Видеоадаптеры, классификация, особенности строения и работы

Устройство, которое называется видеоадаптером (или видеоплатой,

видеокартой), есть в каждом компьютере. В виде устройства, интегрированного

в системную плату, либо в качестве самостоятельного компонента – платы

расширения. Главная функция, выполняемая видеокартой, это преобразование

полученной от центрального процессора информации и команд в формат, который

воспринимается электроникой монитора, для создания изображения на экране.

Монитор обычно является неотъемлемой частью любой системы, с помощью

которого пользователь получает визуальную информацию.

Стандартные типы видеоадаптеров

MDA (Monochrome Display Adapter - монохромный адаптер дисплея) -

простейший видеоадаптер, применявшийся в первых IBM PC. Работает в

текстовом режиме с разрешением 80x25 (720x350, матрица символа - 9x14),

поддерживает пять атрибутов текста: обычный, яркий, инверсный, подчеркнутый

и мигающий. Частота строчной развертки - 15 Кгц. Интерфейс с монитором -

цифровой: сигналы синхронизации, основной видеосигнал, дополнительный

сигнал яркости.

HGC (Hercules Graphics Card - графическая карта Hercules) - расширение

MDA с графическим режимом 720x348, разработанное фирмой Hercules.

CGA (Color Graphics Adapter - цветной графический адаптер) - первый

адаптер с графическими возможностями. Работает либо в текстовом режиме с

разрешениями 40x25 и 80x25 (матрица символа - 8x8), либо в графическом с

разрешениями 320x200 или 640x200. В текстовых режимах доступно 256

атрибутов символа - 16 цветов символа и 16 цветов фона (либо 8 цветов фона

и атрибут мигания), в графических режимах доступно четыре палитры по четыре

цвета каждая в режиме 320x200, режим 640x200 - монохромный. Вывод

информации на экран требовал синхронизации с разверткой, в противном случае

возникали конфликты по видеопамяти, проявляющиеся в виде "снега" на экране.

Частота строчной развертки - 15 Кгц. Интерфейс с монитором - цифровой:

сигналы синхронизации, основной видеосигнал (три канала - красный, зеленый,

синий), дополнительный сигнал яркости.

EGA (Enhanced Graphics Adapter - улучшенный графический адаптер) -

дальнейшее развитие CGA, примененное в первых PC AT. Добавлено разрешение

640x350, что в текстовых режимах дает формат 80x25 при матрице символа 8x14

и 80x43 - при матрице 8x8. Количество одновременно отображаемых цветов - по-

прежнему 16, однако палитра расширена до 64 цветов (по два разряда яркости

на каждый цвет). Введен промежуточный буфер для передаваемого на монитор

потока данных, благодаря чему отпала необходимость в синхронизации при

выводе в текстовых режимах. структура видеопамяти сделана на основе так

называемых битовых плоскостей - "слоев", каждый из которых в графическом

режиме содержит биты только своего цвета, а в текстовых режимах по

плоскостям разделяются собственно текст и данные знакогенератора. Совместим

с MDA и CGA. Частоты строчной развертки - 15 и 18 Кгц. Интерфейс с

монитором - цифровой: сигналы синхронизации, видеосигнал (по две линии на

каждый из основных цветов).

MCGA (Multicolor Graphics Adapter - многоцветный графический адаптер) -

введен фирмой IBM в ранних моделях PS/2. Добавлено разрешение 640x400

(текст), что дает формат 80x25 при матрице символа 8x16 и 80x50 - при

матрице 8x8. Количество воспроизводимых цветов увеличено до 262144 (по 64

уровня на каждый из основных цветов). Помимо палитры, введено понятие

таблицы цветов, через которую выполняется преобразование 64-цветного

пространства цветов EGA в пространство цветов MCGA. Введен также видеорежим

320x200x256, в котором вместо битовых плоскостей используется представление

экрана непрерывной областью памяти объемом 64000 байт, где каждый байт

описывает цвет соответствующей ему точки экрана. Совместим с CGA по всем

режимам, а с EGA - по текстовым, за исключением размера матрицы символа.

Частота строчной развертки - 31 Кгц, для эмуляции режимов CGA используется

так называемое двойное сканирование - дублирование каждой строки формата

Nx200 в режиме Nx400. интерфейс с монитором - аналогово-цифpовой: цифровые

сигналы синхронизации, аналоговые сигналы основных цветов, передаваемые

монитору без дискретизации. Поддерживает подключение монохромного монитора

и его автоматическое опознание - при этом в видео-BIOS включается режим

суммирования цветов по так называемой шкале серого (grayscale) для

получения полутонового чеpно-белого изображения. Суммирование выполняется

только при выводе через BIOS - при непосредственной записи в видеопамять на

монитор попадает только сигнал зеленого цвета (если он не имеет встроенного

цветосмесителя).

