Функциональное устройство компьютерной техники

Рассмотрев работу оконечного устройства (монитора), обсудим способы формирования изображения в графическом адаптере. Итак, у нас имеется матрица точек экрана, образованная горизонтальными строками растра (номер строки -- вертикальная координата матрицы) и точками разложения строки (номер точки в строке -- горизонтальная координата матрицы). Эта матрица сканируется построчным или чересстрочным образом, и во время прямого хода луча по видимым строкам графический адаптер должен формировать сигналы управления яркостью базисных цветов монитора (или одного сигнала яркости в монохромном варианте). За это время последовательно (и синхронно с ходом луча) должна выводиться информация о яркости и цвете всех точек данной строки. Синхронизация обеспечивается формированием горизонтальных и вертикальных синхроимпульсов. Таким образом, графический адаптер является задающим устройством, а монитор со своими генераторами разверток должен вписаться в заданные параметры синхронизации.

Cовременные устройства формирующие изображение могут быть изготовлены применяя следующие СRT, жидкокристалическую или плазменную технологии.

Технология СRT достаточно известна. Рассмотрим принцип работы плазменных телевизоров (для мониторов мало подходят из-за мерцания).

Принцип работы плазменных дисплеев довольно прост: каждый суб-пиксель представляет собой микроскопическую флуоресцентную лампу, излучающую только один из основных цветов: красный, зелёный или синий. Регулируя яркость свечения лампы можно получить различные оттенки.

И свечение в плазменных дисплеях достигается точно так же, как у флуоресцентных трубок, которые мы повсеместно наблюдаем: внутри трубки находится инертный газ (к примеру, аргон). На концах трубки находятся электроды, к которым подводится высокое напряжение (несколько тысяч вольт). Инертный газ в нормальном состоянии электрически нейтрален, но под действием тока он превращается в плазму - газ, состоящий из свободных электронов и положительных ионов (в результате суммарный заряд остаётся нейтральным). Из-за разницы потенциалов в несколько тысяч вольт электроны перетекают к положительному катоду, а ионы - к отрицательному аноду трубки. Подобное движение приводит к столкновению с атомами. При каждом столкновении атом набирает энергию, и электроны переходят на более высокую орбиту. Когда они возвращаются на изначальную орбиту, то испускают фотон: квант света.

Излучаемый свет является результатом движения плазмы в условиях сильного электрического поля. Но приложения постоянного потенциала к полюсам трубки недостаточно. Плазма должна постоянно двигаться, чтобы излучать свет, поэтому к полюсам прикладывается переменный ток. В итоге ионы газа движутся то в одну сторону, то в другую. Но здесь возникает проблема. Дело в том, что излучаемый плазмой свет невидим: это ультрафиолет, который человеческий глаз не способен воспринимать. Поэтому свет нужно превратить в видимый. Для этого на стенки трубки наносят порошок, чувствительный к ультрафиолету и излучающий белый свет (вспомните обычные лампы дневного света). Этот порошок, который часто называют люминофором, является сцинтиллятором: материалом, преобразующим одну форму излучения в другую. Сцинтилляторы давно используются в дисплеях. Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) тоже применяют сцинтилляторы, преобразующие поток электронов в зелёный, красный или синий свет. Переложение этой технологии на пиксели плазменного дисплея тоже довольно логично. Каждый пиксель состоит из трёх идентичных микроскопических полостей, содержащих инертный газ (ксенон) и имеющих два электрода, спереди и сзади. После того, как к электродам будет приложено сильное напряжение, плазма начнёт перемещаться. При этом она излучает ультрафиолетовый свет (показан на рисунке фиолетовым), который попадает на сцинтилляторы в нижней части каждой полости. Сцинтилляторы излучают один из основных цветов: красный, зелёный или синий. Затем цветной свет проходит через стекло и попадает в глаз зрителя.

Таким образом, в плазменной технологии пиксели работают, подобно флуоресцентным трубкам, но создание панелей из них довольно проблематично. Первая трудность - размер пикселя. Суб-пиксель плазменной панели имеет объём 200 мкм x 200 мкм x 100 мкм, а на панели нужно уложить несколько миллионов пикселей, один к одному. Во-вторых, передний электрод должен быть максимально прозрачным. Для этой цели используется оксид индия и олова, поскольку он проводит ток и прозрачен.

На плазменной панели 1280x768 пикселей присутствует примерно три миллиона суб-пикселей.

Плазменная технология обладает многочисленными преимуществами над ЖК и ЭЛТ. Во-первых, осцилляторы для плазменного телевизора обеспечивают более сочные цвета в более широком диапазоне. Цветовой диапазон плазменных экранов намного шире, чем у ЭЛТ-телевизоров.

Но есть и недостатки. У плазменных панелей проблемы заключаются в размере самих пикселей. Достичь размера пикселя меньше 0,5 или 0,6 мм практически невозможно. Кроме того, пиксели плазмы выгорают. Проблема мерцания плазменных панелей также объясняет, почему эта технология мало подходит для компьютерных мониторов.

Интересно отметить, что если плазменные панели больше относятся к сфере видео, то ЖК-мониторы приобрели свою зрелость благодаря компьютерам и мобильным устройствам.

ЖК: принцип работы

Основное различие между технологиями плазмы и ЖК состоит в том, что пиксели ЖК-панели, сами по себе, свет не излучают. И все качества и недостатки этой технологии автоматически выходят из этого ключевого принципа.

Как и в других технологиях, пиксель ЖК-монитора состоит из трёх суб-пикселей основных цветов. Но принцип работы в данном случае довольно интересен: кристалл не излучает свет, но работает в качестве переключателя, именно поэтому ЖК-панелям всегда нужна подсветка. Свет, излучаемый подсветкой, проходит через жидкий кристалл, а затем и окрашивается цветовым фильтром. Каждый суб-пиксель имеет одинаковое строение и отличается только цветовым фильтром. Жидким кристаллом каждого суб-пикселя можно управлять как клапаном. В зависимости от угла поворота, через кристалл проходит больше или меньше света, в результате чего каждый пиксель даёт то или иное количество красного, зелёного или синего цвета. Давайте рассмотрим, как работает этот световой клапан.

