Вопросы к экзаменам по лекциям

Вид материала

Лекция

Содержание Цвета или полутона серого цвета Буфер кадра Вывод изображения Система черезстрочной развертки Примерная схема видеоадаптера PCI Express Используется связей 14. 3D-видеоконтроллеры. Определения. Упрощенная схема 3D-контроллера. Примерная схема видеоадаптера 15. Характеристики графических контроллеров. Скоростные и «чисто» технические. Поколения 3D-ускорителей Вершинные процессоры (блоки вершинных шейдеров) Пиксельные процессоры (блоки пиксельных шейдеров) Унифицированные шейдеры Блоки наложения текстур (Texture Mapping Unit, TMU) Блоки растровых операций (Raster Operator Unit, ROP) 17. Создание изображения (конвейер, рендеринг). Стадия "T". Тесселяция Стадия "G". Геометрическая обработка Геометрический процессором ... Полное содержание

Подобный материал:

• Бодрийяр, «Система вещей» ? Вопросы к зачету = вопросы к контрольной работе 17 июня, 61.96kb.
• Проработать все вопросы по лекциям. Вопросы, выделенные курсивом на самостоятельную, 20.25kb.
• Контрольные вопросы к лекциям курса специфика национально-культурной коммуникации вопросы, 40.21kb.
• Л. Н. Гумилева отдел международных образовательных программ экзаменационные вопросы, 38.83kb.
• Вопросы к коллоквиуму по генетике Вопросы к коллоквиуму по генетике Сокращения: л лекции,, 41.18kb.
• Самостоятельная работа Тема Наименование темы, 34.24kb.
• Вопросы к государственным экзаменам по направлению: «Уголовное право, криминология,, 118.02kb.
• Вопросы по конституционному и административному праву к государственным экзаменам, 28.1kb.
• Вопросы к вступительным экзаменам в клиническую ординатуру по акушерству и гинекологии, 59.14kb.
• Данная программа предназначена для подготовки детей к выпускным школьным экзаменам, 343.26kb.

Вопросы к экзаменам по лекциям:(остальная часть вопросов дается отдельно)


8. Организация ресурсов памяти в компьютерной графике. Понятия: буфер кадра, битовая плоскость,
- черно-белый буфер кадра (с одной битовой плоскостью).
- полутоновой черно-белый буфер кадра с N битовыми плоскостями.
- полутоновой черно-белый буфер кадра с N битовыми плоскостями и W-разрядной таблицей цветов.

Чаще всего для графических устройств с растровой ЭЛТ используется буфер кадра. Буфер кадра представляет собой большой непрерывный участок памяти компьютера. Для каждой точки или пиксела в растре отводится как минимум один бит памяти. Эта память называется битовой плоскостью. Для квадратного растра размером 512 ^х 512 требуется 2 ¹⁸, или 262144 бита памяти в одной битовой плоскости. Из-за того, что бит памяти имеет только два состояния (двоичное 0 или 1), имея одну битовую плоскость, можно получить лишь черно-белое изображение. Битовая плоскость является цифровым устройством, тогда как растровая ЭЛТ - аналоговое устройство. Поэтому при считывании информации из буфера кадра и ее выводе на графическое устройство с растровой ЭЛТ должно происходить преобразование из цифрового представления в аналоговый сигнал. Такое преобразование выполняет цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). На рисунке 3 приведена схема графического устройства с черно-белой растровой ЭЛТ, построенного на основе буфера кадра с одной битовой плоскостью.



Цвета или полутона серого цвета могут быть введены в буфер кадра путем использования дополнительных битовых плоскостей. На рисунке 4 показана схема буфера кадра с N битовыми плоскостями для градации серого цвета.



