Графические аппаратно-программные интерфейсы

Основные сведения

2.1. Состав видеоподсистемы персонального компьютера;

Видеосистема состоит из трех основных компонентов:

- монитор;

- видеоадаптер (или видеокарта);

- драйверы.

Видеоадаптер

Видеоадаптер — это связующее звено между выполняемой на компьютере программой и монитором. Иными словами, видеокарта преобразует компьютерную информацию в сигналы, понятные монитору (а монитор, в свою очередь, в понятную пользователю визуальную информацию).

Видеоадаптер представляет собой карту расширения, устанавливаемую в специальный слот на материнской плате.. Также видеоадаптер может быть встроен в чипсет. Некоторые материнские платы с интегрированным видеоадаптером содержат также слот для установки видеокарты. Благодаря этому пользователь может подключить видеокарту, если технические характеристики интегрированного видеоадаптера его по каким-либо причинам не устраивают.

Современные видеокарты оснащены интерфейсом AGP и PCI Express х1б. Шина PCI Express появилась сравнительно недавно и обладает более высокой пропускной способностью.

Видеоадаптер — сложное с технической точки зрения устройство, которое даже обладает собственным графическим процессором.

От быстродействия графического процессора зависит скорость работы всей видеосистемы, кроме того, он отвечает за поддержку тех или иных технологий, применяемых при обработке трехмерной графики. Быстродействующий и мощный графический процессор необходим в первую очередь любителям компьютерных игр и пользователям, которые имеют дело с трехмерной графикой (аниматорам, дизайнерам и т. д.). Если же компьютер используется для работы в офисных приложениях (например, для подготовки текстов, таблиц, бухгалтерских отчетов и баз данных и т. п.), то необходимости в установке видеокарты с мощным графическим процессором нет.

Еще один" важный параметр видеокарты — встроенная память. Любой графический адаптер содержит микросхемы памяти, которая необходима для хранения видеоинформации.

Видеопамять и графический процессор, который преобразует содержимое видеопамяти в изображение на экране, — это два основных компонента видеокарты. Ранние системы поддерживали два основных режима экрана: графический (изображение формируется из пикселов — отдельных точек) и текстовый (изображение формируется из символов, которые занимают на экране небольшой прямоугольник — так называемое знакоместо).

В текстовом режиме (сегодня почти не используется) видеопроцессор обращался к специальной таблице, содержащей данные, необходимые для изображения символов. Затем картинка, соответствующая данному символу, выводилась в нужной части экрана.

Разрешение экрана, количество цветов и частота кадров у ранних мониторов были, по сегодняшним понятиям, мизерными. В текстовом режиме пиксельное разрешение было небольшим, до 640x350. Но на экране при этом можно было отображать в 16 цветах не более 256 различных символов. Объем видеопамяти требовался не большим.

С ростом экранного разрешения процесс подготовки изображения для выдачи на экран усложнился. Все дополнительные модули интегрируются в одну микросхему, которую продолжают называть видеопроцессором или графическим, процессором. Видеопамять же и сегодня формируется из отдельных микросхем универсального назначения.

К видеоадаптеру подключается аналоговыймонитор. Для преобразования цифрового изображения в аналоговый сигнал у видеокарт имеется модуль, получивший название RAMDAC ( Digital-to-Analog Converter — цифро-аналоговый преобразователь памяти).

Частота его работы определяет максимальное число пикселов, которое может быть выдано на экран за секунду. Например, у современных моделей видеокарт она может составлять 350 МГц. Это означает, что за секунду на экран выдается до 350 миллионов пикселов. При частоте в 75 кадров в секунду отдельный кадр может содержать до 4, 5 миллионов пикселов. При такой частоте поддерживаются разрешения до 2048х 1536.