Подсветка излучает обычный неполяризованный белый свет. Напомним из курса физики, что поляризация определяется ориентацией вектора электрического поля. Как известно, свет представляет собой электромагнитную волну, где векторы электрического и магнитного полей направлены перпендикулярно к направлению распространения волны. Лампа излучает неполяризованный свет, поэтому вектор электрического поля может быть направлен в любую сторону перпендикулярно направлению распространения волны. После того, как свет пройдёт через поляризатор, вектор его электрического поля будет иметь единственное направление (в нашем примере вертикальное). Если свет затем попадёт на второй поляризатор, где ось поляризации перпендикулярна первому (в нашем примере она горизонтальная), то мы ничего не увидим - свет попросту не пройдёт. Но если мы разместим между двумя поляризаторами жидкий кристалл, то он сможет повернуть ось поляризации света таким образом, чтобы она совпадала с осью второго поляризатора. Тогда свет сможет пройти. Это естественное свойства жидких кристаллов и стало причиной их успеха в технологиях дисплеев.

Если подать на кристалл электрический ток, то он будет поворачиваться в зависимости от разницы потенциалов - подобно стрелке компаса, ориентирующейся по магнитному полю Земли. С помощью электрического поля можно запретить поворот оси поляризации, после чего через горизонтальный поляризатор свет уже не будет проходить, так как он будет оставаться поляризованным вертикально.

Изменяя напряжение на концах жидкого кристалла, мы получаем, своего рода, переключатель с промежуточными положениями, которые более или менее точно позволяют задать оттенки цвета.

Недостатки у старых пассивных матриц есть и они известны: панели очень медлительны, а картинка не резкая. И причин тому две. Первая заключается в том, что после того, как мы адресуем пиксель и поворачиваем кристалл, последний будет медленно возвращаться в своё первоначальное состояние, размывая картинку. Вторая причина кроется в ёмкостной связи между линиями управления. Эта связь приводит к неточному распространению напряжения и слегка "портит" соседние пиксели.

Чтобы устранить описанные недостатки, производители сегодня перешли на технологии активных матриц.

Здесь к каждому пикселю добавляется транзистор, работающий как переключатель. Если он открыт (включён), то в запоминающий конденсатор могут записываться данные. Если транзистор закрыт (выключен), то данные остаются в конденсаторе, работающем как аналоговая память. Технология имеет множество преимуществ. Когда транзистор закрыт, данные продолжают находиться в конденсаторе, поэтому подводка напряжения к жидкому кристаллу не прекратится, в то время как управляющие линии будут адресовать другой пиксель. То есть пиксель не будет возвращаться в исходное состояние, как происходило в случае пассивной матрицы. Кроме того, время записи в конденсатор намного меньше, чем время поворота кристалла, то есть мы можем быстрее опрашивать пиксели панели и передавать на них данные.

Эта технология известна ещё и под названием "TFT" (thin film transistors, тонкоплёночные транзисторы). Но сегодня она стала настолько популярной, что название "ЖК" уже давно стало её синонимом. То есть под ЖК-монитором мы понимаем дисплей, использующий технологию TFT.

Рассмотрим режимы работы мониторов.

Существуют два основных режима вывода информации -- графический и символьный (текстовый).

Графический режим

В графическом режиме имеется возможность индивидуального управления свечением каждой точки экрана монитора независимо от состояния остальных. Этот режим обозначают как Gr (Graphics) или АРА (All Points Addressable -- все точки адресуемы). В графическом режиме каждой точке экрана -- пикселу -- соответствует ячейка специальной памяти, которая сканируется схемами адаптера синхронно с движением луча монитора. Эта постоянно, циклически сканируемая (с кадровой частотой) память называется видеопамятью (Video Memory), или VRAM (Video RAM). Последнее сокращение можно спутать с названием специализированных микросхем динамической памяти, оптимизированной именно под данное применение. Процесс постоянного сканирования видеопамяти называется регенерацией изображения, и этого же сканирования оказывается достаточно для регенерации информации микросхемам динамической памяти, применяемой в этом узле. Для программно-управляемого построения изображений к видеопамяти также должен обеспечиваться доступ со стороны системной магистрали компьютера, причем как по записи, так и по чтению. Количество бит видеопамяти, отводимое на каждый пиксел, определяет возможное число состояний пиксела -- цветов, градаций яркости или иных атрибутов (например, мерцание). Так, при одном бите на пиксел возможны лишь два состояния -- светится или не светится. Два бита на пиксел -- можно было иметь одновременно четыре цвета на экране. Сейчас остановились на режимах High Color (15 бит -- 32 768 цветов или 16 бит -- 65 536 цветов), а для профессионалов -- True Color-- «истинный цвет» (24 бит -- 16,7 миллиона цветов), реализуемых современными адаптерами и мониторами SVGA. 15 и 24 бита распределяются между базисными цветами R:G:B поровну (5:5:5 и 8:8:8), 16 бит -- с учетом особенностей цветовосприятия неравномерно (5:6:5 или 6:6:4).

Логически видеопамять может быть организована по-разному, в зависимости от количества бит па пиксел.

В случае одного или двух бит на пиксел вполне логично, что каждая ячейка (байт) соответствует восьми или четырем соседним пикселам строки (рис. 3.8). При сканировании ячейка считывается в регистр сдвига, из которого информация о соседних точках последовательно поступает на выходные цепи адаптера. Такой способ отображения называется линейным -- линейной последовательности пикселов соответствует линейная последовательность бит (или групп бит) видеопамяти.

В адаптере EGA количество бит на пиксел увеличили до четырех и видеопамять разбили на четыре области-слоя, называемых также и цветовыми плоскостями (рис. 3.9). В каждом слое используется линейная организация, где каждый байт содержит по одному биту восьми соседних пикселов.