VGA (Video Graphics Array - множество, или массив, визуальной графики)

- расширение MCGA, совместимое с EGA, введен фирмой IBM в средних моделях

PS/2. Фактический стандарт видеоадаптера с конца 80-х годов. Добавлен

текстовый режим 720x400 для эмуляции MDA и графический режим 640x480 с

доступом через битовые плоскости. В режиме 640x480 используется так

называемая квадратная точка (соотношение количества точек по горизонтали и

вертикали совпадает со стандартным соотношением сторон экрана - 4:3).

Совместим с MDA, CGA и EGA, интерфейс с монитором идентичен MCGA.

IBM 8514/а - специализированный адаптер для работы с высокими

разрешениями (640x480x256 и 1024x768x256), с элементами графического

ускорителя. Не поддерживает видеорежимы VGA. интерфейс с монитором

аналогичен VGA/MCGA.

IBM XGA - следующий специализированный адаптер IBM. расширено цветовое

пространство (режим 640x480x64k), добавлен текстовый режим 132x25

(1056x400). Интерфейс с монитором аналогичен VGA/MCGA.

SVGA (Super VGA - "сверх" VGA) - расширение VGA с добавлением более

высоких разрешений и дополнительного сервиса. Видеорежимы добавляются из

ряда 800x600, 1024x768, 1152x864, 1280x1024, 1600x1200 - все с соотношением

4:3. Цветовое пространство расширено до 65536 (High Color) или 16.7 млн.

(True Color). Также добавляются расширенные текстовые режимы формата

132x25, 132x43, 132x50. Из дополнительного сервиса добавлена поддержка VBE.

Фактический стандарт видеоадаптера примерно с 1992 г.

Устройство типовой видеокарты

Она состоит из четырех основных устройств: памяти, контроллера, ЦАП и

ПЗУ.

Видеопамять служит для хранения изображения. От ее объема зависит

максимально возможное полное разрешение видеокарты – A*B*C, где A -

количество точек по горизонтали, B - по вертикали, и C - количество

возможных цветов каждой точки. Например, для разрешения 640x480x16

достаточно 256 Кб, для 800x600x256 - 512 Кб, для 1024x768x65536 (другое

обозначение - 1024x768x64k) - 2 Мб, и т.д. Поскольку для хранения цветов

отводится целое число разрядов, количество цветов всегда является степенью

двойки (16 цветов - 4 разряда, 256 - 8 разрядов, 64k - 16, и т.д.).

Видеоконтроллер отвечает за вывод изображения из видеопамяти,

регенерацию ее содержимого, формирование сигналов развертки для монитора и

обработку запросов центрального процессора. Для исключения конфликтов при

обращении к памяти со стороны видеоконтроллера и центрального процессора

первый имеет отдельный буфер, который в свободное от обращений ЦП время

заполняется данными из видеопамяти. Если конфликта избежать не удается -

видеоконтроллеру приходится задерживать обращение ЦП к видеопамяти, что

снижает производительность системы; для исключения подобных конфликтов в

ряде карт применялась так называемая двухпортовая память, допускающая

одновременные обращения со стороны двух устройств.

Многие современные видеоконтроллеры является потоковыми - их работа

основана на создании и смешивании воедино нескольких потоков графической

информации. Обычно это основное изображение, на которое накладывается

изображение аппаратного курсора мыши и отдельное изображение в

прямоугольном окне. Видеоконтроллер с потоковой обработкой, а также с

аппаратной поддержкой некоторых типовых функций называется акселератором

или ускорителем, и служит для разгрузки ЦП от рутинных операций по

формированию изображения.

ЦАП (цифроаналоговый преобразователь, DAC) служит для преобразования

результирующего потока данных, формируемого видеоконтроллером, в уровни

интенсивности цвета, подаваемые на монитор. Все современные мониторы

используют аналоговый видеосигнал, поэтому возможный диапазон цветности

изображения определяется только параметрами ЦАП. Большинство ЦАП имеют

разрядность 8x3 - три канала основных цветов (красный, синий, зеленый, RGB)

по 256 уровней яркости на каждый цвет, что в сумме дает 16.7 млн. цветов.

Обычно ЦАП совмещен на одном кристалле с видеоконтроллером.

Видео-ПЗУ - 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, и в результате выполнения им программ из ПЗУ происходят

обращения к видеоконтроллеру и видеопамяти. ПЗУ необходимо только для

первоначального запуска адаптера и работы в режиме MS DOS; операционные

системы с графическим интерфейсом - Windows или OS/2 - практически не

используют ПЗУ для управления адаптером, хотя и могут иметь проблемы в

работе при ошибках в программе BIOS, не найденных разработчиками.