Сегодня на новом уровне происходит возврат к цифровым мониторам. Некоторые современные видеокарты имеют разъем DVI (Digital Visual Interface — цифровой видеоинтерфейс). Он предназначен, в первую очередь, для жидкокристаллических мониторов. Способ формирования изображения у таких мониторов требует цифрового сигнала. Если данные сразу передаются в цифровом виде, качество изображения определяется только качеством монитора. Помехи, обусловленные преобразованием сигнала в аналоговую, а затем обратно в цифровую форму, отсутствуют.

Драйверы — это специальные программные компоненты, необходимые для нормальной работы видеосистемы. Они позволяют управлять режимами работы видеосистемы, отображаемым разрешением экрана, количеством показываемых цветов и аппаратным ускорением.

Графические ускорители

У современных видеокарт появились и дополнительные компоненты — аппаратные ускорители графики. Их цель — выполнить ряд операций по построению изображения внутривидеокарты, снимая нагрузку с центрального процессора и повышая качество изображения и производительность.

Ускорители делятся на две категории: для двумерной и трехмерной графики. Ускоритель трехмерной графики сегодня считается главной составляющей видеокарты.

Понятие «трехмерная графика» имеет особый смысл. Графика, и не только компьютерная, всегда двумерна Картины, фотографии, изображение на экране телевизора или в кинотеатре — все это плоские картинки. Человеческий глаз воспринимает только двумерное изображение, а ощущение глубины отображения и способность оценивать расстояние до объектов возникает благодаря стереоэффекту (у нас два глаза) и опыту восприятия привычных ситуаций. Поэтому «трехмерная графика» это построение двумерного изображения для трехмерной сцены.

Первые «графические ускорители» обеспечивали быстрое построение двумерных рисунков лежащих в плоскости экрана. При этом снижалась нагрузка на основной процессор и ускорялись такие операции, как открытие, закрытие, перемещение и масштабирование окон, изображение простых геометрических фигур, отрисовка растровых изображений, рисование символов (текста).

Все современные видеокарты способны бездефектно формировать двумерные картинки при любых разрешениях и частотах кадров.

Формирование изображения трехмерной сцены — гораздо более сложная задача, чем воспроизведение плоского изображения.

Идея ускорителя трехмерной графики состоит в том, чтобы снять с центрального процессора часть нагрузки, связанной с расчетом трехмерных картин. В результате удается значительно увеличить частоту кадров в трехмерной сцене и улучшить качество изображения.

Произошла интеграция ускорителей трехмерной графики и видеоадаптеров.

Синтетические тесты

В игровых тестах полученные данные трудно поддаются сравнению и объективной оценке. Обычный пользователь не имеет возможности выполнить тестирование на группе однотипных компьютеров, отличающихся, например, только картой видеоадаптера. Синтетическое тестирование производят, чтобы знать насколько отличается производительность видеокарт основанных на различных чипах, или же насколько отличается производительность одинаковых видеокарт, но от разных производителей. Готовы ли эти видеокарты к играм, как сегодняшнего, так и завтрашнего дня, а также выяснить, насколько производительна система в целом.
К синтетическим тестам, служащим для оценки производительности видеокарт, относятся программы серии тестовых пакетов 3DMark от компании Futuremark Corporation, а именно: 3DMark05 и 3DMark06.

Результаты тестов накапливаются и записываются в базу данных, содержащую информацию о самых разных системах. База данных централизована и доступна всем желающим. Сегодня это общепринятый синтетический тест. Набор тестов «игровой», но игры как таковой нет — воспроизводится фиксированная трехмерная сцена. Тесты 3DMаrk задействуют несколько механизмов, соответствующих разным типам игр.

Для каждого механизма используется фиксированное разрешение, но сцена может иметь разное число объектов — разную сложность. При этом изменяется нагрузка, как на процессор, так и на видеоадаптер, так что оценка получается сбалансированной. Результаты выдают в баллах и кадрах в секунду. Для того, чтобы сравнить производительность видеоадаптера, достаточно выйти в интернет. Эти программы пользуются большой популярностью и позволяют сравнить свои результаты с другими видеоадаптерами.