Рис. 3.8 Линейное отображение пикселов в видеопамяти; а-- 1 бит на пиксел; б-- 2 бита на пиксел

Рис. 3.9 Многослойное отображение пикселов в видеопамяти

Слои сканируются (считываются в сдвиговые регистры) одновременно, в результате параллельно формируются по четыре бита на каждый пиксел. Такое решение позволяет снизить частоту считывания ячеек памяти -- одна операция чтения производится за время прохода лучом восьми пикселов. Забота о снижении частоты считывания понятна -- быстродействие памяти ограничено, а ведь в эту память нужно информацию когда-то и записывать. Ячейки слоев, отвечающие за одни и те же пикселы, имеют совпадающий адрес. Это позволяет производить параллельную запись информации сразу в несколько цветовых плоскостей (запись для каждого слоя разрешается индивидуально), что также экономит время. Считывание со стороны магистрали, конечно, возможно только послойное.

В режимах 8, 16 и 24 бит на пиксел также используется линейная организация, но каждый байт (слово или три байта) отвечает уже за цвет одного пиксела. Многоплоскостная организация здесь уже была бы неэффективной.

Вышеописанные варианты организации видеопамяти -- и линейный, и многоплоскостной -- представляют собой отображение матрицы пикселов экрана на биты видеопамяти -- Bit Mapping. Растровый формат хранения изображений, при котором биты так или иначе отображают пикселы, называется битовой картой (BitMap).

Объем видеопамяти (в битах), требуемый для хранения образа экрана, определяется как произведение количества пикселов в строке на количество строк и на количество бит на пиксел. Так, для режима HGC 720 х 350 с одним битом на точку он составляет 252 000 бит или около 31 Кбайт, а 800 х 600 х 256 цветов -- 480 000 бит или около 469 Кбайт. Если физический объем видеопамяти превышает необходимый для отображения матрицы всего экрана, видеопамять можно разбить на страницы. Страница -- это область видеопамяти, в которой умещается образ целого экрана. При многостраничной организации видеопамяти только одна из них может быть активной -- отображаемой на экран. Этим страницы принципиально отличаются от слоев, которые отображаются одновременно.

Формирование битовой карты изображения в видеопамяти графического адаптера производится под управлением программы, исполняемой центральным процессором. Сама по себе задача формирования процессору вполне по силам, но при ее решении требуется пересылка большого объема информации в видеопамять, а для многих построений еще и чтение видеопамяти со стороны процессора. Можно принципиально сократить объем информации, передаваемой графическому адаптеру, но для этого графический адаптер должен быть наделен собственным процессором, способного формировать растровое изображение в видеопамяти (bitmap) по командам, полученным от центрального процессора. Команды ориентируются на наиболее часто используемые методы описания изображений, которые строятся из отдельных графических элементов более высокого уровня, чем пикселы.

Команды рисования (Drawing Commands) обеспечивают построение графических примитивов -- точки, отрезка прямой, прямоугольника, дуги, эллипса. Примитивы такого типа в командах описываются в векторном виде, что гораздо компактнее, чем их растровый образ. Таким образом, удается значительно сократить объем передаваемой графической информации за счет применения более эффективного способа описания изображений. К командам рисования относится и заливка замкнутого контура, заданного в растровом виде, некоторым цветом или узором (pattern). Она ускоряется особенно эффективно: при программной реализации процессор должен просмотреть содержимое видеопамяти вокруг заданной точки, двигаясь по всем направлениям до обнаружения границы контура и изменяя цвет пикселов на своем пути. При этом требуется чтение большого объема данных видеопамяти, их анализ и запись модифицированных данных обратно в видеопамять. Процессор адаптера способен выполнить эту операцию быстро и без выхода с этим потоком данных на внешнюю магистраль.

Копирование блока с одного места экрана на другое применяется для «прокрутки» изображения экрана в разных направлениях. Эта команда сводится к пересылке блока бит -- BitBlT (Bit Block Transferring), и эта операция адаптером может быть сильно ускорена.

Для формирования курсора на графическом экране применяют команды работы со спрайтами. Спрайт (Sprite) -- небольшой прямоугольный фрагмент изображения, который может перемещаться по экрану как единое целое. Перед использованием его программируют -- определяют размер и растровое изображение для него, после этого он может перемещаться по экрану, для чего достаточно только указывать его координаты.

Аппаратная поддержка окон (Hardware Windowing) упрощает и ускоряет работу с экраном в многозадачных (многооконных) системах. На традиционном графическом адаптере при наличии нескольких, возможно, перекрывающих друг друга окон программе приходится отслеживать координаты обрабатываемых точек с тем, чтобы не выйти за пределы своего окна. Аппаратная поддержка окон упрощает вывод изображений: каждой задаче выделяется свое окно -- область видеопамяти требуемого размера, в котором она работает монопольно. Взаимное расположение окон сообщается адаптеру, и он для регенерации изображения синхронно с движением луча по растру сканирует видеопамять не линейно, а перескакивая с области памяти одного окна на другое.

Если объем видеопамяти превышает необходимый для данного формата экрана и глубины цветов, то в ней можно строить изображение, превышающее по размеру отображаемую часть. Адаптеру можно поручить панорамирование (Panning) - отображение заданной области. При этом горизонтальная и вертикальная прокрутка изображения не потребует операций блочных пересылок (конечно, в пределах сформированного большого изображения) -- для перемещения достаточно лишь изменить указатель положения (этакий «большой спрайт»),

Вышеописанные функции адаптера относятся к двумерной графике (2D). Современные графические адаптеры берут на себя и многие функции построения трехмерных изображений. Трехмерное изображение должно состоять из ряда поверхностей различной формы. Эти поверхности «собираются» из отдельных элементов-полигонов, чаще треугольников, каждый из которых имеет трехмерные координаты вершин и описание поверхности (цвет, узор). Перемещение объектов (или наблюдателя) приводит к необходимости пересчета всех координат. Для создания реалистичных изображений учитывается перспектива -- пространственная и атмосферная (дымка или туман), освещенность поверхностей и отражение света от них, прозрачность и многие другие факторы.

