Особенности функционирования ускорителя трехмерной графики
13.4. Особенности функционирования ускорителя трехмерной графики
С технической точки зрения трехмерная (3D) графика — это система визуального представления сцены или объекта в 3 Х мерной системе координат (высота, ширина и глубина), которая используется с целью более реалистичного отображения информации. Эта технология позволяет пользователям компьютера на двухмерном экране видеть трехмерное изображение. Спрос на трехмерную графику непрерывно увеличивается. Трехмерная визуализация используется во многих высококачественных играх, в деловых презентациях и мультимедийных приложениях. Однако использование трехмерной графики предполагает не только передачу огромного объема данных через шину расширения компьютера. Трехмерная визуализация требует сложных математических вычислений, определяющих цвет, наложение различных эффектов и преобразование трехмерной модели в 2 Х мерную плоскость экрана. Практически во всех случаях эти задачи необходимо выполнять в реальном масштабе времени (с частотой обновления 25 кадров в секунду и быстрее). В настоящее время большинство видеосистем модернизируются для поддержки 3 Х мерной анимации (необходимой, например, в компьютерных играх, таких как Quake III или Serious Sam). В этой части главы рассматриваются некоторые ключевые моменты процесса 3 Х мерной визуализации и ускорения этого процесса.
13.4.1. Процесс трехмерной визуализации
Чтобы 3 Х мерный объект вывести на экран в реальном масштабе времени, сначала его необходимо представить в виде точек в 3 Х мерной системе координат, где каждая отображаемая точка будет иметь координаты х, у и т.. Объектом отображения, может быть автомобиль, летящий самолет или сложный трехмерных мир. Точки каждого объекта, полностью задающие его положение в пространстве, хранятся в системной памяти. Для того чтобы отобразить объект на 2 Х мерном экране, необходимо сформировать его изображение (визуализировать).
Визуализация — это процесс вычисления координат и цвета каждого пиксела с целью имитации трехмерного изображения на плоском экране монитора. Визуализация включает в себя также построение поверхностей объектов, которые были заданы в виде набора вершин. При этом для усиления эффекта трехмерного изображения используются различные эффекты: освещение и затенение объектов, а также наложение дымки. Для визуализации объекта необходимо вычислить информацию о цвете и координате каждой его точки. Для эффективного выполнения этой работы поверхность объекта представляется в виде набора треугольников, а эти треугольники (наборы из трех вершин) затем пропускаются через конвейер обработки трехмерной графики. Процесс трехмерной визуализации включает в себя следующие этапы:
· Разбивка 3-х мерного объекта на треугольники. В этом процессе 3 Х мерный объект делится на треугольники (наборы трех вершин)
· Трансформация. Перемещение, вращение и изменение масштаба объекта исходя из угла зрения камеры. На этой стадии производится большой объем математических вычислений.
· Отсечение по границам кадра. Отсечение всех частей объекта, которые оказываются за пределами окна наблюдения. Этот процесс также включает в себя большой объем математических вычислений.
· Освещение. Процесс вычисления световых и теневых участков поверхности объекта в зависимости от места расположения источников света в 3 Х мерном мире. Этот этап визуализации может включать в себя использование и других эффектов, например, наложение дымки.
Рекомендуемые материалы
· Отображение треугольников на экран. Разделенный на треугольники, трансформированный, отсеченный по границам и освещенный объект проецируется на 2 Х мерный экран монитора. Треугольники, находящиеся дальше от наблюдателя будут меньше тех, которые расположены ближе к наблюдателю.
· Рисование треугольников. Треугольники рисуются на экране с использованием различных методик отображения теней и текстур. Этот процесс, занимающий много времени, завершает отображение картинки, которая наблюдается на экране монитора. Весь процесс визуализации должен повторяться для каждого кадра, генерируемого игровой программой или другим приложением.
13.4.2. Трехмерная визуализация
Большая частота смены кадров создает на экране монитора атмосферу реализма. Главным фактором, определяющим частоту смены кадров, является скорость передачи данных в видеосистеме компьютера. Если смена кадров в игровой программе низкая, то игра становится неинтересной, поскольку время реакции на действие становится очень большим. Представьте себе работу программы имитации полета на самолете с частотой смены кадра один или два раза в секунду. Поскольку основная часть обработки графической информации удалена из центрального процессора, то частота кадров теперь в большей степени зависит от скорости работы графического ускорителя. Скорость работы 3 Х мерной “графической машины” измеряется в количестве текселей, обрабатываемых в секунду. Она также часто измеряется в количестве треугольников, обрабатываемых в секунду. Современные ускорители 3 Х мерной графики могут обеспечить скорость в сотни миллионов текселей в секунду и более. Например, относительно новый комплект графических микросхем NVIDIA GeForce 2 Ultra может визуализировать 2 миллиарда текселей (Гигатекселей) (или 31 миллион треугольников) в секунду.
