Учебники 80389

шин. Перспективным является переход на многоядерные системы и распределенные вычисления.

В графических процессорах многоядерность уже, в некотором смысле, реализована - это те самые пиксельные конвейеры, однако речь теперь идет о двух и более полноценных GPU в одной системе.

Идея использования распределенных вычислений в 3D-графике отнюдь не нова. Например, для обсчета трехмерных анимационных фильмов применяются кластеры графических станций Silicon Graphics, Inc. Интерфейсы прикладного программирования (API) этой фирмы позволяют переводить программное обеспечение, разработанное для одного CPU и графического процессора, на многопроцессорные системы. Массивы видеадаптеров используются также в военных авиационных тренажерах, где необходимо создать высокую степень реализма и детализации.

Фирмы ATI и NVIDIA уже довольно давно выпускают профессиональные GPU (семейства NVIDIA Quadro и ATI FireGL), которые используются в профессиональных графических станциях парами и могут работать в связке.

Впервые на пользовательском рынке технологическое решение, использующее массив из двух графических ускорителей, было представлено в 1998 году небезызвестной фирмой 3Dfx в устройстве 3DFX VOODOO2 GRAPHICS. Ускоритель располагался на отдельной PCI-плате, которая устанавливалась в шину и подключалась между монитором и основным видеоадаптером.

Технология SLI (тогда это расшифровывалось как Scan Line Interleaving - Чересстрочное Сканирование Кадра) позволяла задействовать еще один такой же графический ускоритель (рис.8.34). Вторая плата вставлялась в соседний PCI-слот или через слот и подключалась только к ведущему 3D-адаптеру гибким шлейфом, похожим на кабель FDD (дисковода). Таким образом, на шине был занят еще один разъем (то есть всего 3 PCI слота на видеосистему),

Рис.8.34 Двойной и тройного SLI блок на видеокарте Geforce 8800

а сзади корпуса появлялся еще один набор незадействованных входов для монитора и провода-переходника. Основным принципом и одновременно недостатком SLI от 3Dfx было то, что чередование строк происходило с последующим объединением в аналоговом режиме, то есть каждый адаптер обсчитывал свои строки и записывал в свою видеопамять, а потом ЦАП (цифро-

221

аналоговый преобразователь) соответствующей платы выводил строчку на монитор. При таком подходе из-за возможных различий в характеристиках ЦАП могли наблюдаться различные артефакты.

Ускорители, в основном, занимались текстурированием - всю геометрию все равно брал на себя процессор. Тем не менее, SLI позволяла получить в играх того времени прирост fps от 10% до 55% в зависимости от разрешения.

С объединением 2D-адаптера и 3D-ускорителя на одной плате и появлением AGP об технологии SLI пришлось забыть.

После приобретения фирмой NVIDIA компании 3Dfx , она стала продолжать разработку технологии SLI.

Возрождая эту технологию, компания NVIDIA немного изменила ее название, и вместо Scan Line Interleaving появился на свет Scalable Link Interface (Масштабируемый Интерфейс Соединений). Однако ее суть осталась прежней - распределив нагрузку между двумя работающими вместе видеокартами, получить увеличение производительности видеоподсистемы. Реализация данной идеи стала возможной благодаря появлению шины PCI Express, которая со временем должна заменить устаревшие PCI и AGP.

Первоначально многочиповая технология ATI называлась MultiRendering, позже ей было присвоено имя ATI CrossFire. По своей сути CrossFire аналогична SLI. «Перекрестный огонь», а именно так переводится с английского CrossFire, объединяет между собой две видеокарты для работы над одной 3D-сценой. Для организации массива видеоадаптеров

ATI необходима видеокарта Radeon X800/X850 CrossFire Edition. Каждая из карт обсчитывает свою порцию информации, а затем ведущая карта через свой видеобуфер выводит результат на дисплей. За счет распределения нагрузки между двумя картами пользователь и получает в итоге большую производительность или лучшее качество изображения - все зависит от настроек.

