Видеотерминальные устройства

Для визуального отображения информации используется видеотерминал, состоящий из видеомонитора (дисплея) и видеоконтроллера (адаптера). Видеоконтроллеры входят в состав системного блока ПК (находятся на видеокарте, устанавливаемой в разъем материнской платы), а видеомониторы - это внешние устройства ПК.

Монитор (дисплей)– устройство визуального отображения текстовой и графической информации, преимущественно на экране кинескопа (электронно-лучевой трубке - ЭЛТ).

Мониторы бывают цветныеимонохромные, отличаются размерами, оснащаются средствами регулировки и цветокорректировки. Мониторы могут поддерживать разные типы разрешения (количество точек в выводимом изображении по горизонтали и вертикали).

Большая часть современных настольных компьютеров используют мониторы ЭЛТ с традиционным выгнутым или более современным плоским экраном. Однако в последнее время все более широкое применение находят жидкокристаллические дисплеи (LCD).

Существует ряд других современных технологий производства мониторов, среди которых:

• FED(Field Emission Display— экраны на основе автоэлектронной эмиссии),

• POD(Polyplanar Optics Display— полипланарные оптические дисплеи),

• EL(Electro Luminescent— электролюминесцентные мониторы),

• LED(Light Emitting Diode— устройства на светодиодах),

• LEP(Light Emitting Polymer— светоизлучающие полимеры).

Всостав монитора входят: панель ЭЛТ, блок разверток, видеоусилитель, блок питания и др. В зависимости от вида управляющего лучом сигнала мониторы бываютаналоговыеицифровые.

Принцип действия мониторов на базе ЭЛТ (рис. 6) заключается в том, что формируемый электронной пушкой пучок электронов, попадая на экран, покрытый люминофором, вызывает его свечение. На пути пучка электронов находятся дополнительные электроды: отклоняющая система, позволяющая изменять направление пучка, и модулятор, регулирующий яркость получаемого изображения.

Любое текстовое или графическое изображение на экране монитора компьютера состоит из множества дискретных точек люминофора, называемых пикселами, или элементами изображения (pixel—picture element), поэтому такие дисплеи называют ещерастровыми.

Для формирования растра в мониторе используются специальные управляющие сигналы. В цикле сканирования луч движется по зигзагообразной траектории от левого верхнего угла экрана к нижнему правому. Прямой ход луча по горизонтали осуществляется сигналом строчной (горизонтальной), а по вертикали — кадровой (вертикальной) развертки. Перевод луча из крайней правой точки строки в крайнюю левую точку следующей строки (обратный горизонтальный ход луча) и из крайней правой позиции последней строки экрана в крайнюю левую позицию первой строки (вертикальный обратный ход луча) осуществляется специальными сигналами обратного хода с выключенной яркостью.

В цветных мониторах имеются три электронные пушки с отдельными схемами управления, а на поверхность экрана нанесен люминофор трех основных цветов: красный (Red, R), зеленый (Green, G), синий (Blue, B). В цветном кинескопе имеется либо теневая маска (Shadow Mask), либо апертурная решетка (технологияTrinitron). Они служат для того, чтобы лучи электронных пушек попадали только в точки люминофора соответствующего цвета. Если теневая маска содержит систему отверстий, то апертурная решетка образует систему вертикальных щелей, выполняющих ту же функцию.

К основным параметрам мониторов относятся:

1) кадровая частота монитора(Гц) - во многом определяет устойчивость изображения (чем выше частота кадров, тем устойчивее изображение). В современных качественных мониторах поддерживается частота смены кадров на уровне 70 - 80 Гц;

2) частота строк(кГц) - определяется произведением частоты вертикальной развертки на количество выводимых строк в одном кадре (разрешающая способность по вертикали); обычно она достигает 40-50 кГц.

Практически все современные мониторы мультичастотные, т.е. обладают способностью настраиваться на произвольные значения частот синхросигналов из некоторого заданного диапазона, например 30-84 кГц для строчной и 50-120 Гц для кадровой развертки;

3) полоса видеосигнала(МГц) - определяет самые высокие частоты в видеосигнале.