Если по результатам теста 3DMark видно, что проверяемый компьютер существенно уступает имеющимся аналогам, следует поискать настройки, которые позволят компенсировать это отставание.

По результатам этого эксперимента можно сделать следующие выводы.

• В данной конфигурации производительность центрального процессора меньше, чем ресурс видеоадаптера — компьютерная система несбалансирована. Направление обновления аппаратных средств очевидны.

• Чтобы сбалансировать систему, надо примерно вдвое увеличить частоту процессора. Это самый простой вариант обновления. Возможность его осуществления зависит от конкретной аппаратной конфигурации.

• При увеличении производительности процессора в 3-4 раза производительность видеосистемы станет определяться видеокартой. Если низкая производительность видеосистемы является основной причиной обновления; то такая трата денег не очень эффективна.

Лабораторные задания и порядок их выполнения

Задание 1

Задание 2

Задание 6. Оценка качества двумерного изображения

6.1. Убедитесь в отсутствии очевидных дефектов изображения при максимальном аппаратном ускорении. Для этого щелкните на свободном месте Рабочего стола Windows правой кнопкой мыши и выберите в контекстном меню пункт Свойства — откроется диалоговое окно Свойства: Экран. Выберите в нем вкладку Параметры (Настройка) и щелкните на кнопке Дополнительно. В открывшемся диалоговом окне свойств видеоадаптера выберите вкладку Диагностика (Быстродействие). При оптимальном быстродействии движок Аппаратное ускорение стоит в крайнем правом положении. При изменении положения движка для ввода настроек в действие требуется перезагрузка системы. ( Точное название элементов управления зависит от используемой версии операционной системы).

У современных видеокарт при максимальном быстродействии изображение не должно иметь дефектов. У неудачных карт (обычно устаревших) иногда наблюдаются:

• разрушение стандартных элементов оформления окна (например, полос прокрутки);

• странное поведение указателя мыши (черный квадрат-подложка или появление «следов» по траектории его движения);

• дефекты при отображении графических документов в отдельных программах.

6.2. При обнаружении устойчиво повторяющегося дефекта уменьшите степень аппаратного ускорения. Исчезновение дефекта означает, что видеокарта не вполне корректно поддерживает функции ускорения двумерной графики.

6.3. Проверьте качество выходного сигнала видеокарты. Для этого установите для монитора максимальную частоту кадров при «рабочем» экранном разрешении. Поднимите контрастность изображения; например, задав для Рабочего стола белый фон. Проверьте, как выглядят мелкие контрастные элементы, например подписи под значками. Появление проблем наиболее вероятно в углах экрана. Для видеокарт с невысоким качеством выходного канала наблюдается эффект «замыливания» — перенос цвета.на соседний пиксел — объекты, изображенные тонкими линиями, выглядят нерезкими.

Если при снижении частоты кадров монитора эффект исчезает, значит, недостаточно качество выходного сигнала видеокарты (модуля RAMBAC). Если «замыливание» сохраняется и на пониженных частотах, следует проверить фокусировку монитора

Новые видеоадаптеры также готовы обеспечивать высокую частоту кадров. При использовании современного монитора и современной видеокарты появление дефектов двумерного изображения маловероятно.

Задание 7. Оценка производительности видеоадаптера с помощью синтетического теста 3DMark05

Тест производительности (англ. benchmark, далее бенчмарк) – контрольная задача, необходимая для определения сравнительных характеристик видеоадаптера. Основной задачей бенчмарка является определение абсолютного или относительного показателя его качества.

Порядок выполнения задания 7
7.1. Настройте драйвер видеокарты.

При тестировании всех видеокарт на основе чипов, как nVidia, так и ATI (или же других производителей) необходимо настроить " производительность" в драйвере на " высокое качество". Например, (рис.2, 3):

Рис.2

Рис.3

7.2. Загрузите программу 3DMark05.