При включении SLI одна из видеокарт становится ведущей, а вторая - ведомой. На чипсетах Intel ведущей является видеокарта, расположенная ближе к процессору, тогда как для систем на базе AMD выбор ведущей платы происходит каждый раз при загрузке системы.

Нынешняя реализация SLI выгодно отличается от технологии 3Dfx тем, что части изображения, обработанные каждым из двух адаптеров, не выводятся в аналоговом виде соответствующим ЦАП, а объединяются в единый кадр в цифровом виде на уровне GPU. Для передачи данных по SLI-мосту на скорости около 1 ГБайта/сек без загрузки шины PCI Express в чипе предусмотрен специальный набор логики. Таким образом, исключается внесение искажений при преобразованиях графической информации из цифровой в аналоговую форму.

Для работы видеокарт недостаточно просто материнской платы, которая поддерживает SLI. Необходимо, чтобы сами карты поддерживали этот режим. Для этого пригодны платы класса 6600GT/6800/LE/GT/U + се-

222

рия Quadro с интерфейсом PCI Express. Также требуется, чтобы платы были одинаковыми по характеристикам и от одного производителя, хотя, как показывает практика, последним условием иногда можно пренебречь.

Режимы работы SLI. В современной реализации SLI существуют сле-

дующие режимы: Alternate Frame Rendering (AFR) и Split Frame Rendering (SFR).

В AFR-режиме каждая из видеокарт обрабатывает свой кадр. Процессор отсылает информацию для обработки первой карте и, не дожидаясь пока она ее обработает, отправляет данные на обработку второй карте. Получается, что ведущий видеоадаптер обрабатывает первый кадр, а ведомый уже следующий. Кадр, обработанный ведомым видеоадаптером, по SLIмосту отсылается ведущему, поскольку именно он отвечает за вывод на дисплей финального изображения.

SFR же больше напоминает реализацию от 3Dfx. Только здесь кадр делится на две неравные части и, каждая видеокарта обрабатывает свою. Если бы кадр делился пополам, то нагрузка на видеокарты была бы разной. Например, в любом 3D-шутере, где много "открытых" пространств, нижняя часть кадра загружена сильнее (ландшафт, персонажи, строения и т.д.), тогда как в верхней части зачастую кроме неба ничего нет. Очевидно, что видеокарте, обрабатывающей нижнюю часть кадра, приходится несладко, а карта, обсчитывающая верхнюю часть, почти все время простаивает. Во избежание таких ситуаций, драйвер распределяет нагрузку между картами, чтобы каждая из них работала в полную силу. Эта технология называется

Dynamic Load-Balancing.

Распределением нагрузки между картами занимается драйвер, приложение не замечает наличие двух карт. Работа драйвера абсолютно "прозрачна" для системы, то есть она функционирует так же, как будто на борту и нет никакого SLI. Оптимизированные профили для большинства популярных игр вносятся непосредственно в драйвер. Эффективность зависит от самого приложения и от режима рендеринга (AFR или SFR). Если брать игры, то в некоторых из них возможен выигрыш в производительности до 90%, а в синтетических тестах можно наблюдать и ее удвоение. Но в большинстве случаев производительность увеличивается на 70-80%. Производительность трех видеокарт неплохо масштабируется (рис.8.34). Использование третьей видеокарты повышает производительность в среднем на 40% по сравнению с традиционным режимом SLI для высоких разрешений экрана. А одиночная видеокарта медленнее связки из трех в 2,5 раза.

8.3.10. Аппаратное ускорение физики в играх

Новым витком развития игровых видеокарт становится эра ускорителей физики в играх (натурализация движения и свойств естественных сред, взаимодействия между объектами и т.д.). В марте 2005, никому не известная на тот момент компания AGEIA объявила о разработке первого

223

в истории аппаратного ускорителя физики.

Сейчас существует около десятка технологий по расчёту физик в играх, которые давно и прочно вошли в индустрию: Meqon, Havok, MathEngine, Tokomak, Newton, Karma… Компания AGEIA и чип PhysX

стали первопроходцами в деле аппаратного ускорения.