4) способ формирования изображения. При построчном (non-interlaced) способе все строки кадра выводятся в течение одного периода кадровой развертки, при чересстрочном (interlaced) за один период кадровой развертки выводятся четные строки изображения, а за следующий — нечетные;

5) размер зерна(точки,dot pitch) люминофора экрана монитора - определяет четкость изображения на экране. Чем меньше зерно, тем, естественно, выше четкость и тем меньше устает глаз. Обычно говорят не о размерах самих точек, а о расстоянии между ними (dot pitch). Этот параметр для различных моделей мониторов может лежать в диапазоне от 0,41 до 0,22 мм. Нормальным уровнем считается 0,26-0,28 мм для ЭЛТ с теневой маской и 0,25 мм для ЭЛТ с апертурной решеткой;

6) разрешающая способность монитора- определяется максимальным числом элементов изображения (пикселов), которые воспроизводятся по горизонтали и вертикали. Этот параметр также определяет четкость изображения. Она тем выше, чем меньше размеры точек люминофора на внутренней поверхности экрана. Зависит как от характеристик монитора, так и от характеристик видеоадаптера. Стандартные значения разрешающей способности современных мониторов; 640480, 800600,1024768, 16001200, но реально могут быть и иные значения.;

7) типоразмер экрана монитора. В подавляющем большинстве размеры экрана монитора составляют 9, 12, 14, 15, 16, 17, 19, 20 и 21 дюйм (по диагонали), при этом указывается не диагональ видимого изображения, а диагональ передней панели монитора. Область видимого изображения меньше: так для 17-дюймового монитора она может меняться от 15,5 до 16,2 дюймов у разных производителей.

Среди иных характеристик мониторов следует отметить:

• наличие плоского или выпуклого экрана (первый вариант предпочтительнее: большая прямоугольность изображения, меньшие блики);

• уровень высокочастотного радиоизлучения (увеличивается с увеличением полосы частот видеосигнала, но значительно уменьшается при хорошем экранировании - мониторы с низким уровнем излучения типа LR (Low Radiation);

• наличие защиты экрана от электростатических полей - мониторы типа AS (Anti Static);

• наличие системы энергосбережения - мониторы типа G (Green) и др.

В табл. 5 приведены характеристики некоторых мониторов на базе ЭЛТ.

Таблица 5.

Параметр	CD	ECD	PGS
Разрешающая способность, пикселей (по горизонтали  по вертикали)	640200	800600	1024768
Число цветов	16	64	256
Частота кадров, Гц, не менее	60	60	60
Полоса видеоусилителя, МГц	15	16	30
Видеоконтроллер	CGA	EGP	VGA

В последние года стационарные ПК стали оснащаться мониторами на жидкокристаллических кристаллах(такие экраны изначально используются в переносных ПК).

Жидкий кристалл представляет собой некоторое состояние, в котором вещество обладает некоторыми свойствами как жидкости (текучестью), так и твердых кристаллов (например, анизотропией). Для изготовления ЖК-экранов используют так называемые нематические кристаллы, молекулы которых имеют форму палочек или вытянутых пластинок. ЖК-элемент помимо кристаллов включает в себя прозрачные электроды и поляризаторы. В отсутствие электрического поля молекулы нематических кристаллов образуют скрученные спирали. При прохождении в этот момент луча света через ЖК-элемент плоскость поляризации его поворачивается на некоторый угол. Если на входе и выходе этого элемента поместить поляризаторы, смещенные друг относительно друга на такой же угол, то свет беспрепятственно сможет проходить через этот элемент. Если же к прозрачным электродам приложено напряжение, спираль молекул распрямляется и поворота плоскости поляризации уже не происходит. Как следствие, выходной поляризатор не пропускает свет.

Экран ЖК-дисплея представляет собой матрицу ЖК-элементов. Существуют два основных метода адресации ЖК-элементов:прямой(илипассивный) икосвенный(илиактивный). В пассивной матрице ЖК-элементов (рис. 7) выбранная точка изображения активируется подачей напряжения на соответствующие прозрачные адресные проводники-электроды строки и столбца. В этом случае невозможно достичь высокого контраста изображения, так как электрическое поле возникает не только в точке пересечения адресных проводников, но и на всем пути распространения тока.

Эта проблема вполне разрешима при использовании так называемой активной матрицы ЖК-элементов, когда каждой точкой изображения управляет свой электронный переключатель (рис. 8). Контраст при использовании активной матрицы ЖК-элементов может достигать значения от 50:1 до 100:1. Обычно активные матрицы реализованы на основе тонкопленочных полевых транзисторов (Thin Film Transistor, TFT). Неким компромиссом между активной и пассивной матрицей являются экраны, использующие технологию двойного сканирования (Dual Scan, DSTN), при которой одновременно обновляются две строки изображения.