Интенсивность каждого пиксела на ЭЛТ управляется содержимым соответствующих пикселов в каждой из N битовых плоскостей. В соответствующую позицию регистра загружается бинарная величина (0 или 1) из каждой плоскости. Двоичное число, получившееся в результате, интерпретируется как уровень интенсивности между 0 и 2 ^N- 1. Буфер кадра с тремя битовыми плоскостями для растра 512 ^х 512 занимает 786432 (3*512*512) битов памяти.

Число доступных уровней интенсивности можно увеличить, незначительно расширив требуемую для этого память и воспользовавшись таблицей цветов, как схематично показано на рисунке 5.



После считывания из буфера кадра битовых плоскостей получившееся число используется как индекс в таблице цветов. В этой таблице должно содержаться 2 ^N. Каждый ее элемент может содержать W бит, причем W может быть больше N.


9. Организация ресурсов памяти в компьютерной графике. Понятия: буфер кадра, битовая плоскость,
- просой цветной буфер кадра.
- буфер кадра с 256 градаций для каждого из RGB-цветов.

Чаще всего для графических устройств с растровой ЭЛТ используется буфер кадра. Буфер кадра представляет собой большой непрерывный участок памяти компьютера. Для каждой точки или пиксела в растре отводится как минимум один бит памяти. Эта память называется битовой плоскостью. Для квадратного растра размером 512 ^х 512 требуется 2 ¹⁸, или 262144 бита памяти в одной битовой плоскости. Из-за того, что бит памяти имеет только два состояния (двоичное 0 или 1), имея одну битовую плоскость, можно получить лишь черно-белое изображение. Битовая плоскость является цифровым устройством, тогда как растровая ЭЛТ - аналоговое устройство. Поэтому при считывании информации из буфера кадра и ее выводе на графическое устройство с растровой ЭЛТ должно происходить преобразование из цифрового представления в аналоговый сигнал. Такое преобразование выполняет цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).

Поскольку существует три основных цвета, можно реализовать простой цветной буфер кадра с тремя битовыми плоскостями, по одной для каждого из основных цветов. Каждая битовая плоскость управляет индивидуальной электронной пушкой для каждого из трех основных цветов. Три основных цвета, комбинируясь на ЭЛТ, дают восемь цветов. Схема простого цветного растрового буфера показана на рисунке 6. Чтобы увеличить количество цветов для каждой из трех цветовых пушек используется дополнительные битовые плоскости.



Для каждой из трех цветовых пушек могут использоваться дополнительные битовые плоскости. На рисунке рис. 9.6 показан цветной буфер кадра с 8 битовыми плоскостями на каждый цвет, то есть буфер кадра с 24 битовыми плоскостями. Каждая группа битовых плоскостей управляет 8-разрядным ЦАП. Каждая такая группа может генерировать 256 (2⁸) оттенков или интенсивностей красного, зеленого или синего цвета. Их можно скомбинировать в 16777216 ((2⁸)³ = 2²⁴) возможных цветов. Это «полноцветный» буфер кадра.



Полноцветный буфер кадра может быть далее еще увеличен путем использования групп битовых плоскостей в качестве индексов в таблицах цветов. При N битах на цвет и W-разрядных элементах таблиц цветов одновременно может быть показано (2³)^N цветовых оттенков из палитры (2³)^W возможных цветов. Например, при буфере кадра с 24 битовыми плоскостями (N = 8) и тремя 10-разрядными таблицами цветов (W = 10) может быть получено 16777216 (2²⁴) цветовых оттенков из палитры 1073741824 (2³⁰) цветов, то есть около 17 млн. оттенков из палитры, содержащей более миллиарда цветов



10. Организация временных ресурсов в компьютерной графике. Система черезстрочной развертки.

