1.3.6.3. Видеокарты
1.3.6.3.1. Принципы функционирования видеокарты
Видеокарта, или видеоадаптер, формирует изображение, передаваемое (в аналоговом или цифровом виде) монитору, а также управляет выводом этого изображения.
Изображение, выводимое на экран монитора, является черно-белым или цветным растровым изображением, т.е. изображением, выводимым по точкам (пикселям). Это изображение формируется видеокартой в одном из двух режимов: текстовом или графическом.
В текстовом режиме видеокарта выводит только символы кодовой таблицы, используемой в компьютере (рис. ?????а). Каждый символ представляется в виде прямоугольной матрицы, размером, например 914 пикселей, в которой с помощью пикселей разного цвета (например, черного и белого) рисуется заданный символ. Раньше представления (образы) символов хранились в постоянной памяти видеокарты, теперь они формируются компьютером. Текстовый режим в настоящее время используется редко, в основном для старых прикладных задач, созданных для операционной системы MS DOS. В графическом режиме изображение на экране монитора формируется процессором и видеокартой по пикселям (рис. ?????б).
Рис. ?????. Вывод сформированного видеокартой изображения: а) в текстовом режиме; б) в графическом режиме
Для представления цвета пикселя в черно-белом мониторе достаточно 1 бита (значение 1 – белый цвет, значение 0 – черный). В цветном мониторе цвет формируется в соответствии с моделью RGB, т.е. представление пикселя должно содержать значения интенсивностей красного (R), зеленого (G) и синего (B) компонентов цвета. Если для представления цвета пикселя используется n бит, то максимальное количество цветов, которое может обеспечить монитор, равно 2n.
В настоящее время количество цветов на экране монитора определяется выбором одного из двух режимов: HiColor и True Color.
Режим HiColor (от слов High Color – высококачественный цвет) поддерживает 65 536 цветов. Для кодирования цвета отводится 16 бит, причем биты на компоненты цвета выделяются с учетом спектральной чувствительности человеческого глаза. Максимальная чувствительность глаза находится в области зеленого цвета, а минимальная – в области синего. Обычно под зеленый цвет отводится 6 бит, а под красный и синий – по 5 бит.
Режим True Color (истинный цвет) поддерживает 16,7 миллионов цветовых оттенков. В этом режиме каждый пиксель кодируется 24 битами (по 8 битов на компоненту цвета).
Для представления цветов определен также режим Deep Color, в котором цвет пикселя задается 30 битами (1,073 миллиарда цветов), 36 битами (68,71 миллиарда цветов) и 48 битами (281,5 миллиарда цветов). Однако этот режим пока не поддерживается существующими мониторами и видеокартами.
Цветные растровые изображения требуют для хранения в компьютере большого объема памяти, зависящего как от размера изображения по ширине и высоте, так и от режима представления цвета пикселя. Так растровое изображение на рис. ?????б размером 600800 пикселей в режиме HiColor занимает 960 Кбайт, а в режиме True Color – 1,44 Мбайт. Для уменьшения объема памяти растровые изображения обычно хранятся в одном из графических форматов, использующих различные алгоритмы сжатия (наиболее распространенными являются форматы GIF, JPEG и PNG). Так, представление рис. ?????б в формате GIF занимает 433 Кб, в формате JPEG – 257 Кб и в формате PNG – 362 Кб.
Ввиду большого объема памяти, занимаемого растровыми изображениями, в компьютерах широко применяются графические изображения, формируемые с использованием векторной графики (двумерной и трехмерной).
В двумерной векторной графике (называемой также 2D графикой) изображение представляется как набор объектов, состоящих из геометрических примитивов: точек, линий, кругов, эллипсов, многоугольников, плавных кривых (представляемых с помощью полиномов) и т.д. В трехмерной векторной графике (3D графике) к этим примитивом добавляются пространственные фигуры: сферы, кубы, цилиндры, пирамиды и т.д.
Преимуществом векторной графики по сравнению с растровой является значительно меньший объем памяти, необходимый для хранения изображений. Другим преимуществом является возможность масштабирования (изменения размера) как всего изображения, так и его отдельных объектов. Так, при выводе букв в текстовом режиме необходимо для каждого размера иметь свое растровое представления буквы. Представленной буквы в векторной графике как набора отрезков линий и плавных кривых, позволяет изменить ее размер, увеличив или уменьшив коэффициенты масштабирования в геометрических примитивах, представляющих букву.
В файле изображения векторной графике хранятся описания объектов как структуры данных или на специальном языке, например, языке PostScript или языке SVG (Scalable Vector Graphics – масштабируемая векторная графика).
Представленное на рис. ?????а описание изображения на языке SVG занимает 630 байт. То же изображение в формате PNG занимает 12,5 Кбайт.
Для трехмерной графики может быть задано также освещение, местоположение наблюдателя, тени, а также некоторые другие характеристики. Пример изображения с использованием средств трехмерной графики приведен на рис. ?????б.
Рис. ?????. Изображения векторной графики: а) двумерное изображение;
б) трехмерное изображение
Векторное представление изображений используется как в графических операционных систем типа Windows, в которых основные графические элементы: кнопки, переключатели, меню и т.д. реализованы как объекты векторной графики, так и в пользовательских приложениях, выполняемых под управлением этих операционных систем (например, компьютерных играх).
Поскольку монитор является растровым устройством, изображение векторной графики должно быть преобразовано в растровое изображение. Это преобразование называется рендерингом (от английского слова rendering – визуализация). Для изображения на рис. ?????а рендеринг требует небольшого объема вычислений, однако при рендеринге рис. ?????б требуемый объем вычислений при формировании пикселей растрового изображения является очень большим.
Первоначально рендеринг выполнялся в процессоре с помощью его наборов мультимедийных команд. Однако с усложнением векторных изображений и увеличением разрешения мониторов мощностей центрального процессора стало не хватать. Первое решение этой проблемы заключалось в подключении к видеокарте дополнительной карты, выполнявшей основную долю вычислений при рендеринге. Эта карта была названа графическим ускорителем, потому что она существенно ускорила построение векторных изображений за счет использования собственного специализированного графического процессора. Затем графический ускоритель переместился на видеокарту. Поэтому практически все современные видеокарты принадлежат к комбинированным устройствам, которые помимо своей главной функции – формирование сигналов, в соответствии с которыми монитор выводит на экран растровое изображение, осуществляют рендеринг двумерных и трехмерных векторных изображений.