Для версии Free, то окно программы будет выглядеть следующим образом (рис. 4):

Рис.4

Основные параметры и настройки программы.

Кнопка " Details…" отвечает за информацию о вашей системе: какой у вас установлен процессор, видеокарта, операционная система и т.д. Кнопка " Graphs…", предназначенная для построения графиков. В бесплатной версии невозможно изменять настройки, которые выставлены по умолчанию, а именно: разрешение 1024х768 и др.

7.3. Запустите тест, нажав " Run 3DMark. После прохождения всех тестов появится окно с результатом (рис.5):

Рис.5

7.4. Интерпретация тестов.
В составе пакета три игровых теста, тест процессора, пять синтетических сцен и один тест на производительность Batch-пакетов.

Игровые тесты

Return To Proxycon
Космическая станция Проксикон подверглась нападению космических пиратов. Неожиданно выскользнувший из гиперпространства крейсер застал защитников комплекса врасплох, и несколько десантных ботов успели проскользнуть в закрывающиеся двери ангара. Здесь и разворачивается основная битва между вражеским десантом и местной службой безопасности. Плазменные импульсы, высекающие из стен искры, – падают сраженные десантники… Насмерть стоят защитники станции и даже отбивают первую волну нападающих, но тяжеловооруженные солдаты с плазменными автопушками решают исход битвы. В демо-режиме ролик идет дольше: показывают, как захватчики пробираются по коридорам станции и вскрывают один из контейнеров с ценным грузом.

Основная задача теста – имитировать современные игры, в которых все чаще демонстрируются обширные пространства с большим числом действующих лиц. У теста восемь источников освещения: два направленных, остальные точеные. Динамические тени создаются на основании карт с разрешением 2048х2048, при этом для упрощения расчетов учитываются только два направленных источника света. Большинство материалов в тесте – это металлические поверхности.

Firefly Forest
Сцена “Лес светлячков” с реалистичным моделированием природы стала визитной карточкой пакетов 3D Mark еще со времен версии 2001. Сюжет достаточно незатейлив: темной ночью в глухой чаще хвойного леса летает яркий зеленый светлячок, озаряя ветви деревьев, траву, камни и другие объекты.

Пожалуй, на сегодня это самая реалистичная сцена природы, доступная домашним системам. Лес выглядит столь правдоподобно во многом благодаря динамическим теням, которые и являются основой данного теста. Моделирование природы становится все более насущной задачей современных игр, действие которых переносится из тесных подземных коридоров в пустыни, джунгли и т. д. В сцене два источника света: направленный свет луны и точечный источник – сам светлячок. Здесь используется технология, обеспечивающая лучшее качество и правильное геометрическое отображение теней в зависимости от формы, расположения и угла освещения объекта. В зависимости от расстояния используется динамическое изменение детализации объектов. В сцене большое количество объектов с собственной физической моделью: крона деревьев, ветки и каждая травинка покачиваются под легким ветерком.

Canyon Flight
Дирижабль, словно из книг Жюль Верна, пролетает над водами глубокого каньона или фьорда. Водная гладь безмятежно колышется, и лишь крики чаек нарушают неспешный полет воздушного корабля. Но в тихом омуте, как известно, черти водятся. В третьем игровом тесте роль чертей играют гигантские летающие змеи – вас ждет увлекательный поединок экипажа корабля с морским чудовищем.

Корабль включает ускорители, и, преодолев все трудности, храбрые моряки добираются до своей цели – прекрасного города с белыми башнями. Единственное, что немного портит впечатление – не слишком выразительная одежда экипажа и полное отсутствие эмоций у людей. Над ними пролетел гигантский морской змей, а на лицах – ледяное спокойствие.