Вывод изображения

Минимальная частота кадров при выводе изображения составляет 25 кадров в секунду. Например, при демонстрации кинофильма демонстрируется 24 кадр/с, но так как каждый кадр показывается дважды, то эффективная скорость воспроизведения получается равной 48 кадр/с. Такое воспроизведение обеспечивает непрерывность вывода изображения; мерцания и подергивания незаметны. Для обеспечения иллюзии непрерывности при выводе изображения на электронно-лучевые трубки телевизионных приемников и мониторов используется черезстрочная развертка. Более простая в аппаратном отношении построчная развертка, к сожалению, не обеспечивает требуемую непрерывность изображения при той же скорости его регенерации. Пока рисуется изображение в верхней половине экрана, нижняя часть изображения успевает погаснуть (свечение люминофора уменьшается со временем), зрительно это проявляется в появлении полос на экране. В черезстрочной развертке строка с меньшей интенсивностью свечения маскируется двумя соседними строками с высокой интенсивностью свечения, создавая иллюзию непрерывности свечения всего изображения.

Система черезстрочной развертки

Рассмотрим скоростной расчет на примере стандарта, принятого в телевидении США — 525 горизонтальных строк, 30 кадров в секунду, отношение ширины к высоте кадра — 4:3.

Сканирование начинается с левого верхнего угла экрана с нечетного поля (см. рис. 9.1). Каждая строка в поле сканируется или представляется слева направо. В то время, как электронный луч движется поперек экрана слева направо, он также перемещается вертикально вниз, но со много меньшей скоростью. При достижении правого края экрана луч делают невидимым и быстро возвращают к левому краю. Такой горизонтальный возврат луча обычно занимает около 17% времени, отведенного для одной сканируемой строки. Затем этот процесс повторяется со следующей нечетной строкой. Время перевода луча из нижнего правого угла в верхний левый угол занимает столько же времени, сколько необходимо для вывода 21 строки, поэтому реально из 525 строк видно 483. Нет 42 cтрок: в это время передается служебная информация.



Время вывода одной строки: t = 1/F * 1/L = 1/30 * 1/525 = 63.5 мкс, где F — число кадров, L — число строк. На перевод луча тратится 63.5 * 17% = 10.8 мкс. На отображение видимой строчки остается 63.5 - 10.8 = 52.7 мкс. Так как стороны экрана соотносятся как 4:3, то в строке умещается 644 пиксела: 483 * 4/3 = 644. Стало быть, время вывода одного пиксела: 53/644 = 82 нс. Отсюда вывод: необходимо использовать память со временем выборки менее 82 нс (например, 70 нс память SIMM), а лучше 40 нс (память DIMM). Если же мы имеем дело с разрешением 1024 * 768, то время вывода одного пиксела составляет 25 нс, и требуется еще более «скорострельная» память и более быстрый цифро-аналоговый преобразователь.


13. Организация видеоподсистемы в компьютерной графике. Шина PCI-Express/

Примерная схема видеоадаптера

ЭЛТ — электронно-лучевая трубка,
А — аналоговый сигнал,
Ц — цифровой сигнал,
БФС — блок формирования сигнала,
ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь,
ЦП — центральный процессор.


PCI Express или PCIe или PCI-E, (также известная как 3GIO for 3rd Generation I/O; не путать с ссылка скрыта или ссылка скрыта) — ссылка скрыта, использующая программную модель шины ссылка скрыта и высокопроизводительный физический протокол, основанный на последовательной передаче данных.

Развитием стандарта PCI Express занимается организация PCI Special Interest Group (ссылка скрыта).

В отличие от шины PCI, использовавшей для передачи данных общую шину, PCI Express, в общем случае, является пакетной сетью с топологией типа звезда, устройства PCI Express взаимодействуют между собой через среду, образованную коммутаторами, при этом каждое устройство напрямую связано соединением типа точка-точка с коммутатором.

Кроме того, шиной PCI Express поддерживается:

• горячая замена карт;
  
• управление энергопотреблением;
  
• контроль целостности передаваемых данных.
  

Разработка стандарта PCI Express была начата фирмой ссылка скрыта после отказа от шины ссылка скрыта. Официально первая базовая спецификация PCI Express появилась в июле 2002 года.