Видеоадаптер (видеокарта, видеоконтроллер)– внутрисистемное устройство, предназначенное для хранения видеоинформации и ее отображения на экране монитора. Он непосредственно управляет монитором, а также процессом вывода информации на экран с помощью изменения сигналов строчной и кадровой развертки ЭЛТ монитора, яркости элементов изображения и параметров смешения цветов.

Основными узлами современного видеоадаптера являются:

• собственно видеоконтроллер (как правило, заказная БИС — ASIC),

• видео BIOS,

• видеопамять (фрейм-буфер), в качестве которой может использоваться часть оперативной памяти ПК (в архитектуре с разделяемой памятью UMA),

• специальный цифро-аналоговый преобразователь RAMDAC(Random Access Memory Digital to Analog Converter),

• кварцевый генератор (один или несколько);

• микросхемы интерфейса с системной шиной (ISA,VLB,PCI,AGPили другой).

Все современные видеосистемы могут работать в одном из двух основных видеорежимов: текстовомилиграфическом. В текстовом режиме экран монитора разбивается на отдельные символьные позиции, в каждой из которых одновременно может выводиться только один символ. Для преобразования кодов символов, хранимых в видеопамяти адаптера, в точечные изображения на экране служит так называемыйзнакогенератор, который обычно представляет собой ПЗУ, где хранятся изображения символов, «разложенные» по строкам. При получении кода символа знакогенератор формирует на своем выходе соответствующий двоичный код, который затем преобразуется в видеосигнал.

В графическом режиме для каждой точки изображения (пиксела), отводится от одного (монохромный режим) до 32 бит (цветной). Графический режим часто называют режимом с адресацией всех точек (All Points Addresable), поскольку только в этом случае имеется доступ к каждой точке изображения. Максимальное разрешение и количество воспроизводимых цветов конкретной видеосистемы в первую очередь зависят от общего объема видеопамяти и количества бит, приходящихся на один элемент изображения.

Основные характеристики видеоадаптера:

• режимы работы (текстовый и графический),

• воспроизведение цветов (монохромный и цветной),

• число цветов или число полутонов (в монохромном),

• разрешающая способность (число адресуемых на экране монитора пикселей по горизонтали и вертикали),

• емкость и число страниц в буферной памяти (число страниц - это число запоминаемых текстовых экранов, любой из которых путем прямой адресации может быть выведен на отображение в мониторе),

• размер матрицы символа (количество пикселей в строке и столбце матрицы, формирующей символ на экране монитора),

• разрядность шины данных, определяющая скорость обмена данными с системной шиной;

• емкость видеопамяти, определяемая количеством хранимых в памяти пикселей и их атрибутов.

Существует несколько стандартов видеокарт. За время существования ПК сменилось несколько поколений видеоадаптеров и связанных с ними стандартов представления изображения. Основными параметрами в этих стандартах являются:

• разрешение (количество символов, или пикселов по горизонтали и вертикали);

• количество одновременно отображаемых на экране цветов;

• частота кадровой развертки.

В настоящее время используются следующие видеоадаптеры:

1. VGA(Video Graphics Adapter), разработанный компаниейIBMи обеспечивающий разрешение 640480 пикселов при 16 цветах и 320200 пикселов при 256 цветах.ов. Долголетие этого адаптера объясняется тем, что применяемый с ним монитор использует аналоговый сигнал в форматеRGB. В дальнейшем практически все мониторы стали аналоговыми, что позволяет выбирать произвольную комбинацию «монитор-видеоадаптер». В методе RGB цвет на экране монитора формируется наложением красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue) лучей, поэтому видеоадаптер и отклоняющая система одновременно создают три соответствующих изображения. ВVGAдля описания интенсивности каждой из цветовых компонент использовалось 6 разрядов, что позволяло создавать до 2¹⁸(262144) различных цветов (но не более 256 одновременно).