PhysX – это чип, который называется PPU (Physics Processing Unit) и

будет брать на себя все задачи, стоящие перед физическим движком – или хотя бы большую их часть. Сейчас вся нагрузка уходит на центральный процессор и частично на процессор видеокарты. PhysX будет обсчитывать траектории движения различных объектов после столкновения, поведение жидкостей в различных условиях, симулировать траву, волосы, ткань, шерсть, кроны деревьев, волны на водной поверхности. Вообще всё.

Технические характеристики устройства. Поставляться оно будет как отдельная плата (внешне очень походит на обыкновенную видеокарту, только без каких-либо выходов) для слота PCI (чуть позже выйдет и версия для PCI-express). Изготавливается чип по 130-нанометровому техпроцессу, а число транзисторов составит около 125 млн. (для сравнения: у GeForce 6600 количество транзисторов составляет 143 млн., у Radeon X1600 – 157 млн.). Плата с PhysX будет потреблять 25 Вт энергии. Что касается памяти, что на борту у первых образцов установлено 128 Мбайт GDDR.

На данный момент вышли всего две карты на базе PhysX. Одна из них – ASUS PhysX P1, вторая – от производителя BFG. Пока единственным приспособленным к PhysX является Novodex, но AGEIA ведёт переговоры с другими производителями физического ПО.

ATI Physics. Компания ATI представила фирменную систему расчета физики. Примерные цифры, характеризующие производительность предлагаемого решения: ...видеокарта Radeon X1600 XT имеет показатели в 2 раза выше, чем продукт AGEIA. А если учесть, что стоимость ускорителей AGEIA в два раза выше, то перевес X1600 XT становится еще более внушительным. Что касается X1900 XTX, то ее показатели в 9 раз выше AGEIA…

Любой современный видеопроцессор идеально приспособлен для одновременных вычислений над массой объектов. Это проистекает из определения графического ускорителя и возлагаемых на него задач. Если говорить проще, то при расчете каждого кадра вновь рассчитывается очень много точек изображения, а в трехмерном пространстве эта задача сводится к пересчету различных матриц. Чтобы такая работа выполнялась быстро и одновременно, графические ускорители содержат по нескольку параллельных вычислительных блоков, часто называемых конвейерами. В терминологии ATI - это Data Parallel Processor (процессор параллельной обработки данных). Рисунок 8.35 иллюстрирует этот процесс.

Расчет физических эффектов применительно к обычной графике, осуществляется по сути тем же способом что и расчет физики в играх. Одни и те же операции применяются к большому числу объектов и должны выполняться параллельно. А что касается трактовки физического смысла

224

полученных цифр, то видеоускорителю совершенно все равно, является ли полученное число номером цвета в палитре, координатой точки или же величиной скорости/ускорения какой-то частицы-объекта (рис.8.35).

DPP Output (Color Unit)

Рис.8.35. Структура видеоускорителя ATI Physics

Сходство вычислительных задач подтолкнуло ATI к возможности расчет физики на видеоускорителе, а не на спецвычислителе (AGEIA). Для этого было введено такое понятие, как DPP Abstraction Layer - уровень абстракции для процессора параллельных вычислений. (Под процессором здесь подразумевается именно GPU). В итоге видеопроцессору, спрятанному за DPP Abstraction Layer все равно, какие данные обсчитывать, и он делает это в привычной манере, не заботясь о физическом смысле получаемых цифр, потому что этим как раз и занимается DPP Abstraction Layer, связанный с "физическим" движком. На рис.8.36 слева две одинаковые видеокарты X1900 выполняют разные функции, одна является классическим видеоускорителем а другая выполняет роль укорителя физики. На (рис.8.36) справа представлена система, построенная на трех X1900, два из которых были объединены в CrossFire, а третий выполнял роль ускорителя "физики". На самом деле, требование идентичности типов всех трех видеокарт необязательно. Потому что при всем сходстве методов обработки данных, рендеринг и расчет "физики" задачи разные, и нет необходимости в одинаковых видеокартах для эффективной балансировки нагрузки. Именно это и имеет ввиду ATI, говоря об асимметричных конфигурациях, и даже приводит в пример Radeon X1600 как физический ускоритель.