Для подключения устройства PCI Express используется двунаправленное последовательное соединение типа точка-точка, называемое lane.

Соединение между двумя устройствами PCI Express называется link, и состоит из одного (называемого 1x) или нескольких (2x, 4x, 8x, 12x, 16x и 32x) двунаправленных последовательных соединений lane. Каждое устройство должно поддерживать соединение 1x.

PCI Express пересылает всю управляющую информацию, включая прерывания, через те же линии, что используются для передачи данных. Последовательный протокол никогда не может быть заблокирован, таким образом задержки шины PCI Express вполне сравнимы с таковыми для шины PCI (заметим, что шина PCI для передачи сигнала о запросе на прерывание использует отдельные физические линии IRQ#A, IRQ#B, IRQ#C, IRQ#D).

ссылка скрыта соединения lane составляет 2,5 Гбит/с. Для расчета пропускной способности соединения link необходимо учесть то, что в каждом соединении передача ссылка скрыта, а также учесть применение кодирования 8B/10B (8 бит в 10). Например, дуплексная пропускная способность соединения 1x (P_1x) составляет:

ГБ/с

где 2,5 — пропускная способность одного lane, Гбит/с;

2 — учёт того, что соединение 1x состоит из двух lane;

0,8 — коэффициент, учитывающий использование кода 8B/10B;

8 — коэффициент для перевода Гбит/с в ГБ/с.

Пропускная способность, с учётом ссылка скрыта, для шин PCI Express с разным количеством связей указана в таблице:

Используется связей	1x	2x	4x	8x	12x	16x	32x
Пропускная способность PCI Express 1.0, ГБ/c	0,5	1	2	4	6	8	16
Пропускная способность PCI Express 2.0, ГБ/c	1	2	4	8	12	16	32

Рис. 4	Рис. 5

Основной канал PCI Express сотсоит из двух низковольтных, дифференциальных пар сигналов: передающая пара и принимающая пара (см. рис. 8). Начальная частота в 2.5 Giga transfers/second/direction может быть увеличена до 10 Giga transfers/second/direction (это теоретический предел частоты для медного проводника).
	Рис. 8
Пропускная способность PCI Express канала может быть линейно увеличена за счет добавления сигнальных пар. «Физический» слой поддерживает x1, x2, x4, x8, x12, x16 и x32 сигнальных пар в одном канале и распределяет байты данных внутри канала, как показано на рис. 9.
	Рис. 9
В процессе инициализации, каждый из PCI Express каналов автоматически устанавливает частоту и ширину канала в соответствии с возможностями агентов, находящихся на концах канала, при этом не требуется никакого программного обеспечения.

Группа ссылка скрыта выпустила спецификацию PCI Express 2.0 ссылка скрыта ссылка скрыта года.

Основные нововведения в PCI Express 2.0:

• Увеличенная пропускная способность. — cпецификация PCI Express 2.0 определяет максимальную пропускную способность одного соединения lane как 5 Гбит/с, при этом сохранена совместимость с PCI Express 1.1 таким образом, что плата расширения, поддерживающая стандарт PCIE 1.1 может работать, будучи установленной в слот PCIE 2.0. Внесены усовершенствования в протокол передачи между устройствами и программную модель.
  
• Динамическое управление скоростью
  
• Оповещение о пропускной способности
  
• Расширение управляющих регистров.
  
• Службы управления доступом
  
• Управление таймаутом выполнения
  
• Переопределение предела по мощности
  

14. 3D-видеоконтроллеры. Определения. Упрощенная схема 3D-контроллера.

Первоначально областью применения подобных устройств было трехмерное моделирование и САПР, поэтому они выпускались небольшими тиражами, стоили очень дорого (от 1 до 15 тыс. долларов) и были практически недоступны массовому пользователю. Но недавно, когда в роли двигателя прогресса выступили компьютерные игры эволюция видеокарт пошла по пути наделения их все более мощными средствами ускорения трехмерной машинной графики. Видеоадаптеры, способные ускорять операции трехмерной графики, получили название 3D-ускорителей или 3D-акселераторов.