Ускорение построений в адаптере обеспечивается несколькими факторами. Во-первых, это сокращение объема передачи по магистрали. Во-вторых, во время работы процессора адаптера центральный процессор свободен, что ускоряет работу программ даже в однозадачном режиме. В-третьих, процессор адаптера, в отличие от процессора со сложной системой команд -- представителя семейства х86, ориентирован на выполнение меньшего количества инструкций, а потому способен выполнять их гораздо быстрее центрального. И, в-четвертых, скорость обмена данных внутри адаптера может повышаться за счет лучшего согласования обращений к видеопамяти для операций построения с процессом регенерации изображения, а также за счет расширения разрядности внутренней шины данных адаптера. В графических адаптерах конца 90-х годов широко применялась двухпортовая видеопамять VRAM и WRAM с разрядностью внутренней шины 64 бит (при 32-битной шине внешнего интерфейса). Современные адаптеры с 3D-акселераторами (самые критичные к производительности памяти) строятся на памяти DDR (DDR2) SGRAM/SDRAM. со 128-разрядной шиной.

По отношению к центральному процессору и оперативной памяти компьютера различают графические сопроцессоры и акселераторы. Графический сопроцессор представляет собой специализированный процессор с соответствующим аппаратным окружением, который подключается к шине компьютера и имеет доступ к его оперативной памяти. В процессе своей работы сопроцессор пользуется оперативной памятью, конкурируя с центральным по доступу и к памяти, и к шине. Графический акселератор работает автономно и при решении своей задачи со своим огромным объемом данных может и не выходить на системную шину. Акселераторы являются традиционной составляющей частью практически всех современных графических адаптеров. Акселераторы двумерных операций (2D-accelerators), необходимых для реализации графического интерфейса пользователя GUI (Graphic User Interface), часто называют Windows-акселераторами, поскольку их команды обычно ориентированы на функции этой операционной системы. Более сложные акселераторы выполняют и трехмерные построения, их называют 3D-акселераторами.

Для построения сложных трехмерных изображений графическому акселератору необходим доступ к системной памяти. Для обеспечения доступа к основной памяти компьютера он должен иметь возможность управления шиной (bus mastering). Специально для мощных графических адаптеров в 1996 году появился новый канал связи с памятью -- AGP (Accelerated Graphic Port, шина которого описана в п. 4), а теперь и PCI Express. Обеспечив высокую пропускную способность порта, разработчики AGP предложили технологию DIME (Direct Memory Execute). По этой технологии графический акселератор является мастером шины AGP и может пользоваться основной памятью компьютера для своих нужд при трехмерных построениях.

Далее, при регенерации на выходе видеопамяти (или сдвиговых регистров) имеется некоторое количество бит, отвечающих за раскраску текущего выводимого пиксела. Количеством этих бит N определяется максимальное число цветов, присутствующих на экране С=2N. Применяется так называемая техника палитр (Palette). Ее суть заключается в том, что биты одного пиксела, поступающие с видеопамяти, перед выходом в интерфейс монитора проходят через некоторый управляемый преобразователь. Выход этого преобразователя имеет разрядность, поддерживаемую интерфейсом монитора, и биты видеопамяти задают номер цвета в выбранной палитре цветов. Переключив палитру (или перепрограммировав ее набор цветов), можно получить другую гамму цветов на экране, но одновременно будет присутствовать не более 2N цветов.

Текстовый режим

В символьном, или текстовом, режиме формирование изображения происходит несколько иначе. Если в графическом режиме (АРА) каждой точке экрана соответствует своя ячейка видеопамяти, то в текстовом режиме ячейка видеопамяти хранит информацию о символе, занимающем на экране знакоместо определенного формата. Знакоместо представляет собой матрицу точек, в которой может быть отображен один из символов определенного набора. Здесь умышленно применяется слово «точка», а не «пиксел», поскольку пиксел является сознательно используемым элементом изображения, в то время как точки разложения символа, в общем случае, программиста не интересуют. В ячейке видеопамяти хранится код символа, определяющий его индекс в таблице символов, и атрибуты символа, определяющие вид его отображения. К атрибутам относится цвет фона, цвет символа, инверсия, мигание и подчеркивание символа. Поскольку изначально в дисплеях использовали только алфавитно-цифровые символы, такой режим работы иногда сокращенно называют AN (Alpha-Numerical -- алфавитно-цифровой), но чаще -- ТХТ (text -- текстовый), что корректнее: символы псевдографики, которые широко применяются для оформления текстовой информации, к алфавитно-цифровым не отнесешь.

В текстовом режиме экран организуется в виде матрицы знакомест, образованной горизонтальными линиями LIN (Line) и вертикальными колонками COL (Column). Этой матрице соответствует аналогичным образом организованная видеопамять. Адаптер, работающий в текстовом режиме, имеет дополнительный блок -- знакогенератор. Во время сканирования экрана выборка данных из очередной ячейки видеопамяти происходит при подходе к соответствующему знакоместу (рис. 3.10), причем одна и та же ячейка видеопамяти будет выбираться при проходе по всем строкам растра, образующим линию знакомест. Считанные данные попадают в знакогенератор, который вырабатывает построчную развертку соответствующего символа -- его изображение на экране. Знакогенератор представляет собой запоминающее устройство -- ОЗУ или ПЗУ. На его старшие адресные входы поступает код текущего символа из видеопамяти, а на младшие -- номер текущей строки в отображаемой линии знакомест. Выходные данные содержат побитную развертку текущей строки разложения символа (в графическом режиме эти данные поступали из видеопамяти). Необходимый объем памяти знакогенератора определяется форматом знакоместа и количеством отображаемых символов. Самый «скромный» знакогенератор имеет формат знакоместа 8 х 8 точек, причем для алфавитно-цифровых символов туда же входят и межсимвольные зазоры, необходимые для читаемости текста. Поскольку в PC принято 8-битное кодирование символов, для такого знакогенератора требуется 8 х 28 = 2К 8-разрядных слов. Лучшую читаемость имеют матрицы 9 х 14 и 9 х 16 символов.