Каждый игровой тест 3D Mark 2005 показывает нам все более объемные сцены – от залов и коридоров космической станции к простору сумеречного леса и, наконец, огромное открытое пространство Canyon Flight. Даже в современных играх столь детализированные пространства такого размера встретишь нечасто.

В сцене Canyon Flight всего один источник освещения – солнце, но освещаемая поверхность поистине гигантская. Рендеринг каждого кадра выполняется в шесть тактов, благодаря чему достигается реалистичное отражение стен каньона. Здесь мы видим полный набор оптических эффектов. Это достигается использованием пиксельных шейдеров и сложного многокомпонентного материала с просчетом динамических теней, применением карты цветности, нормалей и диффузной тени.

Вода также заслуживает внимания. Эффект глубины реализуется объемным туманом, делающим объекты более размытыми и темными (степень этого эффекта зависит от глубины). В сцене есть небольшой ляп, как раз связанный с водой – поверхность удивительно спокойная, только небольшая рябь, и даже когда в нее врезается огромная туша змея, не возникает никакого волнения.

Система подсчета баллов
В подсчете баллов участвуют только игровые тесты. Конечный результат учитывает результаты расчетов логических кадров по каждой игре.

Синтетические тесты

Синтетические тесты пригодятся для тестирования отдельных функций видеокарты, на конечный балл они не влияют, но помогают определиться с выбором видеокарты:

- Fill Rate («Скорость заполнения») – определяет скорость текстурирования. Тест имеет два режима: наложение одной текстуры на 64 поверхности и 8 текстур на 8 поверхностях. В сравнении с предыдущими версиями 3D Mark в этой значительно снизилось качество текстуры, очевидно, чтобы уменьшить влияние пропускной способности шины памяти.

- Pixel Shader («Скорость обработки пиксельных шейдеров») – для этого теста разработчики выбрали фрагмент стены каньона из третьего игрового теста. Никаких других объектов в кадре нет, только стена и источник освещения. Именно в этом тесте наиболее заметна разница в картинке и производительности при использовании пиксельных шейдеров разных версий.
- Vertex Shader (Скорость обработки вертексных шейдеров) – этот тест определяет производительность вертексных шейдеров видеокарты. Он состоит из двух частей. Первая – “Простые шейдеры” – показывает четыре высокодетализированные модели морских чудовищ из третьего теста, в сцене нет текстур и только один источник освещения. Вторая – “Сложные шейдеры” – демонстрирует огромное количество травинок, каждая из которых колышется, имитируя проносящийся над поляной ветерок. Нельзя не отметить, что даже в современных играх столь сложные сцены пока не используются, так что не удивляйтесь скромным результатам – тест рассчитан на будущее.

Задание 8

Тестирование ЖК - монитора

Описание тестов

Тест узоры.

Набор узоров для проверки интерполяции “неродных” разрешений. Перед проведением теста рекомендуется выполнить настройку монитора для каждого видеорежима.

Тесты выявляют неоднородность изображения в виде горизонтальных и(или) вертикальных полос, по сравнению с изображением в “родном” разрешении.

Тест сетка.

Тест для проверки размытости и толщины линий. Как и предыдущий тест, характеризует читаемость шрифтов и мелких деталей.

Тест движущийся квадрат.

Тест для визуальной оценки быстродействия матрицы. Наиболее нагляден при одновременном тестировании нескольких мониторов на матрицах разных типов, и при сравнении с CRT мониторами. Параметры для сравнения – яркость двигающегося квадрата, длина “хвоста”, размытость границы, цвет и геометрия квадрата.

Информация в левом верхнем углу экрана:

Cur 1280x1024 32 bit 60 hz - текущий видеорежим

60hz 16, 6ms - частота и интервал обновления экрана

Vh=5 p/c Vv=5 p/c - скорость смещения квадрата (точек/кадр).

11. Тест аналогичен предыдущему, но квадрат движется по горизонтали или вертикали, и нанесена масштабная сетка.

