Дляттест1-Лекции

1.Размеры. ЖК-дисплеи отличаются малой глубиной и небольшой массой и поэтому их более удобно перемещать и устанавливать, чем ЭЛТ-мониторы, у которых размер в глубину приблизительно равен ширине.

2.Энергопотребление. ЖК-дисплей потребляет меньшую мощность, чем ЭЛТмонитор с сопоставимыми характеристиками.

3.Удобство для пользователя. На экране ЖК-дисплея каждый пиксел либо включен, либо выключен, так что мерцание отсутствует. Кроме того, для ЭЛТмониторов характерно в небольших количествах электромагнитное излучение; в ЖКмониторах такого излучения нет.

Недостатки ЖКД Разрешение одно, а не линейка, различается в зависимости от диагонали

экрана.

В ЖК-дисплеях угол обзора не только мал, но и асимметричен: обычно он составляет 45o по горизонтали и +15...-30 по вертикали. Излучающие дисплеи, такие как электролюминесцентные, плазменные и на базе ЭЛТ, как правило, имеют конус обзора от 80 до 90 по обеим осям. Хотя в последнее время на рынке появились модели ЖК-дисплеев с увеличенным углом обзора 50-60o.

Недостатком считается низкое быстродействие при изменении изображения на экране (отклик миллисекунды для TFT) и высокая цена.

Еще одно достижение, благодаря которому может произойти снижение цен в скором времени, - усовершенствование технологии панелей на супертвистированных нематических кристаллах (DSTN). DSTN-дисплеи всегда были дешевле, чем ЖКустройства на тонкопленочных транзисторах (thin-film transistors, TFT), но несколько уступали им по качеству: DSTN-дисплеи не обеспечивают такой контрастности и четкости, как матрицы TFT, а их медленная реакция приводит к мерцанию и появлению паразитных (повторных) изображений на экране, особенно при отображении движущихся объектов. Однако фирма Sharp, крупнейший поставщик DSTN-панелей, недавно провела презентацию панели, в которой используется разработанная ею технология HCA (высококонтрастная адресация).

HCA-панели обеспечивают такую же контрастность изображения, как TFTматрицы, и почти не уступают им по скорости реакции при воспроизведении видео. Фирма Arithmos разработала процессор визуализации для DSTN-панелей, который позволяет еще более улучшить качество изображения. Таким образом, для пользователей, ограниченных в средствах, DSTN-дисплей может оказаться хорошим компромиссным решением. Представитель Hitachi считает, что в традиционных ЖКдисплеях наблюдается зависимость контрастности и цвета изображения от угла зрения. Эта проблема обострялась по мере увеличения размеров ЖК-дисплеев и приобретения ими способности воспроизводить больше цветов.

Hitachi при создании своего нового дисплея SuperTFT воспользовалась иной технологией - IPS. Как известно, в обычных ЖК-дисплеях молекулы жидкого кристалла меняют свою ориентацию с горизонтальной на вертикальную под воздействием электрического поля, а адресующие электроды помещаются на две расположенные друг против друга стеклянные подложки. В IPS(in-plane switching)- дисплеях, наоборот, происходит чередование двух углов в горизонтальной плоскости, причем оба электрода находятся на одной из подложек. В результате угол обзора как по горизонтальной, так и по вертикальной оси достигает 70 o.

21

Обычно видеокарта является платой расширения и вставляется в специальный разъем (PCI,VLB,AGP, PCI-Express) для видеокарт на материнской плате, но бывает и встроенной.

Цифровой код графического изображения размещается ЦП в видеопамяти. Видеоадаптер периодически просматривает содержимое видеопамяти и по хранящемуся там коду рисует нужное изображение на экране. При этом он устанавливает:

1 - формат экрана,

2 -управляет курсором

3 - управляет цветовыми характеристиками изображения.