2. SVGA(Super VGA) – стандарт на видеоадаптеры, оформленный ассоциацией VESA. После VGA различные производители начали выпускать различные видеоадаптеры с несовместимыми друг с другом режимами высокого разрешения. Появление Windows 3.1 и 95, а также OS/2 несколько выправило ситуацию: производители вынуждены были обеспечить совместимость своих изделий с этими операционными системами путем выпуска драйверов для них и поддержки определенных видеорежимов, которые были в качестве стандартов. Видеорежимы, превосходящие VGA по разрешению и числу цветов, стали называть или SVGA. Так же стали именовать поддерживающие эти режимы видеоадаптеры и мониторы.

В настоящее время к стандартам VESA SVGA и стандартам SVGA, действующим де-факто, относятся:

разрешения:	640480, …, 20481536
количество бит/цветов:	4 бита/16 цветов; 8 бит/256 цветов; 16 бит/32768 или 65536 цветов (режим HiColor); 24 бит/16,7 млн. цветов (режим TrueColor); 32 бит (24 бит — цвет и 8 бит — альфа-канал*)/16,7 млн. цветов (режим TrueColor)
частоты кадровой развертки (Гц):	56, 60, 72, 75, 85, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 180, 185, 200

* Под альфа-каналом понимается степень прозрачности цвета, что часто используется в трехмерной машинной графике. Кроме того, зачастую хранение цветовой информации в 32 разрядах оказывается более эффективным по скорости работы, чем в хранение в 24 разрядах, так как разрядности современных процессоров, шин и интерфейсов памяти кратны именно 32.

3. PGA(Professional GA) - профессиональный графический адаптер. Для использования SVGA-видеорежимов под MS-DOS ассоциация VESA предложила стандартное расширение системы команд обычного VGA, который хранится в VGA BIOS. Этот набор, называемыйVESA BIOS Extension, реализуется производителем видеоадаптера либо в системе команд BIOS, либо в виде загружаемого драйвера.

Возможные для данного конкретного видеоадаптера режимы определяются количеством установленной на нем видеопамяти. На борту VGA-адаптера устанавливалось обычно 256 Кбайт памяти, для ранних SVGA характерно использование от 512 Кбайт до 2 Мбайт видеопамяти, современные видеоадаптеры начального и среднего уровня имеют объем памяти 2, 2.25, 4, 8 и 16 Мбайт, а наиболее совершенные изделия оснащены от 32 до 128 Мбайт видеопамяти. Количество видеопамяти, необходимой для поддержки того или иного режима, вычисляется так:

.

Так можно получить максимально возможные разрешения для различных объемов видеопамяти (следует иметь в виду, что на предельном по разрешению режиме видеокарта, как правило, имеет недопустимо низкие частоты кадровой развертки):

0,5 Мбайт	800600 8 бит
1 Мбайт	1152864 8 бит или 800600 16 бит или 640480 24 бита
2 Мбайт	16001280/ 8 бит или 1152864 16 бит или 800600 32 бита
2,25 Мбайт	16001280/ 8 бит или 1152864 16 бит или 1024768 24 бита
4 Мбайт	16001280/ 16 бит или 12801024 24 бита или 1152864 32 бита
8 Мбайт	18001350/ 24 бита или 16001280 32 бита
16 Мбайт	20481536/ 32 бита

Здесь приведены максимальные разрешения, начиная с которых поддерживается заданная глубина цвета. Отсюда видно, что 16 Мбайт видеопамяти удовлетворяют все мыслимые на сегодняшний день потребности для всех размеров мониторов. Больший объем видеопамяти нужен только для поддержки функций ускорения трехмерной графики.

Технологии, используемые в видеоадаптерах, относятся к динамической оперативной памяти, работа которой имеет ряд особенностей:

1) доступ к ней осуществляется достаточно крупными блоками;

2) она должна быстро перезаписывать большие объемы данных без прерывания процедуры считывания, так как образ картинки, формируемой на экране монитора, постоянно считывается из этой памяти с частотой кадровой развертки монитора, и одновременно в эту же память операционная система осуществляет запись, в результате чего происходит изменение изображения.

Эту задачу наиболее эффективно решает так называемая двухпортовая RAM, для которой возможно одновременное считывание данных системой развертки и запись. Двухпортовая память представлена дорогостоящейVRAM(Video RAM) и более дешевой и быстройWRAM(Window RAM). В системах с двухпортовой памятью увеличение частоты развертки не приводит к снижению производительности видеоадаптера, поэтому в профессиональных моделях, рассчитанных на использование с большими (19 дюймов и более) мониторами, применяется преимущественно такая видеопамять.