Скорость выполнения 3 Х мерных приложений зависит от выполнения многих задач, самыми критичными из которых являются 3 Х мерная геометрия и визуализация. Геометрия — это набор вычислений, используемых для определения положения и цвета объекта на экране. Визуализация — это (как было сказано выше) построение изображение объекта на экране монитора. Обычный графический ускоритель освобождает центральный процессор от этой работы, и процессор может уделять больше времени для выполнения других задач. Большинство современных процессоров (Pentium MMX, Pentium II, Pentium III с технологией SSE, или Pentium 4 с технологией SSE2) имеют дополнительные команды обработки 3 Х мерной графики. На скорость выполнения задач 3 Х мерной графики влияют три фактора: монопольное управление шиной (bus mastering), разрешение (resolution), и глубина цвета (color depth).
13.4.3. Монопольное управление шиной
При использовании графического ускорителя, управляющего шиной РСI в монопольном режиме, трехмерный графический движок никогда не прерывается циклами ожидания во время процесса визуализации. После того как центральный процессор подготовит все треугольники для визуализации, в дело вступает графический ускоритель, который захватывает управление шиной РСI и выдает список треугольников в асинхронном режиме, не заставляя центральный процессор приостанавливать свою работу. Монопольное управление шиной осуществляется в двух режимах: в режиме основного хозяина шины и в режиме распределения и сбора данных (scatter-gather bus master). Основной хозяин шины может работать независимо от центрального процессора в течение определенного времени, прежде чем будет прерван для получения задания. Напротив, хозяин шины, работающий в режиме распределения и сбора данных, может работать почти независимо от центрального процессора компьютера, что позволяет существенно повысить производительность системы. Монопольное управление шиной не требуется в том случае, когда фактическая система использует шину AGP, поскольку шина AGP является двухточечным соединением между адаптером и системной платой, а графический адаптер всегда рассматривается как “ведущее” устройство.
13.4.4. Разрешение
Из-за ограничений, накладываемых операционной системой и графическими ускорителями, большинство игровых и мультимедийных приложений разрабатывались для низкой разрешающей способности (640x480) экрана с целью достижения наибольшей производительности. Увеличение разрешающей способности приводит к необходимости вывода на экран большего количество пикселов в каждом кадре, а это накладывает дополнительные требования на монитор и графическую плату. Некоторые старые приложения, разработанные в расчете на разрешение в 320x200, могут работать в режиме 640x400, но дополнительные пикселы являются простым дублированием существующих пикселов, что повышает зернистость изображения. Основываясь на современных стандартах программного обеспечения и быстрых аппаратных ускорителях, разработчики могут использовать повышенную детализацию изображения, применяя разрешения 800x600, 1024x768 или даже выше. Это повышает качество изображения в игровых программах.
13.4.5. Глубина цвета
Использование дополнительных цветов в 3 Х мерных играх делает изображение более богатыми и реалистичными. Чем больше цветов используется в изображении, тем оно более детализировано и реалистично, но, вместе с тем, требуется больше времени на вычисление цвета каждого пикселя. Используя ускорители 3 Х мерной графики нового поколения, удается достигать большей глубины цвета без значительного снижения быстродействия, и разработчики могут теперь использовать большее количество цветов в каждой сцене. Например, разработчики сегодня могут использовать 16 ти битовую (65 К.) или 24 Х битовую (16 М) цветовые палитры вместо традиционной 8 ми битовой (256 цветов) палитры.
13.4.6. Аппаратные средства повышения производительности 3 Х мерной графики
Ускоритель 3 Х мерной графики повышает производительность компьютера за счет освобождения центрального процессора от выполнения вычислительных операций, необходимых для визуализации сцен. В большинстве случаев эти задачи выполняют графический процессор (процессоры), расположенный на самом ускорителе 3 Х мерной графики. Современные ускорители 3 Х мерной графики могут выполнять большое количество функций, некоторые из них описываются ниже.