Видеоадаптер посылает в монитор сигналы управления яркостью лучей и синхросигналы строчной и кадровой разверсток. От качества видеокарты зависят:

-скорость обработки информации -четкость изображения и размеры -цветность экрана

Существуют следующие режимы работы видеоадаптеров:

-16 цветов

-256 цветов

-High Color (16 бит)

-True Color (24 бит)

-True Color (32 бит)

Основными параметрами видеоадаптеров являются величина разрешения экрана и тип развертки монитора, которые они способны поддерживать. Сейчас в основном используются типы видеоадаптеров стандарты EGA, VGA,SVGA, VECA, XGA и другие. По выполняемым функциям видеокарта представляет собой небольшой компьютер, собранный на одной плате. У него есть свой кварцевый генератор рабочей частоты, собственный BIOS, центральный процессор, или чипсет, составляющий основу видеокарты, память и RAMDAC – конвертер цифрового сигнала, вырабатываемого картой, в аналоговый сигнал, подаваемый на монитор. На многих видеокартах есть дополнительные разъемы, которые используются для размещения дополнительной памяти, тюнера и т.д.

Компоненты видеокарты

1.Графический Процессор (GPU) (чипсет - набор микросхем) — занимается расчетами выводимого изображения, освобождая от этой обязанности центральный процессор, производит расчеты для обработки команд трехмерной графики. Является основой графической платы, именно от него зависят быстродействие и возможности всего устройства. Современные графические процессоры по сложности мало чем уступают центральному процессору компьютера, и зачастую превосходят их по числу транзисторов. Архитектура современного GPU обычно предполагает наличие нескольких блоков обработки информации, а именно: блок обработки 2D графики, блок обработки 3D графики, в свою очередь, обычно разделяющийся на геометрическое ядро (плюс кэш вершин) и блок растеризации (плюс кэш текстур) и др.

В общем случае, графический процессор выполняет команды, размещенные в системной памяти и формирует изображения в битовых картах видеопамяти для

23

дисплейного процессора во взаимодействии с контроллером видеопамяти и интерфейсным устройством шины. Процессор поддерживает современные графические стандарты (GKS, CGI, Microsoft Windows). Графический процессор обладает развитыми аппаратными возможностями, позволяющими снизить до минимума число параметров в командах для формирования примитивов в растровой форме. Список графических команд и параметров создается центральным процессором и хранится в системной памяти. Графические команды выбираются из связанного списка графических команд при обращении к системной памяти через шину и обрабатываются графическим процессором. В настоящее время графические процессоры - программируемые и интерпретирующие графические команды, потому что такой процессор наиболее гибкий по своим возможностям.

Акселераторы.

При выводе данных на экран в графическом виде, центральный процессор выполняет огромное количество действий, связанных с формированием изображения. В результате чего большая часть ресурсов системы тратится на создание графического интерфейса, либо на расчет сцен при использовании трѐхмерной графики (например, в играх). Это приводит к падению производительности компьютера.

Часть этой работы по обработке простых и часто повторяющихся элементов, так называемых графических примитивов может перекладываться на видеочип. Рассмотрим два примера:

Например, при построении прямоугольника центральным процессором построение прямоугольника сведется к тому, что процессор должен передать видеопроцессору координаты всех точек, которые составляют сам прямоугольник, видеопроцессор "отобразит" эти точки, а затем рассчитать и передать видеопроцессору координаты всех точек внутри прямоугольника, для того чтобы видеопроцессор закрасил каждую из них заданным цветом.

Противоположный пример: видеочип знает, что такое прямоугольник. Тогда процессор передаст в видеокарту только координаты вершин прямоугольника - только две координаты, а сам видеопроцессор построит прямоугольник. Затем процессор скомандует закрасить прямоугольник, и видеочип сам определит, какие точки должны быть закрашены и изменит цвет всех внутренних точек прямоугольника.

Во втором случае, разумеется, производительность системы выше: во первых уменьшается объем передаваемых от процессора к видеопроцессору данных, во вторых обработка этих данных видеопроцессором будет происходить быстрее.

Видеочип, который умеет не только "рисовать" точки определенного цвета на экране, но и умеет самостоятельно работать с графическими примитивами, например прямоугольниками, отрезками, окружностями, умеет самостоятельно выполнять заливку цветом, умеет масштабировать изображение на экране и многое другое, называется акселератором или ускорителем.