Рис. 3.10 Формирование изображения в текстовом режиме

Как уже говорилось, каждому знакоместу в видеопамяти, кроме кода символа, соответствует еще и поле атрибутов, обычно имеющее размер 1 байт. Этого вполне достаточно, чтобы задать цвет и интенсивность воспроизведения символа и его фона.

Все графические адаптеры имеют знакогенератор, дающий возможность работы и в текстовом режиме а при переходе в графический режим знакогенератор отключается. Интеллектуальные адаптеры позволяют выводить символы (формировать их растровое изображение с заданным форматом знакоместа) и в графическом режиме. При этом адаптер получает только команду с указанием координат отображаемых символов и сам поток кодов символов, после чего строит их изображение, не отвлекая центральный процессор.

Трехмерная графика

Потребности работы с трехмерными изображениями, или 3D-графикой (3Dimensions -- 3 измерения), имеются в широком спектре приложений -- от игр, которыми увлекается масса пользователей, до систем автоматического проектирования, используемых в архитектуре, машиностроении и других областях. Конечно же, компьютер оперирует не самими трехмерными объектами, а их математическими описаниями. Трехмерное приложение оперирует объектами, описанными в некоторой глобальной системе координат (Global или World Coordinate System). Чаще всего здесь используется ортогональная, она же декартова (Cartesian), система координат, в которой положение каждой точки задается ее расстоянием от начала координат по трем взаимно перпендикулярным осям X, Y и Z. В некоторых случаях используется и сферическая система координат, в которой положение точки задается удалением от центра и двумя углами направления. В этом «мире» находятся все объекты, которые создает и учитывает приложение, и они имеют определенное взаимное расположение. Пользователю эти объекты могут быть продемонстрированы лишь с помощью графических устройств вывода, из которых наибольший интерес пока представляет собой дисплей. Однако он, как и большинство устройств визуализации, имеет лишь плоский (двумерный) экран с помощью которого необходимо создать иллюзию трехмерного изображения. Здесь упомянем и о существовании стереоскопических систем отображения, дающих больший эффект присутствия наблюдателя в среде изображаемых объектов. Однако и в них тем или иным способом для каждого глаза формируется свое двумерное изображение, так что эту иллюзию приходится создавать дважды с двух точек зрения, несколько смещенных относительно друг друга. Действительно трехмерные устройства вывода уже существуют, но пока что они способны «выводить» лишь статические объекты. Здесь имеется в виду устройство Model Maker (фирма SPI), которое с высокой точностью «выращивает» из пластмассы объекты сложной формы, описание которых поступает из трехмерного приложения САПР.

Пока что сосредоточимся на выводе трехмерного изображения на экран графического дисплея. Как известно, в конечном счете на монитор выводится растровое изображение, сформированное в видеопамяти. На экране мы видим матрицу пикселов размерностью 800 х 600, 1024 х 768, 1280 х 1024 и больше. Каждому пикселу соответствует ячейка видеопамяти, разрядность которой определяет возможности цветопередачи. Наибольший интерес для трехмерной графики представляют режимы, в которых цветом каждого пиксела непосредственно управляют 15-16 бит (High Color) или 24 бита (True Color) ячейки видеопамяти. Режимы с индексным определением цвета (8 бит ячейки видеопамяти выбирают цвет в соответствии с программированием палитр) для реалистичного изображения трехмерных объектов малопригодны.

Графический конвейер

Графический конвейер (Graphic Pipeline) -- это некоторое программно-аппаратное средство, которое преобразует описание объектов в «мире» приложения в матрицу ячеек видеопамяти растрового дисплея.

В глобальных координатах приложение создает объекты, состоящие из трехмерных примитивов. В этом же пространстве располагаются источники освещения, а также определяется точка зрения и направление взгляда наблюдателя. Естественно, что наблюдателю видна только часть объектов: любое тело имеет как видимую (обращенную к наблюдателю), так и невидимую (обратную) сторону. Кроме того, тела могут перекрывать друг друга, полностью или частично. Взаимное расположение объектов относительно друг друга и их видимость зафиксированным наблюдателем обрабатывается на первой стадии графического конвейера, называемой трансформацией (Transformation). На этой стадии выполняются вращения, перемещения и масштабирование объектов, а затем и преобразование из глобального пространства в пространство наблюдения (world-to-viewspace transform), а из него и преобразование в «окно» наблюдения (viewspace-to-window transform), включая и проецирование с учетом перспективы. Попутно с преобразованием из глобального пространства в пространство наблюдения (до него или после) выполняется удаление невидимых поверхностей, что значительно сокращает объем информации, участвующей в дальнейшей обработке. На следующей стадии конвейера (Lighting) определяется освещенность (и цвет) каждой точки проекции объектов, обусловленной установленными источниками освещения и свойствами поверхностей объектов. И, наконец, на стадии растеризации (Rasterization) формируется растровый образ в видеопамяти. На этой стадии на изображения поверхностей наносятся текстуры и выполняется интерполяция интенсивности цвета точек, улучшающая восприятие сформированного изображения. Весь процесс создания растрового изображения трехмерных объектов называется рендерингом (rendering).

Графическое приложение создает модель, в которой объекты задаются как совокупность тел и поверхностей. Тела могут иметь разнообразную форму, описанную каким-либо математическим способом. Проще всего иметь дело с многогранниками, у которых каждая грань представляет собой часть плоскости, ограниченной многоугольником (полигоном). Описание такого тела относительно несложно -- оно состоит из упорядоченного списка вершин. Сложнее дело обстоит с объектами, имеющими не плоские (криволинейные) поверхности. В этом случае в модели поверхности описываются сложными нелинейными уравнениями, однако для дальнейших построений их использование из-за громадных объемов вычислений проблематично. Для упрощения задачи криволинейные поверхности аппроксимируются многоугольниками, и, конечно же, чем мельче многоугольники, тем ближе аппроксимация к модели, но и тем более громоздким становится описание объекта, а следовательно, и больше времени требуется на его обработку. Представление криволинейной поверхности совокупностью плоских граней-многоугольников называется тесселяцией (Tesselation). Слово «tessera», от которого произошел этот термин, означает кубики из смальты, из которых художники собирают мозаику. Как и смальтовые кубики, многоугольники-грани должны быть простыми (не пересекающими себя на манер цифры 8), плоскими и выпуклыми -- эти ограничения заметно упрощают их дальнейшую обработку.