Для пользователей при апгрейде и покупке новой мощной видеокарты "старый" Radeon можно оставить в качестве ускорителя "физики"! ("старый" Radeon должен быть не ниже уровня X1600.

225

Рис.8.36 Физические ускорители ATI

ATI использует интерфейс программирования (API) от движка Havok FX, а не широко рекламируемый сейчас AGEIA PhysX API.

Основная задача в создании "физических ускорителей" состоит не только в том, чтобы увеличить количество генерируемых кадров в секунду, а в большей степени в том, чтобы значительно улучшить реалистичность создаваемого изображения и поведения объектов.

8.3.11. ТВ-тюнеры

Компьютерные телевизионные приемники (TV-тюнеры, tuner – механизм настройки, переключатель программ), с точки зрения современных ПК, относятся к устройствам мультимедиа, расширяющим возможности персональных компьютеров, предоставляя пользователю возможность просматривать телевизионные трансляции на экране монитора ПК. По сравнению с обычным телеприёмником, компьютер имеет массу преимуществ. Не отрываясь от работы с той или иной программой, при помощи ТВ-тюнера можно осуществлять просмотр телепередач в соседнем окошке. Их можно записывать - в том числе, и по таймеру. Размер окна просмотра можно с лёгкостью менять, а само окно - перемещать в любое место экрана. Тюнер поможет оцифровать старые аналоговые видеозаписи; с его помощью можно принимать цифровые телеканалы, а ведь DVB-T-тюнером оснащён далеко не каждый современный телевизор.

Практически любой компьютерный ТВ-приемник состоит из трех функциональных блоков.

Первый - это непосредственно тюнер. Он отвечает за прием сигнала, его стабилизацию, очистку от помех (современные устройства неплохо с этим справляются) и усиление. Внутри данного блока присутствует электронный переключатель (мультиплексор), который выбирает источник видеосигнала

226

большинство современных ТВ-тюнеров, кроме приема эфирного или кабельного ТВ, могут получать и оцифровывать аналоговое видео, для чего оборудуются разъемами RCA и S-Video для работы с композитным или цветоразностным сигналом (рис.8.37).

Обычно блок приемника (ВЧ-блок) заключен в металлический экранированный корпус, это и есть знакомая многим пользователям "коробочка" с антенным входом, размещенная на плате ТВ-тюнера. Производством таких унифицированных блоков занимаются компании LG, Philips, Samsung, Sharp и еще несколько менее известных. Большинство поставляющихся в Россию тюнеров использует ВЧ-блоки компаний Philips или LG: именно они лучше всего приспособлены для приема отечественного эфирного телевидения. Качество приема у этих блоков примерно одинаково, хотя принято считать, что лучший выбор на сегодня - Philips FQ1216ME/I Н-3.

Рис.8.38.ТВ-тюнеры с классическим ВЧ блоком: Pinnacle PCTV Pro и AVerTV Studio 709

На сегодняшний день в тюнерах используется два типа ВЧ блоков: выполненные по традиционной технологии (рис.8.38), и так называемые «силиконовые» (рис.8.39).

Классический ВЧблок, выполнен по традиционной технологии, представляет собой относительно большой экранированный блок, собранный из дискретных активных и пассивных элементов, в то время как «силиконовый» блок, представляет собой маленькую микросхему, все элементы которой выполнены на кремниевом кристалле.

Классический блок осуществляет перенос ТВ сигнала на более низкую частоту, которая в последствии приходит на АЦП для дискретизации, таким образом оцифровывается не сам ТВ сигнал а его смещенная копия. Такой прием был обусловлен отсутствием аналого-цифровых преобразователей (АЦП) способных дискретизировать непосредственно ТВ сигнал. В настоящее время ситуация меняется, за счет создания высокопроизводительных АЦП способных оцифровывать непосредственно высокочастотный ТВ сигнал, такое АЦП называют «Силиконовый» ВЧблок. «Силиконовый» ВЧблок занимает заметно меньше места (рис.8.39), чем «классический», что позволяет уменьшать размеры тюнера. Активно развивается направление создания тюнеров с двумя независимыми каналами приема

227

Рис.8.39 ТВ-тюнеры с «силиконовым» ВЧ блоком: AVerTV Hybrid Speedy PCI-E (слева), AVerTV Duo Hybrid PCI-E II (справа).