Различают ускорители двумерной(2D) и трехмерной(3D) графики. Под ускорителем двумерной графики понимают видеочип, который может аппаратно ускорять обработку плоских примитивов, предназначенных для отображения плоских изображений, например, графического интерфейса Windows и т.д. Ускоритель трехмерной графики должен иметь возможности построения в двумерной плоскости экрана проекций некоторых трехмерных объектов, создавая таким образом иллюзию трехмерного изображения.

24

2.Видеопамять Основное назначение видеопамяти - временное хранение выводимой на экран монитора картинки, также видеопамять может использоваться и в других целях Ту часть видеопамяти, которая используется для хранения выводимой картинки, принято называть кадровым буфером (фреймбуфером). Каждая картинка имеет определенный объѐм, который измеряется в байтах, это также относится и к изображению, которое мы видим на экране. Для получения какого-либо изображения надо разместить картинку в видеопамяти. Следовательно, чем больше объем этой памяти, тем большее разрешение и глубину цвета можно отобразить на мониторе. Рассмотрим несколько примеров:

Например, видеокарта оборудована 2 Мбайт памяти. Тогда, какую глубину цвета она покажет в каких разрешениях? Считаем: в 800х600 на экране 480 000 точек. Если на каждую по 16 бит, то всего нужно чуть менее 1 Мбайт памяти, т.е. 800х600х16 видеокарта с двумя Мбайт памяти поддерживает. Если цвет 32-битный, то нужно чуть менее 2 Мбайт памяти, т.е. и 800х600х32 поддержит такая видеокарта. А если разрешение 1024х768 точек? Тогда на экране 786 432 точек. Если на каждую 2 байта, то понадобиться примерно 1.5 Мбайт видеопамяти, А если использовать 32-битный цвет, то всего нужно 3 Мбайт памяти. Т.е., видеокарта с 2 Мбайт видеопамяти не поддерживает 32-битный цвет при разрешении 1024х768 из-за недостатка объема видеопамяти.

Итак, в кадровом буфере хранится в цифровом формате изображение, генерируемое и постоянно изменяемое графическим процессором и выводимое на экран монитора (или нескольких мониторов). В видеопамяти хранятся также промежуточные невидимые на экране элементы изображения и другие данные. Видеопамять бывает нескольких типов, различающихся по скорости доступа и рабочей частоте. Современные видеокарты комплектуются памятью типа DDR SDRAM, DDR2 или GDDR3. Следует также иметь в виду, что помимо видеопамяти, находящейся на видеокарте, современные графические процессоры обычно используют в своей работе часть общей системной памяти компьютера, прямой доступ к которой организуется драйвером видеоадаптера через шину AGP или PCI-E.

3.Видеоконтроллер — отвечает за формирование изображения в видеопамяти,

дает команды RAMDAC на формирование сигналов развертки для монитора и осуществляет обработку запросов центрального процессора. (Количество строк в секунду называется частотой строчной развертки, частота кадровой развертки – это частота, с которой меняются кадры изображения). Кроме этого, обычно присутствуют контроллер внешней шины данных (например PCI или AGP), контроллер внутренней шины данных и контроллер видеопамяти. Ширина внутренней шины и шины видеопамяти обычно шире внешней (64, 128 или 256 разрядов против 16 или 32), во многие видеоконтроллеры встраивается еще и RAMDAC. Современные графические адаптеры (ATI, nVidia) обычно имеют не менее двух видеоконтроллеров, работающих независимо друг от друга и управляющих одновременно одним или несколькими дисплеями каждый.

4.Цифро-аналоговый преобразователь ЦАП (RAMDAC) — служит для

преобразования изображения, формируемого видеоконтроллером, в уровни интенсивности цвета, подаваемые на аналоговый монитор. Возможный диапазон цветности изображения определяется только параметрами RAMDAC. Чаще всего RAMDAC имеет четыре основных блока — три цифроаналоговых преобразователя, по

25

одному на каждый цветовой канал (красный, синий, зеленый, RGB), и SRAM для хранения данных о гамма коррекции. Большинство ЦАП имеют разрядность 8 бит на канал — получается по 256 уровней яркости на каждый основной цвет, что в сумме дает 16.7 млн. цветов (и за счет гамма коррекции есть возможность отображать исходные 16.7 млн. цветов в гораздо большее цветовое пространство). Некоторые RAMDAC имеют разрядность по каждому каналу 10bit (1024 уровня яркости), что позволяет сразу отображать более 1 млрд. цветов, но эта возможность практически не используется. Для поддержки второго монитора часто устанавливают второй ЦАП. Стоит отметить, что мониторы и видеопроекторы подключаемые к цифровому DVI выходу видеокарты для преобразования потока цифровых данных используют собственные цифроаналоговые преобразователи и от характеристик ЦАП видеокарты не зависят.