Рендеринг

Обсудим некоторые основные моменты технологии создания трехмерных изображений и поясним связанные с ними термины.

Вполне понятно, что рендеринг модели может производиться только поэлементно. Результатом тесселяции является набор многоугольников (обычно четырехугольников или треугольников, с которыми манипулировать проще), аппроксимирующих поверхности объектов. Плоское растровое представление должно формироваться с учетом взаимного расположения элементов (их поверхностей) -- те из них, что ближе к наблюдателю, естественно, будут перекрывать изображение более удаленных элементов. Многоугольники, оставшиеся после удаления невидимых поверхностей, сортируются по глубине: реалистичную картину удобнее получать, начиная обработку с наиболее удаленных элементов. Для учета взаимного расположения применяют так называемый Z-буфер, названный по имени координаты третьего измерения (X и Y -- координаты в плоскости экрана). Этот буфер представляет собой матрицу ячеек памяти, каждая из которых соответствует ячейке видеопамяти, хранящей цвет одного пиксела. В процессе рендеринга для очередного элемента формируется его растровое изображение (bitmap) и для каждого пиксела этого фрагмента вычисляется параметр глубины Z (координатой его можно назвать лишь условно). В видеопамять этот фрагмент поступает с учетом результата попикселного сравнения информации из Z-буфера, с его собственными значениями. Если глубина Z данного пиксела фрагмента оказывается меньше величины Z той ячейки видеопамяти, куда должен попасть этот фрагмент, это означает, что выводимый элемент оказался ближе к наблюдателю, чем ранее обработанные, отображение которых уже находится в видеопамяти. В этом случае выполняется модификация пиксела видеопамяти, а в ячейку Z-буфера видеопамяти помещается новая величина, взятая от данного фрагмента (что подразумевается под модификацией, поясним позже). Если же результат сравнения иной, то текущий пиксел фрагмента оказывается перекрытым прежде сформированными элементами, и его параметр глубины в Z-буфер не попадет. Однако цвет пиксела видеопамяти, возможно, все равно придется модифицировать: ведь перекрывающий элемент может оказаться прозрачным. Итак, Z-буфер позволяет определить взаимное расположение текущего и ранее сформированного пиксела, которое учитывается при формировании нового значения пиксела в видеопамяти. От разрядности Z-буфера зависит разрешающая способность графического конвейера по глубине. При малой разрядности (например, 8 бит) для близко расположенных элементов рассчитанные значения Z могут совпасть, в результате картина перекрытий исказится. Большая разрядность буфера требует большого объема памяти, доступного графическому процессору. По нынешним меркам минимальная разрядность Z-буфера -- 16 бит, профессиональные графические системы используют 32-битный Z-буфер.

Теперь обсудим модификацию цвета пиксела видеопамяти. В общем случае у нас есть два значения цвета -- С1 для того образа, который «ближе», С2 для того, что «дальше» (по Z-параметру). Результирующий цвет определяется обоими значениями и свойством «прозрачности» ближнего. Для получения нового значения цвета обычно используют так называемый альфа-блендинг (Alpha-blending). Мерой прозрачности объекта является коэффициент а (0 < а < 1), единица соответствует полной непрозрачности. Результирующий цвет пиксела вычисляется по формуле С=С1ха+С2х(1-а), причем за этой формулой стоит в три раза больше операций, поскольку цвет определяется тремя значениями базисных цветов (R, G и В). Для реализации данного метода требуется и свой альфа-буфер с количеством ячеек, по меньшей мере равным числу пикселов на экране. Часто 8-битный коэффициент прозрачности для каждого пиксела хранят прямо в видеопамяти: при 24-битном кодировании цвета от двойного слова (32 бит), выделяемого на пиксел для упрощения адресации и ускорения обмена, как раз остается 8 бит. Такой формат видеопамяти называют RGBA.

Объекты, входящие в модель и представляющие их элементы (тессели), не обязательно однородны по цвету: на их поверхности могут быть наложены текстуры -- растровые картинки, исходно плоские, но как бы к ним приклеенные. Текстура состоит из элементов, называемых текселами (Texel -- Texture Element). Здесь уместна аналогия с созвучным термином пиксел (Picture Element), который относится к элементу изображения на экране и его образу в видеопамяти. Текстуры (в виде матриц текселов) хранятся в памяти. Для каждого многоугольника-частицы отображаемой поверхности вычисляется соответствующий ему участок текстуры -- тоже многоугольник. Далее этот участок должен быть отображен в видеопамять -- текселы должны быть отображены в пикселы. Что должно происходить с рисунком текстуры при изменении положения плоскости, на которую она наносится, легко представить, повертев перед глазами спичечный коробок и наблюдая за этикеткой. Кроме искажения формы при поворотах учитываются и изменения размера картинки текстуры при приближении и удалении объекта от наблюдателя, а также перспектива. Масштабирование и повороты текстур могут приводить к различным искажениям: к примеру, увеличенное и повернутое изображение гладкого горизонтального (или вертикального) отрезка превратится в грубую ступенчатую линию. Кроме того, могут появляться «рваные» края у текстур по линиям их сопряжения. Для улучшения качества представления одной и той же текстуры в разном масштабе применяют так называемый MIPmap -- набор нескольких версий одной и той же текстуры, выполненных с различным разрешением (обычно очередная версия имеет размер в четверть от предыдущей). При рендеринге выбирается та версия, у которой масштаб ближе к требуемому. Дефекты, обусловленные растровым представлением текстуры (векторные изображения в отличие от растровых масштабируются и трансформируются без потери информации), могут быть устранены путем фильтрации -- билинейной, или более сложной -- трилинейной. При билинейной фильтрации (Bilinear Filtering) цвет очередного пиксела, записываемого в видеопамять, определяется с учетом цветов прилегающих к нему четырех соседних пикселов. Трилинейная фильтрация (Trilinear Filtering) сложнее -- здесь билинейная фильтрация выполняется дважды для двух соседних уровней MIPmap, ближайших к требуемому масштабу. Окончательный цвет пиксела определяется интерполяцией этих двух результатов.