Построение трехмерной сцены происходит следующим образом - в компьютере трехмерные объекты представляются с помощью геометрических моделей, состоящих из сотен и тысяч элементарных геометрических фигур, обычно треугольников. Задаются также пространственное положение источников света, отражательные свойства материала поверхности объекта, степень его прозрачности и т. п. При этом некоторые объекты могут частично загораживать друг друга, между ними может переотражаться свет; пространство может быть не абсолютно прозрачным, а затянутым туманом или дымкой. Для большего реализма необходимо учесть и эффект перспективы. Чтобы поверхность смоделированного объекта не выглядела искусственной, на нее наносится текстура - двухмерная картинка небольшого размера, передающая цвет и фактуру поверхности. Все перечисленные трехмерные объекты с учетом примененных к ним эффектов должны в конечном итоге быть преобразованы в плоское изображение. Эта операция называется рендерингом.

При наличии 3D-ускорителя из всего перечисленного центральный процессор обычно занимается только расчетом координат вершин треугольников при перемещении объектов на сцене (трансформацией), все остальное делает акселератор. Однако в том случае, если 3D-акселератор не может выполнить то или иное действие, оно также выполняется центральным процессором, что, как правило, приводит к сильной потери скорости.

Охарактеризуем болеее подробно наиболее распространенные операции, которые 3D-ускоритель выполняет на аппаратном уровне:

1. Удаление невидимых поверхностей. Обычно выполняется по методу Z-буфера, который заключается в том, что проекции всех точек трехмерной модели объекта на плоскость изображения сортируются в специальной памяти (Z-буфере) по расстоянию от плоскости изображения. В качестве цвета изображения в данной точке выбирается цвет той точки в Z-буфере, которая наиболее близка к плоскости изображения, а остальные точки считаются невидимыми (если не включен эффект прозрачности), так как они загорожены от нас самой первой точкой. Эта операция выполняется подавляющим большинством 3D-ускорителей. В большинстве современных ускорителей предусмотрены 16-разрядные Z-буферы, размещаемые в видеопамяти на плате.
   
2. Закрашивание (Shading) придает треугольникам, составляющим объект, определенный цвет, зависящий от освещенности. Бывает равномерным (Flat Shading), когда каждый треугольник закрашивается равномерно, что вызывает эффект не гладкой поверхности, а многогранника; по Гуро (Gouraud Shading), когда интерполируются значения цвета вдоль каждой грани, что придает криволинейным поверхностям более гладкий вид без видимых ребер; по Фонгу (Phong Shading), когда интерполируются векторы нормали к поверхности, что позволяет добиться максимальной реалистичности, однако требует больших вычислительных затрат и в массовых 3D-ускорителях пока не используется. Большинство 3D-ускорителей умеет выполнять закрашивание по Гуро.
   
3. Отсечение (Clipping) определяет часть объекта, видимую на экране, и обрезает все остальное, чтобы не выполнять лишних расчетов.
   
4. Расчет освещения. Для выполнения этой процедуры часто применяют метод трассировки лучей (Ray Tracing), позволяющий учесть переотражения света между объектами и их прозрачность. Эту операцию с разным качеством умеют выполнять все 3D-ускорители.
   
5. Наложение текстур (Texture Mapping), или наложение плоского растрового изображения на трехмерный объект с целью придания его поверхности большей реалистичности. Например, в результате такого наложения деревянная поверхность будет выглядеть именно как сделанная из дерева, а не из неизвестного однородного материала. Качественные текстуры обычно занимают много места. Для работы с ними применяют 3D-ускорители на шине AGP, которые поддерживают технологию сжатия текстур. Наиболее совершенные карты поддерживают мультитекстурирование - одновременное наложение двух текстур.
   