5.Видео-ПЗУ (Video ROM) — постоянное запоминающее устройство, в которое записаны видео-BIOS, экранные шрифты, служебные таблицы и т. п. ПЗУ не используется видеоконтроллером напрямую — к нему обращается только центральный процессор. Хранящийся в ПЗУ видео-BIOS обеспечивает инициализацию и работу видеокарты до загрузки основной операционной системы, а также содержит системные данные, которые могут читаться и интерпретироваться видеодрайвером в процессе работы (в зависимости от применяемого метода разделения ответственности между драйвером и BIOS). На многих современных картах устанавливаются электрически перепрограммируемые ПЗУ (EEРROM, Flash ROM), допускающие перезапись видео-BIOS самим пользователем при помощи специальной программы.

6.система охлаждения — предназначена для сохранения температурного режима видеопроцессора и видеопамяти в допустимых значениях.

Правильная и полнофункциональная работа современного графического адаптера обеспечивается с помощью видеодрайвера — специального программного обеспечения, поставляемого производителем видеочипа и загружаемого в процессе запуска операционной системы. Видеодрайвер выполняет функции интерфейса между системой с запущенными в ней приложениями и видеоадаптером. Так же как и видеоBIOS, видеодрайвер организует и программно контролирует работу всех частей видеоадаптера через специальные регистры управления, доступ к которым идет через соответствующую шину.

Подведем итоги: ЦП формирует изображение (кадр) в виде массива данных и записывает его в кадровый буфер видеопамяти. Часть видеочипа, который называется графическим контроллером последовательно бит за битом, строка за строкой считывает содержимое кадрового буфера и передает его в RAMDAC, который передает аналоговый RGB сигнал и сигналы синхронизации на монитор. Сканирование видеопамяти осуществляется синхронно с перемещением луча по экрану монитора

26

Создание компьютерного изображения

Независимо от источника получения компьютерного изображения его свойства характеризуются набором основных параметров, включающих размер изображения, разрешение, формат, тип цветовой модели и палитру (цветовое разрешение). Процедура создания цифрового изображения обычно включает три этапа:

-ввод или получение изображения

-обработку изображения

-вывод изображения

На этапе ввода или получения изображения цифровой аппарат или сканер преобразуют (оцифровывают) световую информацию в численные значения, которые сохраняются в файле изображения. В фазе обработки изображения с помощью специального программного обеспечения (графического редактора) происходит обработка числовой информацией об изображении, сохраненной на предыдущем этапе в виде файла. Основной задачей данного этапа является выполнение последовательности шагов для улучшения введенного в компьютер оригинального изображения путем управления и настройки яркости, контраста, цветности, резкости, кадрирования и других. При выводе изображения реализуется обратная процедура, связанная с преобразованием чисел, хранящихся в файле изображения, в готовое изображение аналогичное тому, которое было введено в компьютер на первом этапе. Каждый из перечисленных этапов работы с изображением характеризуется своим типом разрешения. Понятие разрешения включает в себя пространственное разрешение и яркостное разрешение.

Пространственное разрешение (или просто разрешение) характеризует количество мельчайших элементов информации, из которых состоит изображение.

Яркостное разрешение характеризует количество уровней яркости, которые может принимать отдельный пиксель. Чем выше яркостное разрешение, тем большее число уровней яркости будет содержать файл изображения. Таким образом,

разрешение – это совокупность размера изображения в пикселях и глубины цвета.