Наложение текстур при всех хлопотах, связанных с его реализацией, позволяет упростить описание объектов и ускорить их рендеринг. Так, например, фасад кирпичного здания можно построить, задав поверхности всех кирпичиков, оконных и дверных проемов и т. п. Но если это изображение нужно получить, например, в игре, где воображаемый наблюдатель должен приближаться и удаляться от стены, а также менять угол зрения достаточно быстро, то проще представить ее одной плоскостью с «нарисованными» кирпичами и прочими деталями. На одни и те же объекты часто накладывают несколько текстур -- для имитации освещенности, теней, отражений, рельефа и т. д.

И, наконец, когда все объекты, расположенные на сцене, уже прорисованы, для большего эффекта объемности можно ввести эффект атмосферной перспективы -- сильно удаленные объекты подернуть дымкой (туманом). Это несложно сделать, используя для попикселного смешивания цветов тумана и объектов информацию о глубине из Z-буфера: чем больше Z, тем больше на результирующий цвет влияет туман и меньше цвет исходного пиксела.

В последнее время стали использовать и трехмерные текстуры (3D textures) -- трехмерные массивы пикселов. Они позволяют, например, имитировать объемный туман, динамические источники света (языки пламени).

Шина АGP

Несмотря на все преимущества шины PCI, ее возможностей было недостаточно в условиях растущей нагрузки на систему. Причина заключается в том, что новое поколение графических микросхем работает одновременно с 3-мерной графикой и видео. Только для управления пользовательским графическим интерфейсом требуется половина пропускной способности шины.

По мере увеличения разрешения и глубины цвета требования к пропускной способности шины, связывающей дисплейный адаптер с памятью и центральным процессором компьютера, повышаются. Одно из решений состоит в уменьшении потока графических данных, передаваемых по шине. Для этого графические платы снабжают акселераторами и увеличивают объем видеопамяти, которой пользуется акселератор при выполнении построений. В результате поток данных в основном циркулирует внутри графической карты, слабо нагружая внешнюю шину. Однако при трехмерных построениях акселератору становится тесно в ограниченном объеме локальной памяти графического адаптера, и его поток данных снова выплескивается на внешнюю шину.

Фирма Intel на базе шины PCI 2.1 разработала стандарт подключения графических адаптеров -- AGP (Accelerated Graphic Port -- ускоренный графический порт). Первая версия стандарта вышла в 1996 году, потом версия 2.0 (1998 г.), отличающаяся от первой в основном введением нового режима передачи 4х. В конце 2000 года Intel опубликовала спецификацию AGP8х, которая рассматривается как отдельная спецификация, a не просто развитие предыдущих. Ее особенности отметим в конце раздела. Порт AGP предназначен только для интеллектуального графического адаптера, имеющего 3D-акселератор; для краткости здесь этот адаптер будем называть просто акселератором.

Шина AGP была разработана на основе архитектуры шины PCI, поэтому она также является 32-разрядной. Вместе с тем, у нее имеется ряд важных отличий от шины PCI, позволяющих в несколько раз увеличить пропускную способность.

Использование более высоких тактовых эквивалентных частот (режимы 2, 4, 8)

Демультиплексирование (режим SBA)

Пакетная передача данных

Режим прямого исполнения в системной памяти (DiME)

Рассмотрим эти особенности более подробно.

Режимы 1х, 2х, 4х, 8х

Если шина PCI в стандартном варианте (32-разрядная) имеет тактовую частоту 33 МГц. что обеспечивает теоретически пропускную способность шины PCI 33x32 = 1056 бит/с = 132 Мбайт/с, то шина AGP тактируется сигналом с частотой 66.6 МГц (это соответствует так называемому режиму 1х).

В режиме 1х данные (4 байта на AD[31:0]) фиксируются получателем по положительному перепаду каждого такта CLK, что обеспечивает пиковую пропускную способность 66,6 х 4 = 266 Мбайт/с.

Тактовый сигнал CLK формирует сигналы управления, но не стробирует передачу данных.

Помимо режима 1х, стандартом AGP Revision 1.0 предусмотрен режим 2х, в котором вводится тактовый сигнал AD_STBx по переднему AD_STBO и заднему фронту AD_STB1 которого производится передача данных для линий AD[0:15] и AD[16:31] соответственно. Стробы формируются источником данных, приемник фиксирует данные и по спаду, и по фронту строба. Частота стробов совпадает с частотой CLK, что и обеспечивает пиковую пропускную способность 66,6 х 2 х 4 - 533 Мбайт/с.

В режиме 4х был введен дополнительный сигнал AD_STBx# (стробы AD_STBO# и AD_STB1#, рис. 3.12).

Рис. 3.12 Передача данных в режиме 4х

В режиме 4х эквивалентная тактовая частота составила 266 МГц, а пропускная способность ~ 1 Гбайт/с.

В режиме 8x сигналы AD_STBx и AD_STBx# были переименованы в AD_STBS и AD_STBF и частота была увеличена до 266 MГц что увеличило пропускную способность до 533 МТ/с (~2ГВ/с). Данные передаются или по переднему фронту или по заднему фронту сигналов AD_STBS и AD_STBF.

Рис. 3.13 Передача данных в режиме 8х

Pipelining -- конвейерная (пакетная), передача данных

При обращении к памяти через шину ввода/вывода обязательно возникают задержки, т.е. между моментом выставления кода адреса и моментом получения кода данных проходит какое-то время. При обмене через шину PCI эта задержка возникает при каждом обращении. Шина AGP, в отличие от PCI, предусматривает pipelining -- конвейерную (пакетную) передачу данных (рис. 3.14), при которой новый запрос (код адреса) выставляется на шине сразу же после предыдущего, т.е. запросы выстраиваются в очередь (ее длина может достигать 256). Все запрошенные данные передаются по шине также в виде непрерывного пакета. В результате этого задержка получения данных может возникнуть только один раз, что значительно повышает скорость обмена данными через шину AGP по сравнению с обменом через шину PCI.