ТВ сигнала. Такие устройства позволяют одновременно просматривать и записывать разные каналы.

Откуда бы ни пришел аналоговый видеосигнал, он передается на второй функциональный блок тюнера - блок оцифровки. Его основа - аналоговоцифровой преобразователь (АЦП). Микросхема АЦП дискретизирует аналоговый видеосигнал, переводя его в цифровое представление для дальнейшей обработки компьютером. Современные микросхемы (в настоящее время наиболее популярны микросхемы семейства Philips SAA713x, обеспечивающее высокое качество обработки, также все чаще используются микросхемы Conexant СХ2388х), в отличие от преобразователей предыдущего поколения (в первую очередь семейства микросхем Conexant Bt8x8 и их аналогов), корректно реализуют совмещение цветов. Изображение избавлено от цветных окантовок по резким контурам, бывших настоящим бичом ТВ-тюнеров предыдущего поколения. Реализованный в Philips SAA713x АЦП - 9-бит, Conexant CX2388x имеет разрядность 10 бит, микросхемы предыдущего поколения 8-бит, т. е. они обеспечивают меньшую точность АЦпреобразования. Обработка сигнала ведется в реальном времени, поэтому схема АЦП должна работать на достаточно высоких частотах - не менее 20 МГц. АЦП могут отличатся возможностью захвата стереозвука (вещание ОРТ и MTV) в формате NICAM и или работой с сигналом SECAM.

Третий функциональный блок тюнера - модуль хронометража и синхронизации, работающий в паре с АЦП. Он связывает оцифрованный видеосигнал с аналоговым. В серьезных устройствах видеозахвата существуют специальные дополнительные схемы синхронизации (помогают, если при оцифровке были пропущены или, наоборот, продублированы кадры). Для тюнеров важность этого блока не очень высока, во всех моделях он работает достаточно хорошо.

Телевизионный сигнал. Поскольку телевидение появилось достаточно давно - в 1930-х гг., формат вещания довольно сложен. Дело в том, что изначально требовалось передавать только информацию о яркости, так как изо-

228

бражение было монохромным. В дальнейшем при переходе к цветному телевидению было необходимо обеспечить совместимость с используемыми чер- но-белыми телеприемниками. Телевизионный сигнал в формате YUV несет информацию о яркости (Y) и цветности (UV), черно-белый телевизор использует только Y-компоненту, которая вычленяется из сигнала.

Телевизионный сигнал YUV формируется из яркостного сигнала Y, цветности красного U и цветности синего V, вычисляемых по следующим

По виду вычислений понятно, почему сигнал называется цветояркостным, название "композитный" возникло из-за того, что вместе передаются данные и о яркости, и о цветности точки. Для перевода в стандартное для компьютеров представление RGB (опорные цвета R - красный, G - зеленый, В - синий) необходимо произвести преобразование, обратное рассмотренному выше:

R = Y + U; G = Y - 0,509U - 0,194V; B = Y + V.

Обратным преобразованием и занимается ТВ-тюнер (в обычном телевизоре тоже происходит такое преобразование, ведь элементы люминофора на ЭЛТ тех же цветов - RGB). Разумеется, первый вопрос - почему не передается сразу RGB-представление? Дело в том, что отказаться от компоненты яркости нельзя для совместимости с черно-белыми приемниками, а полный (четырехкомпонентный) видеосигнал RGB + Y потребует для передачи каждого телеканала более широкой полосы пропускания. Следовательно, выделенного для телевидения частотного диапазона хватит на гораздо меньшее число каналов. Для России и СНГ эта проблема не очень актуальна, так как каналов у нас немного, но стандарт есть стандарт - телеприемники работают с сигналом YUV.