На карте обычно размещаются один или несколько разъемов для внутреннего

соединения; один из них носит название Feature Connector и служит для

предоставления внешним устройствам доступа к видеопамяти и изображению. К

этому разъему может подключаться телеприемник, аппаратный декодер MPEG,

устройство ввода изображения и т.п. На некоторых картах предусмотрены

отдельные разъемы для подобных устройств.

Видеоускорители (акселераторы)

Ускоритель (accelerator) - набор аппаратных возможностей адаптера,

предназначенный для перекладывания части типовых операций по работе с

изображением на встроенный процессор адаптера. Различаются ускорители

графики (graphics accelerator) с поддержкой изображения отрезков, простых

фигур, заливки цветом, вывода курсора мыши и т.п., и ускорители анимации

(video accelerators) - с поддержкой масштабирования элементов изображения и

преобразования цветового пространства.

Почти сразу после появления SVGA, видеоадаптеры стали оснащать

акселераторами для аппаратного ускорения работы с графическими

операционными системами – прорисовкой и заливкой “окон”, аппаратным

курсором “мыши” и пр., а затем и ускорения некоторых простых, но сильно

загружавших процессор операций работы с цифровым видео – MPEG. Вплоть до

переноса на видеочип полного декодера MPEG.

В последнее время в области 2D-графики наметился некоторый застой –

ничего нового в этой области уже не было придумано, все видеоплаты, вплоть

до самых дешевых, почти выровнялись по скорости и качеству изображения.

Однако рынок видеоплат был прямо таки взорван появлением АКСЕЛЕРАТОРОВ

ТРЕХМЕРНОЙ ГРАФИКИ.

Основные понятия 3D-графики

. Артефакты (Artefacts)

Артефакт – недостаток, побочный эффект, изъян, присутствующий в

изображении. Ниже приводятся названия распространенных артефактов (эти

названия используются в описании понятий), и их английские эквиваленты.

Названия в целом условны – у многих предметов нет стандартного названия.

|Размытость |Blur |смазывание мелких |[pic] |

| | |деталей текстуры | |

|Муар |Moire pattern|текстура с |[pic] |

| | |регулярной | |

| | |структурой получает| |

| | |инородный рисунок | |

|Полосы |Mipmap bands |видны границы между|[pic] |

|мипмэппинга | |текстурами с | |

| | |разными | |

| | |мип-уровнями (на | |

| | |рисунке сверху и | |

| | |снизу) | |

|Пикселизация |Pixelization |образование |[pic] |

| | |"квадратов" при | |

| | |сильном | |

| | |растягивании | |

| | |текстуры и | |

| | |отсутствии | |

| | |билинейной | |

| | |фильтрации | |

|Шум |Noise, |текстура теряет |[pic] |

| |sparkling |свою структуру; при| |

| | |движении текстура | |

| | |не двигается, а | |

| | |"шумит" | |

|Нестыковка | |полигоны не |[pic] |

|текстур | |стыкуются между | |

| | |собой, оставляя | |

| | |тонкие светлые или | |

| | |темные промежутки | |

|Лестничный |Jaggies, |зубчатость краев |[pic] |

|эффект |stair-steppin|полигонов и | |

| |g |диагональных линий | |

|Z-алиасинг |Z-aliasing |неправильный расчет|[pic] |

| | |глубины | |

. Альфа-смешение (Alpha blending)

Альфа-смешение – техника создания эффекта полупрозрачности путем

объединения исходного пиксела с пикселом, уже находящимся во фрейм-буфере.

Каждому пикселу обычно ставится в соответствие значения красного, зеленого

и синего компонентов цвета (R,G,B). Если ставится в соответствие еще альфа-

значение, то говорят что пикселы имеют альфа-канал (компонент A в схеме

RGBA). Альфа-значение определяет степень прозрачности конкретного пиксела.

Объекты могут иметь различную прозрачность, например стекло имеет высокий

уровень прозрачности (и таким образом низкое альфа-значение), а желе –

средний уровень. Альфа-смешение есть процесс комбинирования двух объектов

на экране с учетом их альфа-каналов.

Альфа-смешение используется для: антиалиасинга, прозрачности, создания

теней, зеркал, тумана.

. Антиалиасинг (Anti-aliasing)

Алиасинг – результат сэмплинга, то есть преобразования непрерывного

изображение в дискретное. Алиасинг ухудшает качество изображения, вызывая

разнообразные артефакты: лестничный эффект, муар и шум. Антиалиасинг

призван нейтрализовать подобные артефакты и улучшить качество изображения.

По предназначению антиалиасинг делится на краевой и полный.