволяет разгрузить ЦП, но требует использования в видеоадаптере специализированного процессора графического или видеопроцессора. Функциональные возможности и сложность современных графических процессоров, как правило, существенно превосходят возможности ЦП. Например, графические процессоры ATI Radeon XI800 XT и NVIDIA GeForce 7800 GTX содержат 320 и 302 млн транзисторов соответственно. В их структуру входит несколько десятков специализированных процессоров, выполняющих операции арифметики с плавающей запятой. В то же время двухядерный процессор Intel Pentium Extreme Edition 840 содержит всего два процессора и 230 млн транзисторов, из которых большая часть приходится на кэш-память второго уровня.
Основные функции видеоадаптера Осуществлять сканирование всех пикселей экрана со скоростью обеспечивающей заданную частоту смены кадров изображения. Включать свечение каждого пикселя в соответствии с его кодом глубины цвета и яркости в экранном файле. Формировать экранный файл с вычислением значений кодов глубины цвета и яркости для каждого пикселя экрана. Обеспечивать функционирование, так называемого, графического конвейера. Результатом работы графического конвейера является экранный файл.
Графический адаптер состоит из следующих функциональных блоков: графического процессора - GPU (Graphic Processing Unit) ; 2D-ускорителя (часто входит в графический процессор); процессора обработки видеосигналов (часто входит в графический процессор); видео BIOS; Видеопамяти (графический буфер); цифроаналогового преобразователя (RAMDAC), цифрового видеовыхода (DVI) и других интерфейсов (часто входят в графический процессор); интерфейсов сопряжения с чипсетом системной платы; аналоговых элементов.
Емкость графической памяти или видеопамяти - достигает 1024 Мбайт и выше Тактовая частота процессора МГц Тип графической памяти, разрядность шины и тактовая частота памяти - разрядностью шины памяти от 64 до 256 разрядов и тактовой частотой до 1,7 ГГц. Максимальная пропускная способность шины памяти - может достигать 50 Гбайт/с. Тип графического интерфейса –параллельный AGP –последовательный PCI Express. Число пиксельных конвейеров - до 48 (16x3) пиксельных конвейеров. Число блоков текстурирования - до 24 текстурных блоков. Число вершинных конвейеров - до восьми вершинных конвейеров Скорость обработки полигонов - достигает значений в 400 млн треугольников в секунду и выше Скорость закрашивания пикселов - достигает тыс. мегапикселов в секунду
NVIDIA: GeForce 8800 GTX GeForce 8800 GTS GeForce 7950 GX2 GeForce 7900 GTX GeForce 7950 GT GeForce 7900 GS GeForce 7600 GT GeForce 7300 GS
GeForce 8800 Ultra GeForce 8800 GTX GeForce 8800 GTS GeForce 8800 GT GeForce 8800 GS Stream процессоры Частота ядра (МГц) Частота шейдерного блока (МГц) Частота памяти (МГц) Объем памяти 768MB 640MB и 320MB512MB384MB Интерфейс памяти 384-bit 320-bit256-bit192-bit Полоса пропускания памяти (ГБ/с) Скорость наложения текстур (млрд./сек)
Мой GeForce FX 5200 Количество пиксельных конвейеров 4(2) Количество текстурных модулей в конвейере 1(2) Типы фильтрации – текстурбилинейная, анизотропная, трилинейная, трилинейная + анизотропная Максимальная степень анизотропии 8 Версия пиксельных и вершинных шейдеров 2.0+ DirectX 9.0
замена GeForce 4Ti. И даже техпроцесс у них разный: у FX5600 0,13 мкм, а у FX5200 0,15 мкм. FX5600 и FX5200: вид изнутри NV30NV31NV34 Техпроцесс 0,13 мкм 0,15 мкм Транзисторов, млн Пиксельных конвейеров 42/4(1)2 Текстурных блоков 844 Частота ядра, Мегагерц 400/500 (Ultra)300/350 (Ultra)250/325 (Ultra) Шина памяти, бит 128 (DDR II)128 (DDR) (2)64/128 (DDR) Частота памяти 800/1000 (Ultra)500/700 (Ultra)400/650 (Ultra) Пиксельные шейдеры (3) Вершинные шейдеры 2.0+ ПСП, гигабайт в сек.1611,2До 10,4 (Ultra) HSRДа Ранний Z тест Да Сжатие ZДа Сжатие цвета в MSAA режимах До 1:4 Нет Аппаратный геометрический блок Есть Есть (4) RAMDAC, Мегагерц 2 х х 350 TV-out Встроен ?Внешний ? DVIВнешний (5)Встроен Корпус памятиFCPGABGA (6) Внешнее питание ОбязательноЖелательно Опционально Основные характеристики всех трех чипов GeForce FX вы можете видеть в таблице. Все три карты поддерживают DirectX 9.