Для ускорения доступа к памяти со стороны графического ускорителя (что особенно важно в 3D-акселераторах) используется либо память Multibank DRAM(MDRAM), разработанная компанией MosSys и использующая распараллеливание операций доступа к данным между большим количеством банков памяти, либо синхронная памятьSGRAM(аналогSDRAM, оптимизированный для задач видеопамяти), либо обычнаяSDRAM.

Современные видеоадаптеры используют память типа SDRилиDDR SDRAM.

Важным показателем видеоадаптера является максимальная частота работы цифро-аналогового преобразователяRAMDAC(Random Access Memory Digital to Analog Converter), который должен успеть опросить все пикселы кадра столько раз, сколько раз в секунду перерисовывается кадр, поскольку в один момент времени он может обрабатывать только один пиксел.

При рекомендуемой VESA частоте кадровой развертки 85 Гц для перечисленных разрешений частота работы RAMDAC должна составлять как минимум:

• 640480 27 МГц;

• 800600 41 МГц;

• 1024768 67 МГц;

• 1152864 85 МГц;

• 12801024 112 МГц;

• 16001280 (или 1200) 175 МГц;

• 18001350 207 МГц.

На практике эта частота выше, поскольку существует еще обратный ход луча развертки, во время которого изображение не выводится, поэтому перечисленные значения следует увеличить на 10-20%.

Большинство массовых видеокарт в настоящее время оснащены встроенным в графический процессор RAMDAC на 120-135 МГц, чего вполне хватает для режимов вплоть до 12801024, что актуально для массовых мониторов с диагональю до 19 дюймов включительно. Лимитирующим фактором в установке высоких частот кадровой развертки является скорее быстродействие видеопамяти, а не RAMDAC. Частота 135 МГц выбрана не случайно: именно до этой частоты сигнальный кабель монитора способен передавать сигнал без искажений. Для достижения больших разрешений и больших частот кадровой развертки применяются видеокарты с RAMDAC на 220-350 МГц, и видеопамятью типа SDR или SGRAM, 21-дюймовый или больший монитор и специальный коаксиальный (BNC) сигнальный кабель, способный без искажений передавать видеосигнал от видеокарты к монитору. Подобные видеокарты выпускаются компаниями nVidia, Matrox, ATI, Number Nine.

Изображение, которое отображается на экране монитора, представляет собой выводимое цифро-аналоговым преобразователем RAMDACи устройством развертки содержимое видеопамяти. Это содержимое может изменяться как центральным процессором, так и графическим процессором видеокарты —ускорителем двухмерной графики(синонимы: 2D-ускоритель, 2D-акселератор, Windows-акселератор или GDI-акселератор). Современные оконные интерфейсы требуют быстрой (за десятые доли секунды) перерисовки содержимого экрана при открытии/закрытии окон, их перемещении и т. п., иначе пользователь будет чувствовать недостаточно быструю реакцию системы на его действия. Для этого процессор должен был бы обрабатывать данные и передавать их по шине со скоростью, всего в 2-3 раза меньшей, чем скорость работы RAMDAC, а это десятки и даже сотни мегабайт в секунду, что практически нереально даже по современным меркам. Для повышения быстродействия системы были разработаны локальные шины, а позднее —2D-ускорители, которые представляют собой специализированные графические процессоры, способные самостоятельно рисовать на экране курсор мыши, элементы окон и стандартные геометрические фигуры, предусмотренные GDI — графической библиотекой Windows.

2D-ускорители обмениваются данными с видеопамятью по своей собственной шине, не загружая системную шину процессора. По системной шине 2D-ускоритель получает только GDI-инструкции от центрального процессора, при этом объем передаваемых данных и загрузка процессора в сотни раз меньше.

Современные 2D-ускорители имеют 64- или 128-разрядную шину данных, причем для эффективного использования возможностей этой шины на видеокарте должно быть установлено 2 или 4 Мбайт видеопамяти соответственно, иначе данные будут передаваться по вдвое более узкой шине с соответствующей потерей в быстродействии.

К настоящему моменту 2D-ускорители достигли совершенства. При выборе 2D-ускорителя следует обратить внимание на следующие факторы: производительность (быстродействие), качество изображения, наличие дополнительных функций, качество и функциональность драйверов, поддерживаемые частоты кадровой развертки, совместимость с VESA и т.п.