Основные сведения о графическом режиме ПК

В самых общих чертах работа с дисплеем ПК в графическом режиме может быть представлена следующим образом. Экран дисплейного монитора представляется, как набор отдельных точек – пикселей, образующий прямоугольный растр. Число пикселей определяет разрешающую способность графической системы и обычно отражается парой чисел, первое из которых показывает количество пикселей в строке, а второе - число строк. Каждому пикселю экрана ставится в соответствие фиксированное количество битов (атрибут пикселя) в некоторой области адресного пространства центрального микропроцессора ПК. Атрибут пиксела (т.е. существенная характеристика пиксела) – это определенное число битов в адресном пространстве ПК. Эта адресное пространство называется видеопамятью, как правило, оно является частью дисплейного адаптера (видеоадаптера) - специального устройства, управляющего работой монитора. Видеоадаптер, в частности, осуществляет циклическое воспроизведение содержимого видеопамяти на экране монитора. Причем изображение каждого пикселя определяется текущим значение его атрибута. Такой подход получил название битовой карты - bit-mapped graphics. Программе,

27

выполняющейся на ПК в графическом режиме, доступны для чтения/записи все пиксели видеопамяти.

Совокупность экранного и цветового разрешения графического режима определяет количество видеопамяти, необходимое для его реализации. В ряде случаев возможно одновременное существование в видеопамяти двух или более областей одинаковой структуры, каждая из которых содержит атрибуты всех пикселей экрана. Такие области называются страницами. В данный момент времени любая из страниц может отображаться видеоадаптером на дисплее, занимая при этом весь экран. Наличие страниц позволяет программе мгновенно менять изображение на экране, просто переключаясь с одной страницы на другую. В частности, это дает возможность проводить всю ―черновую работу‖ по подготовке графического изображения на неотображаемой в настоящий момент времени странице, избегая появления на экране побочных графических эффектов.

Графическое отображение, возникающее на экране монитора, является результатом выполнения следующих действий:

атрибуты пикселей изображения должны быть загружены в память, обычно эту работу осуществляют специальные функции DOS или BIOS, однако возможна и прямая работа с видеопамятью.

специальная схема видеоадаптера обеспечивает периодическое считывание видеопамяти и преобразование значений атрибутов пикселей в последовательность сигналов, управляющих монитором.

В персональных компьютерах используются различные типы дисплейных адаптеров (CGA, EGA, VGA и SVGA.), большинство из которых может работать в различных режимах (текстовых и графических), называемых также видеорежимами (video modes). Графические режимы одного адаптера различаются разрешающей способностью, количеством цветов, количеством страниц видеопамяти и способом их адресации. Установкой графического режима управляет прерывание BIOS с номером 10h. Графические режимы обладают большими возможностями. Однако, структура видеопамяти для каждого из них различна, это делает различными процедуры вывода

ичтения точек экрана. Чтобы отделить процедуры вывода графических примитивов от аппаратно-зависимых операций, общение программы с экраном производится с помощью двух взаимосвязанных средств:

1 - драйвера экрана, который отвечает за аппаратно-зависимые операции (вывод от точек до полиномов и вычислений перспектив);

2- аппаратно-независимых процедур вывода на экран сложных элементов и групп элементов

Поскольку объем страницы видеопамяти ограничен, то количество бит, приходящиеся на один пиксель, находится в обратной зависимости от общего количества пикселей на экране. Обычно атрибут пикселя состоит из 1, 2, 4 или 8 бит, в зависимости от графического режима. Все пиксели, имеющие одинаковое значение атрибута, отображаются на экране одинаковым образом.

Если атрибуту каждого пикселя в видеопамяти отводится только один бит, то графика будет двухцветной, например черно-белой (конкретные цвета зависят от типа монитора). Если каждый пиксель в графическом режиме представляется n битами, то в

таком режиме имеется возможность одновременно представить на экране

28

N_pallette=2**n оттенков цвета (палитра режима). В некоторых графических системах принято в этом случае говорить о наличии n плоскостей цветов (color planes).

ВНИМАНИЕ!

Расчет видеопамяти для изображения: нужно знать разрешение в пикселях по вертикали, горизонтали и количество бит, приходящихся на кодировку цвета одного пикселя.

V=X * Y * n

n - количество бит на кодировку пикселя. Все задачи решаются по этой формуле.

Графический конвейер

Графическая обработка основывается на понятии конвейера, при которой графические данные проходят последовательно несколько этапов обработки - выходные данные одного этапа сразу передаются на вход следующего. Рассмотрим универсальный графический конвейер и выделим в нем 5 этапов (G, T, X, R, D).