Порядок тестирования

8.1.Откройте программу TFTTEST.EXE и последовательно проведите оценку всех показателей характеризующих качество работы ЖК – монитора.

8.2. Заполните таблицы 3, 4

Описание монитора

Таблица 3

Модель
Минимальная цена, у.е.
Изготовитель (торговая марка)
Место при тестировании
Размер экрана, дюйм
Зерно (шаг), мм
Видимая часть экрана (диагональ), см
Кинескоп (торговая марка, тип, покрытие)
Ширина полосы пропускания видео, МГц
Максимальное разрешение (паспортное)
Входной разъем
Ширина USB
Мультимедиа
Габариты, мм
Вес, кг
Соответствие стандартам
Кадровая частота (паспортная), Гц
Максимальная частота регенерации (Гц) при рабочем разрешении

Результаты испытаний

Таблица 4

Тест / Модель	Оценка
Тест линии
Тест градиента цвета
Цвета с изменяющейся яркостью
Тест ступенчатого градиента цвета
Тест концентрических окружностей
Тест кольцевой градиент
Тест узоры
Тест шрифты разного размера
Тест сетка
Тест движущийся квадрат

Достоинства
Недостатки
Общая оценка

8.3. Рассчитайте общую оценку монитора, например:

Содержание отчета

В отчете приведите описание результатов выполнения пунктов лабораторных заданий.

Основные сведения

2.1. Состав видеоподсистемы персонального компьютера;

Видеосистема состоит из трех основных компонентов:

- монитор;

- видеоадаптер (или видеокарта);

- драйверы.

Видеоадаптер

Графические ускорители

Произошла интеграция ускорителей трехмерной графики и видеоадаптеров.

Графические аппаратно-программные интерфейсы

Аппаратно-программный интерфейс трехмерной графики обеспечивает активацию функций графического ускорителя из программы. Он содержит набор служебных библиотек и описание действий, которые можно выполнить, обращаясь к этим библиотекам. При создании программ, использующих функции аппаратного ускорения, не требуется разбираться в устройстве конкретного ускорителя. Библиотеки интерфейса обеспечивают стандартизированные обращения к драйверу видеоадаптера. Этот драйвер реализует аппаратные команды, специфичные для конкретного графического процессора. Таким образом, программа работает на любомустройстве, поддерживающем данный интерфейс, если на компьютере пользователя есть нужные библиотеки.

Наличие подобного интерфейса — это ключевой фактор, который дает возможность массового создания программ, использующих новые возможности аппаратных средств.

Интерфейс Glide > -это первый интерфейс трехмерной графики, специально предназначенный для персональных компьютеров. Позднее функции трехмерных операций (DirectW) появились и в стандартном графическом интерфейсе DirectX, который включи ясорсав системы Windows. Кроме того, для персональных систем был адаптирован интерфейс OpmGLiOpen Graphic Library(открытая графическая библиотека), который ранее использовался для расчета трёхмерных сцен на специализированных графических станциях.

Стандартизация интерфейсов трехмерной графики шла «явочным порядком» — путем «добровольной» их поддержки программистами и создателями видеокарт. Уникальность и закрытость оказалась ахиллесовой пятой интерфейса Glide. Он так и не стал общепринятым стандартом и после утр> ты фирмой 3dfxмонопольного положения на рынке постепенно ушел в небытие.

Большинство компьютерных игр (а это наиболее массовые приложения для персональных компьютеров, ориентированные на трехмерную графику) сегодня используют интерфейс DirectX. Но нередко применяется и интерфейс OpenGL (на платформе специализированных графических станций позиций OpenGL остались непоколебимыми). Драйверы всех современных видеоадаптеров поддерживают как библиотеки DirectX, так и OpenGLВ некоторых программах пользователь может по своему усмотрению выбрать, какой из этих интерфейсов должен применяться.

12 Следующая ⇒