Микросхемы 2D-ускорителей производятnVidia,ATI,CirrusLogic,Chips&Technologies,Matrox,NumberNine,S3,Trident,TsengLabsи др.

Под мультимедиа-акселераторамипонимают устройства, которые помимо ускорения обычных графических операций могут также выполнять ряд операций по обработке видеоданных от разных источников. Прежде всего, это функции по ускорению вывода видео в форматах AVI, Indeo, MPEG-1 и других. Проблема в том, что видеофильм в формате NTSC идет со скоростью 30 кадров в секунду, PAL и SECAM — 25 кадр/с. Скорость смены кадров в цифровом видео перечисленных форматов также меньше или равна 30 кадр/с, однако разрешение изображения редко превышает 320240 пикселов. При этих параметрах скорость поступления информации составляет порядка 6 Мбайт/с и процессор успевает выполнить ее декомпрессию и пересылку по шине в видеопамять. Однако такой размер изображения слишком мал для комфортного просмотра на экране, поэтому его обычно масштабируют на весь экран. В этом случае скорость потока данных возрастает до десятков и сотен мегабайт в секунду. Это обстоятельство привело к появлению видеоакселераторов, которые умеют самостоятельно масштабировать видео в форматах AVI и MPEG-1 на весь экран, а также выполнять сглаживание отмасштабированного изображения, чтобы оно не выглядело, как набор квадратиков. Подавляющее большинство современных 2D-ускорителей являются в то же время и видеоускорителями.

К мультимедиа-функциям также относят аппаратную цифровую компрессию и декомпрессию видео, наличие композитного видеовыхода, вывод TV-сигнала на монитор, низкочастотный видеовход и высокочастотный TV-вход, модуль для работы с телетекстом и другие функции.

3D-акселераторы- видеоадаптеры, способные ускорять операции трехмерной графики. Когда в роли двигателя прогресса выступили компьютерные игры, 2D-ускорители почти исчерпали свои возможности, и эволюция видеокарт пошла по пути наделения их все более мощными средствами ускорения трехмерной машинной графики. Видеоадаптеры следующего поколения получили название 3D-ускорителей (синонимом является 3D-акселератор).

В ПК 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. Эту операцию, называемую рендерингом, и выполняет 3D-ускоритель.

Наиболее распространенные операции, которые 3D-ускоритель выполняет на аппаратном уровне:

• 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 самой первой точкой. В большинстве современных ускорителей предусмотрены 16, 24 или 32-разрядные Z-буферы, размещаемые в видеопамяти на плате.

• 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.

• Отсечение (Clipping)определяет часть объекта, видимую на экране, и обрезает все остальное, чтобы не выполнять лишних расчетов.

• Расчет освещения.Для выполнения этой процедуры часто применяют метод трассировки лучей (Ray Tracing), позволяющий учесть переотражения света между объектами и их прозрачность.

• 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.

• Фильтрация (Filtering)исглаживание (Anti-aliasing). Подсглаживаниемпонимается уменьшение искажений текстурных изображений с помощью их интерполяции, особенно на границах, а подфильтрациейпонимается 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). ПодMIP-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.

• Прозрачность, илиальфа-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.

• Смешение цветов, илидизеринг(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 существует несколько интерфейсов прикладного программирования, или API(Application Program Interface), позволяющих приложению стандартным образом использовать возможности 3D-ускорителя. На сегодняшний день существует множество таких интерфейсов, среди которых наиболее известныDirect3D(Microsoft),OpenGL(Silicon Graphics),Glide(3Dfx),3DR(Intel),Heidi(Autodesk),RenderGL(Intergraph).

Интерфейс Direct3Dкомпании Microsoft стал фактическим стандартом для большинства компьютерных игр; и большинство 3D-ускорителей укомплектованы Direct3D-драйверами.

Разработанный компанией Silicon Graphics для своих графических станций Iris GL интерфейс прикладного программирования OpenGLстал 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 OpenGLв двух режимах: усеченномMCD(Mini Client Driver) и полномICD(Installable Client Driver). Драйвер MCD реализует только базовый набор операций, ICD— высокооптимизированный драйвер, который обеспечивает максимальное быстродействие. К сожалению, многие производители 3D-ускорителей, заявив о своей полной поддержке OpenGL, не обеспечивают ее даже на уровне MCD-драйвера.