Графическая обработка реализуется аппаратно (видеокарта) и программно, но в любом случае она состоит из пяти этапов.

Графические данные проходят

1)Этап генерации (G) - создание и модификация прикладных структур данных.

2)Этап обхода (T) прикладных структур данных и получение соответствующих графических данных.

3)Этап преобразования (X) - на нем графические данные из системы координат объекта преобразуются в систему координат наблюдателя, выполняется расчет освещенности, отсечение преобразованных данных, а затем проецирование результата в пространство окна. (геометрические и проективные преобразования)

4)На этапе растеризации (R) создаются и записываются в буфер кадра дискретные образы примитивов: точки, отрезки и полигоны. Буфер кадра - это банк памяти, предназначенный для хранения массива пикселей изображения. На этом этапе для всех вершин геометрических объектов вычисляется закраска, производится наложение определенных участков текстуры, а также выполняются пиксельные операции, такие, например, как сравнение по глубине.

5)На этапе вывода (D) происходит сканирование буфера кадра и вывод изображения на экран дисплея.

Аппаратная реализация конвейера:

ВGPU обычно имеется нескольких блоков обработки информации, а именно: блок обработки 2D графики, блок обработки 3D графики, в свою очередь, обычно разделяющийся на геометрическое ядро (плюс кэш вершин) и блок растеризации (плюс кэш текстур) и др.

Вупрощенной модели графического конвейера особое значение имеет обработка геометрии и обработка фрагментов.

На этапе геометрической обработки графического конвейера выполняется преобразование координат (применение мировой, видовой и проекционной матриц) вершины, перевод вершины в пространство отсечения, расчет освещения, применение материалов, определение цвета каждой вершины с учетом всех источников света и генерация текстурных координат.

29

После выполнения этих операций наступает компоновка примитива. В этой части конвейера, вершины группируются в треугольники и подаются в растеризатор.

Растеризация (растрирование) – это процесс преобразования изображений векторной графики в растровое изображение. Текстура – это дву или трехмерное изображение, которое накладывается на части объекта.

Растеризатор делит треугольник на фрагменты (пиксели), для которых рассчитываются текстурные координаты и цвет. Затем для каждого фрагмента происходит выполнение следующих операций: проверка принадлежности пикселя, наложение текстур (заданные для фрагмента координаты текстуры определяют цвет из элементов текстурного изображения — текселей, значение этого цвета комбинируется с цветом фрагмента), применение эффектов тумана, альфа-тест, тест шаблона (stenciltest), тест глубины, смешивание, дизеринг и логические операции. После обработки всех этих методов полученный фрагмент помещается в буфер кадра, который впоследствии выводиться на экран.

Программная реализация конвейера:

Два первых этапа (Этап генерации (G) - создание и модификация прикладных структур данных и Этап обхода (T) ) сильно зависят от приложения, от графического интерфейса пользователя и от способа организации самой прикладной программы (эти этапы могут быть совмещены). Поэтому графические системы общего назначения поддерживают главным образом последние три этапа, которые собственно и реализуют рендеринг.

Реальной и широко распространенной реализацией этапов рендеринга для универсального конвейера стал программный интерфейс для 3D графики OpenGL. Открытая Графическая Библиотека (OpenGL) появилась в середине 90-х. В настоящее время многие функции этой библиотеки реализованы аппаратно.

Поскольку OpenGL ориентирован исключительно на рендеринг, он может быть встроен в любую оконную систему или вовсе использоваться без нее.

Реализации OpenGL показывают хорошую производительность на компьютерах самого разного класса - от ПК до графических суперкомпьютеров.

OpenGL не занимается выводом на экран - результирующее изображение помещается в буфер кадра, а управление дисплеем возлагается на оконную систему. Поэтому

OpenGL работает, например, в среде X Window System, NT, Windows 95 и OS/2.

Для подключения к новой среде требуется создание интерфейса с оконной системой. Эти свойства сделали OpenGL стандартом в технологии открытых систем.

В OpenGL уже упомянутый универсальный графический конвейер в общем виде получает конкретную детализацию, которую иллюстрирует рисунок

30