6. Фильтрация (Filtering) и сглаживание (Anti-aliasing). Под сглаживанием понимается уменьшение искажений текстурных изображений с помощью их интерполяции, особенно на границах, а под фильтрацией понимается способ уменьшения нежелательной "зернистости" при изменении масштаба текстуры при приближении к 3D-объекту или при удалении от него. Известна билинейная фильтрация (Bilinear Filtering), в которой цвет пиксела вычисляется путем линейной интерполяции цветов соседних пикселов, а также более качественная трилинейная фильтрация с использованием MIP-карт (Trilinear MIP Mapping). Под MIP-картами (от лат. Multum in Parvum - "многое в одном") понимается набор текстур с разными масштабами, что позволяет в процессе трилинейной фильтрации выполнять усреднение между соседними пикселами и между соседними MIP-картами. Трилинейная фильтрация дает особенный эффект при наложении текстур на протяженный объект, удаляющийся от наблюдателя. Современные платы поддерживают трилинейную фильтрацию.
   
7. Прозрачность, или альфа-канал изображения (Transparency, Alpha Blending) - это информация о прозрачности объекта, позволяющая строить такие прозрачные и полупрозрачные объекты, как вода, стекло, огонь, туман и дымка. Наложение тумана (Fogging) часто выделяется в отдельную функцию и вычисляется отдельно.
   
8. Смешение цветов, или дизеринг (Dithering) применяется при обработке двух- и трехмерных изображений с большим количеством цветов на устройстве с меньшим их количеством. Этот прием заключается в рисовании малым количеством цветов специального узора, создающего при удалении от него иллюзию использования большего количества цветов. Пример дизеринга - применяемый в полиграфии способ передачи градаций серого цвета за счет нанесения мелких черных точек с различной пространственной частотой. В 3D-ускорителях дизеринг используется для передачи 24-битного цвета в 8- или 16-битных режимах.
   

Для поддержки функций 3D-ускорителя в играх и других программах существует несколько интерфейсов прикладного программирования, или API (Application Program Interface), позволяющих приложению стандартным образом использовать возможности 3D-ускорителя. (Это свонго стандартизированый рода язык управления 3D акселератором). На сегодняшний день существует множество таких интерфейсов, среди которых наиболее известны Direct3D (Microsoft), OpenGL (Silicon Graphics) и Glide (3Dfx).

Интерфейс Direct3D компании Microsoft стал фактическим стандартом для большинства компьютерных игр; и большинство 3D-ускорителей укомплектованы Direct3D-драйверами. Однако стоит иметь в виду, что Direct3D поддерживается только в среде Windows 95/98, а уже в Windows NT большинство плат не поддерживает аппаратных функций ускорения.

Разработанный компанией Silicon Graphics для своих графических станций Iris GL интерфейс прикладного программирования OpenGL стал общепринятым стандартом для программ трехмерного моделирования и САПР. Используемый в профессиональных 3D-ускорителях, он позволяет очень точно описывать параметры сцены. OpenGL в настоящее время является открытым стандартом, контролируемым ассоциацией OpenGL Architecture Review Board, в которую помимо Silicon Graphics входят Digital, IBM, Intel, Intergraph, Microsoft и др. Несмотря на это, существует множество диалектов OpenGL. По распространенности в области компьютерных игр OpenGL уступает Direct3D.

Драйвер 3D-ускорителя может поддерживать OpenGL в двух режимах: усеченном MCD (Mini Client Driver) и полном ICD (Installable Client Driver). Драйвер MCD реализует только базовый набор операций, ICD- высокооптимизированный драйвер, который обеспечивает максимальное быстродействие.

Интерфейс Glide разработан компанией 3Dfx Interactive для производимых ею ускорителей Voodoo. Glide снискал широкое распространение среди производителей компьютерных игр, хотя, в отличие от OpenGL, Glide не является универсальным 3D API и поддерживает только возможности Voodoo.