Рис. 3.14 Циклы обращения к памяти PCI и AGP

Демультиплексирование

Как известно, шина PCI является мультиплексированной (переключаемой): одни и те же 32 линии AD0 -- AD31 сначала используются для передачи кода адреса, а затем -- кода данных. Иногда такой режим называют AD (Address -- Data).

Шина AGP также может работать в режиме AD, однако она допускает применение режима SBA (Side-Band Addressing -- Адресация по боковой полосе), при котором для передачи кода адреса используются восемь дополнительных линий разъема AGP, именуемых SB0 -- SB7. Поскольку код адреса, как и код данных -- 32-разрядные, то такое разделение является частичным демультиплексированием (для полного демультиплексирования надо выделить 32 линии вместо 8, а это весьма дорого).

Заметим, что название Side-Band Addressing не совсем точно отражает суть данного режима, поскольку термин Side Band (Боковая полоса частот) традиционно используется применительно к радиоканалам, для которых уместно говорить об основной и боковой полосе выделенных частот. В шине AGP, как известно, выделяется не дополнительная полоса частот, а отдельная 8-разрядная линия передачи данных.

Режим SBA используется только в режиме 2х, причем при пакетной передаче. Для выполнения адресации в режиме SBA используется три такта синхронизации (при этом, с учетом режима 2х, по проводам SB0 -- SB7 передается 6 байт). В течение первых двух тактов передаются 4 байта адреса, а в течение третьего такта -- 1 байт длины запроса и 1 байт команды. Провода AD0 -- AD31 шины AGP в режиме SBA используются исключительно для передачи данных, поэтому скорость передачи данных в данном режиме существенно выше, чем в режиме AD.

Режим прямого исполнения в системной памяти (DiME)

Стандарт AGP был разработан для использования видеоадаптером системной памяти и следует оговорить режимы ее использования. Для видеоадаптера с интерфейсом AGP возможны два режима работы с системной памятью: DMA и DiME (DME).

Традиционным является режим DMA (Direct Memory Access -- Прямой доступ к памяти), причем он, как известно, используется не только видеоадаптером, но и другими периферийными устройствами PC, имеющими более или менее интеллектуальный контроллер (например, накопители на магнитных дисках, звуковые карты и др.). Цель режима DMA ясна из его названия -- обеспечить прямой обмен данными между устройством и системной памятью, минуя регистры центрального процессора (напомним, что второй вариант носит название PIO -- Программный ввод/вывод). Когда 3D-акселератор работает в режиме DMA, основной для него является локальная память (именно в ней производятся все операции обработки текстур), а системная память используется только в качестве "хранилища", поэтому обмен данными по шине AGP в режиме DMA ведется большими последовательными пакетами. Значительного выигрыша в скорости работы по сравнению с интерфейсом PCI в данном режиме обычно не наблюдается.

Совершенно иначе обстоит дело в режиме DME или DiME (Direct Memory Execution - непосредственное выполнение операций с текстурами в основной памяти компьютера). В этом режиме локальная и системная память являются для графического процессора 3D-акселератора равноценными и адресуются одинаково.

В результате появляется возможность выполнить предварительную обработку текстуры в системной памяти, а в локальную память загрузить только ее окончательный вариант. Это кардинальным образом меняет характер информационного обмена -- в режиме DiME обмен ведется главным образом короткими пакетами. Именно в режиме DiME радикально ускоряется выполнение операций с текстурами при их хранении в системной памяти. Поэтому только в нем 3D-акселератор с интерфейсом AGP существенно превосходит аналогичную плату с интерфейсом PCI.

Графический адаптер с интерфейсом AGP может быть встроен в системную плату, а может располагаться и на карте расширения, установленной в слот AGP. Внешне карты с портом AGP похожи на PCI (рис. 3.15), но у них используется разъем повышенной плотности с «двухэтажным» (как у EISA) расположением ламелей. Сам разъем располагается дальше от задней кромки платы, чем разъем PCI.

Рис. 3.15 Слоты AGP

Конструктивно разъем AGP напоминает слот PCI, однако он несколько выше. В зависимости от поддерживаемого напряжения питания различают слоты AGP:

слот AGP на 3,3В (имеет ключ-перемычку, расположенную ближе к тыльной части материнской платы);

слот AGP на 1,5В (имеет ключ-перемычку, расположенную ближе к лицевой части материнской платы);

универсальные слоты AGP подходит для использования обоих напряжений (ключ-перемычка отсутствует).

Кроме собственно AGP в порте AGP заложены сигналы шины USB, которую предполагается заводить в монитор.

PCI Express

Интерфейс PCI Express (первоначальное название - 3GIO(3D Generation Input/Output)) использует концепцию PCI, однако физическая их реализация кардинально отличается. На физическом уровне PCI Express представляет собой не шину, а некое подобие сетевого взаимодействия на основе последовательного протокола.

Одна из концептуальных особенностей интерфейса PCI Express, позволяющая существенно повысить производительность системы, - использование топологии "звезда". В топологии "шина" (рис. 3.16а) устройствам приходится разделять пропускную способность PCI между собой. При топологии "звезда" (рис. 3.16б) каждое устройство монопольно использует канал, связывающий его с концентратором (switch) PCI Express, не деля ни с кем пропускную способность этого канала.

Рис. 3.16 Сравнение топологий PCI и PCI Express

Канал (link), связывающий устройство с концентратором PCI Express, представляет собой совокупность дуплексных последовательных (однобитных) линий связи, называемых полосами (lane). Дуплексный характер полос также контрастирует с архитектурой PCI, в которой шина данных - полудуплексная (в один момент времени передача выполняется только в определенном направлении). На электрическом уровне каждая полоса соответствует двум парам проводников с дифференциальным кодированием сигналов (LVDS - Low Voltage Differential Signaling). Одна пара используется для приема, другая - для передачи.