Интерфейс Glideразработан 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.

В настоящее время наиболее известны 3D-ускорители на чипсетах nVidia GeForce, nVidiaRiva TNT2,3Dfx Voodoo, ATI Rage 128 Pro, ATI Radeon, Matrox G400 (G450), S3 Savage4 (Savage2000). На базе этих чипсетов производятся собственно видеокарты, причем не только перечисленными компаниями, а и компаниями, не выпускающими собственные графические процесоры, например ASUSTek, Creative Labs или Diamond Multimedia. Современные 3D-видеокарты обладают и функциями ускорения двухмерной графики. Исключением являются ускорители на базе 3Dfx Voodoo и Voodoo2, которые подключаются к выходу обыкновенной видеокарты перед монитором специальным внешним соединительным кабелем. Такое решение ухудшает качество 2D-изображения, и к тому же невозможна работа в оконном режиме. В 3Dfx Voodoo Banshee от этой схемы отказались, и она представляет собой полноценный 2D/3D-ускоритель.

Основой любого видеоакселлератора является графический процессор(GPU - Graphic Processor Unit). Видеокарты на основе процессораVoodoo Graphics(Voodoo 1) производства компании 3Dfx появились в продаже в 1997 г. и надолго сделали название производящей их компании синонимом слова 3D-акселератор. Платы на этом процессоре были видеоакселераторами в чистом виде, то есть для работы требовали уже установленной в системе видеокарты. Типичное рабочее разрешение для Voodoo I составляло 512384 пикселов, максимальное – 640480 при 16-битной глубине цвета, поддерживалось до 4 МБ видеопамяти.

Поддержало репутацию 3Dfx и следующее поколение – Voodoo 2. Отличия были кардинальными: вдвое большее количество текстурных блоков, что позволяло использовать мультитекстурирование (наложение более одной текстуры за такт). Тактовые частоты чипов (на плате их было два) и памяти повысились. Размер видеопамяти увеличился до 8-12 Мбайт, что позволяло использовать большие разрешения. Впервые в истории появилась видеокарта, реализующая трилинейную фильтрацию.

Конкуренцию 3Dfx составляла компания ATI, хотя ее первый процессор – Rage 3D– проигрывал Voodoo I. Но в 1999 г. в продаже появились карты на базе чипаRage 128иRage 128 PRO(они жеRage FuryиRage Fury PRO). PRO представлял собой разогнанный вариант обычного Rage 128 (частоты 140/160 и 103/103 МГц соответственно). В них впервые появилась аппаратная поддержка MPEG-2.

Еще один игрок на этом рынке – компания nVidia, начинавшая с весьма приличного процессора Riva128иRiva128ZX, в 1999 г. выпустила серьезный чипсетRiva TNT, в котором появилась поддержка шины AGP, 32-битного цвета, разрешения до 19201440 пикселов. А на процессорах TNT2 выпускался знаменитый видеоакселераторCreative 3DBlaster TNT2 Ultra.

Заметными в истории графических процессоров были G400производства Matrox, которые, хоть и несколько проигрывали в скорости 3D-графики, но сочетание с великолепным качеством обработки двухмерного изображения сделало карты на этом чипе очень популярными среди тех, кому нужны от компьютера не только игры. Оценена была и «двуголовость» некоторых карт на этом процессоре – он мог поддерживать 2 монитора. Видеокарты на следующей версии этого процессора,G400MAX, уже позиционировались как профессиональные стоили (и стоят до сих пор) очень недешево, а покупали их в основном профессионалы-полиграфисты и верстальщики.

В 2000 г. компания 3Dfx была продана извечному конкуренту nVidia, но воцариться в качестве монополиста nVidia не удалось. Основная борьба ведется с другим основным производителем графических процессоров – ATI Technologies. То один, то другой из производителей опережает конкурента на полшага, но тут же (по сложившейся традиции новые графические чипы выпускаются раз в полгода) теряет свое преимущество перед новой моделью.

Процессоры ATI Radeon 9700 (R300)иnVidia GeForce4 (NV30)содержат более миллионов транзисторов, работают на частоте свыше 300 КГц, поддерживают до 256 МБ видеопамяти, обрабатывают по 8 независимых пиксельных конвейеров.