При переходе к цветному телевидению пришлось решать проблемы, связанные с искажением информации о цвете точки; она зависит от силы свечения, т. е. яркости. Это дополнительно усложняет телеприемник, а ведь еще существует несколько стандартов вещания: PAL, SECAM, NTSC

имножество их подвидов, отличающихся, помимо прочего, способами передачи звука. К счастью, тип вещания, как правило, унифицирован в пределах одной страны, т. е. тюнеру не обязательно быть универсальным и одинаково хорошо обрабатывать сигналы всех разновидностей. Поставляющиеся на рынок той или иной страны модели специально адаптируются изготовителем под особенности местного телевещания, именно поэтому "серые", ввезенные в обход официальных каналов, тюнеры, как правило, работают хуже или вообще не могут принимать сигнал.

ВРоссии вещание ведется в системе SECAM, для этого формата характерно разрешение 625 твл (телевизионных линий), из них 576 видимых (при захвате эквивалентно 768x576) и 50 полей (что с учетом чересстрочной развертки эквивалентно 25 кадрам/с), аналогичны эти характеристики

идля системы PAL, a принятая в США и Японии система NTSC отличает-

229

ся меньшим разрешением - 525 твл (видимых 480, максимальное разрешение при захвате - 704x480), но большим числом полей - их 60 (30 кадров/с). На практике телевизоры и компьютерные тюнеры не могут обеспечить изображение с максимальным для стандарта разрешением, чаще всего реальное разрешение оказывается в 1,5-2 раза ниже.

ВРоссии используется, как уже было отмечено, система SECAM (D/K), что означает теоретическую возможность захвата видео в довольно высоких разрешениях. Но не стоит обольщаться - захват эфирного сигнала с разрешением выше 640x480 или даже 352x288 не имеет особого смысла даже на самом качественном тюнере со всевозможными системами удаления помех и улучшения изображения. Но и расстраиваться тоже причин нет, это будет в любом случае более высокое разрешение, чем доступно видеомагнитофонам VHS, так что на экране телевизора запись будет выглядеть хорошо.

Запись эфирных трансляций при помощи компьютерного ТВ-тюнера мало отличается от записи на видеомагнитофоне: большинство программ для работы с тюнерами (кстати, многие и, наверное, лучшие из них - российского происхождения) позволяют запрограммировать запись по таймеру точно так же, как видеомагнитофон. Кроме того, предусмотрены уже упомянутые специфические возможности - time shifting (запись и ее одновременное воспроизведение) и захват текущего изображения как статичной картинки.

Внутренние тюнеры

Внутренний ТВ-тюнер похож на внутренний модем или звуковую плату - так же, как и эти устройства, он вставляется в один из свободных слотов PCI или PCI Express (рис.8.38, рис.8.39). Низкопрофильный дизайн некоторых моделей позволяет использовать их в очень компактных системах.

Внастоящее время все материнские платы по-прежнему комплектуются слотами PCI, поэтому большинство тюнеров использует этот интерфейс

Тот факт, что на рынке представлено очень большое число ТВтюнеров, является несомненным плюсом - потребителю легче сделать осознанный выбор. Кроме того, PCI-тюнер будет работать как на любой новой, так и на устаревшей материнской плате.

Более современными являются ТВ-тюнеры, рассчитанные на слоты PCI- E. Таких моделей пока меньшинство, но будущее, несомненно, за ними. Как правило, именно в тюнерах с интерфейсом PCI-E реализованы все инновационные технологии, среди которых поддержка стандарта DVB-T (цифровое телевидение), наличие функции PIP и т.п. Функцию "Картинка в картинке" иногда называют как PIP, что сокращенно означает "Picture In Picture". Минусом PCI-E-тюнеров является невозможность установки в старый компьютер. Крометого, этиустройствастоятчутьдорожесвоихсобратьевсподдержкойPCI.

Внешние тюнеры

Существует два типа внешних тюнеров - подключаемые к ПК через разъём USB, а также автономные модели, не требующие ПК и подключаемые непосредственно к монитору. Сказать, что внешние тюнеры менее компактны, чем внутренние, нельзя - в продаже давно имеются USB-тюнеры размером с

230