13.4.7. Коррекция перспективы текстурных карт
Реальные объекты имеют множество признаков, по которым мы их узнаем. Например, деревянный предмет имеет волокнистую структуру, в то время как у стального предмета поверхность гладкая и блестящая. В 3 Х мерных приложениях для отображения поверхности трехмерного объекта используется плоский повторяющийся рисунок, называемый текстурой. Наложение изображений 2 Х мерной текстуры на трехмерные объекты делает их более реалистичными. Например, если вы видите черный ящик, то не можете сказать что это такое. Если же нанести текстуру на боковые поверхности и верх этого ящика, то можно из него сделать деревянную тару, металлический сейф, панель управления, пьедестал — все что можно себе представить.
Рекомендация для Вас - Вопрос 29.
В реальном мире видение объекта меняется при изменении места, с которого он рассматривается. Например, при движении вдоль стены дома его вид будет изменяться: с каждым шагом перспектива дома будет меняться. Для того чтобы воссоздать эту картину в 3 Х мерном приложении, текстуры необходимо корректировать в соответствии с изменением перспективы. Если текстура не соответствует перспективе, то изображение объекта будет неправильным — оно будет заполнено ложным изображением предыдущего кадра. Старые ускорители трехмерной графики не обеспечивали коррекцию текстур на аппаратном уровне, а современные машины трехмерной графики выполняют эту работу на полной скорости визуализации сцен.
13.4.8. Методы отображения текстур
Процесс отображения текстур, требующий обработки значительных объемов информации, заключается в наложении на трехмерный объект или многоугольник текстур с целью его детализации для повышения реализма его зрительного восприятия. При наложении исходной текстуры (как правило, квадратной формы) на трехмерный объект она подвергается геометрическим преобразованиям (масштабирование, поворот, деформация, и т.п.). Итогом процесса наложения является результирующая текстура, имеющая форму неправильного четырехугольника. Существует несколько способов наложения текстуры на 3-х мерный объект с коррекцией перспективы:
· Точечная выборка (Point sampling). Это наиболее общий способ отображения текстуры на многоугольнике. С помощью точечной выборки графический процессор аппроксимирует цветовое значение данного пиксела на результирующей текстуре путем дублирования значения ближайшего к нему пиксела исходной текстуры. Точечная выборка обеспечивает очень хорошие результаты при ее использовании совместно с множественным отображением, обеспечивая высокий уровень производительности при низкой стоимости.
· Фильтрация. В некоторых случаях исходную текстуру необходимо подвергнуть значительному деформированию (в частности, масштабированию с большим увеличением), в результате чего ее зернистость заметно возрастает. Ряд производителей графических ускорителей используют метод, называемый билинейной фильтрацией для сглаживания видимой текстуры. При использовании этого метода анализируются значения цветов четырех текселей исходной текстуры, и эти цвета смешиваются на основе аппроксимации. Результат используется для отображения текселей на экране. При всей полезности этого метода качество результата не сравнимо с высоким разрешением исходной текстуры. Ускорители 3 Х мерной графики, которые не поддерживают палит-ровые текстуры, уменьшают масштаб текстур при их хранении и используют фильтрацию для их наложения на многоугольники. В результате получается низкое качество картинки.
· Множественное отображение (MIP mapping). Множественное отображение — это еще один метод улучшения качества отображения текстуры трехмерного объекта. Чем больше вносится изменений в текстуру для ее наложения на объект, тем меньше она напоминает исходную текстуру. Одним из методов исправления этой ситуации является создание нескольких (обычно трех) копий одной и той же исходной текстуры (при этом каждая текстура предназначена для определенного масштаба изображения). Множественное отображение имеет четыре формы: мозаичное множественное отображение, попикселное множественное отображение, трехлинейное множественное отображение и самый современный метод — анизотропная фильтрация для уменьшения искажений вызванных преобразованием 3 Х мерного изображение в 2 Х мерное. Вуалирование (Fogging). Для поддержания высокой производительности процесса вывода изображения на экран разработчики создали целый арсенал методов уменьшения количества визуализаций необходимых для построения сцены. Одним из них является вуалирование. Этот метод чаще всего используется в ландшафтных сценах, например, при имитации полета. Вуалирование дает возможность разработчикам “скрыть” фон сцены за слоем “вуали” — смешения цветовых величин текстуры с монохромным цветом, например, белым. Большинство современных микросхем трехмерной графики реализуют вуалирование на аппаратном уровне.