Программная часть обеспечивает поддержку интерфейсов видеоадаптера, экрана и приложений на уровне BIOS, ОС, драйверов и специализированных прикладных языков программирования (API). Графическая система используется всеми прикладными программами (от простейших текстовых редакторов до программ трехмерного моделирования), поскольку почти вся информация, выводимая компьютером, визуализируется графической подсистемой. Приложение использует функции видеоадаптера при посредничестве драйвера, который выступает интерпретатором команд для графического процессора. В соответствии с полученными командами видеоадаптер выводит на экран монитора отображаемое изображение.
Архитектуры графических систем с буфером кадра
Тенденции построения КГС Аппаратное развитие –Графические процессоры: многопроцессорные, многоядерные –Устройства ввода/вывода: 3D экраны, 3D принтеры, 3D сканеры Программное развитие
Источники Божко А.Н., Жук Д.М., Маничев В.Б. Компьютерная графика: Учеб. пособие для вузов. М: Изд-во МГТУим. Н.Э. Баумана, с: ил. (Информатика в техническом университете.)
Свалка Англ.: Visual information Это касается настольных экранов компьютеров с размерами экрана до 60 см по диагонали (~25 дюймом). Данные, отображаемые на экране дисплея, телевизора, табло. Цепочка связей от ЭВМ до точки на экране представляет собой один канал управления изображением
Разрешение Разрешение для видеоплат VGA равно 640 строк пикселей на 480 столбцов. Типичное разрешение современных дисплеев имеет большее значение, например: 1024x768 (XGA), 1280x1024 (SXGA) или 1600x1200 (UXGA).
Емкость графической памяти или видеопамяти. Определяется от взаимосвязанных параметров: –максимальная разрешающая способность, –максимальное число отображаемых цветов или разрядность кодирования цвета пиксела, –максимальная частота кадровой развертки. –буфер глубины (Z), –данные вершин, текстуры и др. 111
Визуальная информация (ВИ) В информатике используется термин – визуальная информация. Информация воспринимаемая глазом.
80% информации человек получает посредством зрения. 50% нейронов мозга человека так или иначе, связано с обработкой визуальной информации. Плотность информации – количество информации воспринимаемое приемником одновременно. Наивысшая плотность ВИ достигается за счет многоканальности восприятия ее человеком. Человеческий мозг воспринимает изображение объемно и целиком. Глаза являются многоканальным инструментом передачи информации. Каждая точка сетчатки глаза это один отдельный канал.
ВИ можно разделить на: – сигнальную, –символьную и – картинную (сцена)
Картинная информация: - компактна; - информативна; - многозначна. Символьная информация : - однозначна - передает строго заданное значение; - проста в изображении отдельных символов; - занимает большой объем носителя для описания даже небольшой сцены. Сигнальная информация тождественна одному биту: горит/не горит; включено/выключено; да/нет; 1/0 и т.п. - наиболее просто реализовать технически; -невозможно описать даже простую сцену.