Grundlagen und Aufbau einer Grafikkarte - Verteilte Systeme · PDF fileSeite 3 Grundlagen und Aufbau einer Grafikkarte | Friedrich Hoermann | 12.06.08 Einleitung - Entwicklung der

Grundlagen und Aufbau einer Grafikkarte

Friedrich Hoermann | 12.06.08 | Hauptseminar Grafikprogrammierung

Grundlagen und Aufbau einer Grafikkarte | Friedrich Hoermann | 12.06.08Seite 2

Inhalt

- Einleitung- Geschichte- Aufbau der Grafikkarte- Die Grafikpipeline- Ausblick


Einleitung

- Entwicklung der Grafikkarten sehr schnell- Transistorenanzahl verdoppelt sich innerhalb von 6 Monaten- Bei CPUs gilt „Mooresches Gesetz“ mit 18 Monaten- ATI HD3850 666 Mio Transistoren- Core2Duo 291 Mio Transistoren


Geschichte

- Erste Rechner mit grafischer Ausgabe- WHIRLWIND (MIT) 1949- SAGE 1958

- Militärische Nutzung


Sketchpad (1963)

- Von Ivan Sutherland entwickeltes Zeichenprogramm- Bedienung mit Hilfe eines Stiftes


Siebziger Jahre

Entwicklung vieler Verfahren, die auch heute noch eingesetzt werden

- Phong Shading- Gouraud Shading- Lassen glattere Oberflächen von 3D-Objekten zu- Z-Buffer, Texture Mapping (Belegen von Oberflächen mit

Texturen), Bump Mapping (Darstellung von Oberflächenunebenheiten)

- Jedoch nicht in Echtzeit anwendbar, da Rechner zu schwach.


Vektordisplays (1979)

- Kathodenstrahl wurde nicht benutzt um das Bild zeilenweise aufzubauen

- Zeichnen von Formen und Punkten mit dem Strahl

- Je nach Geschwindigkeit des Strahls helle oder dunkle Linien

- Grund: wenig Bildspeicher- 1 Megapixel Bild

(Schwarz/Weiß) ~ 125 kByte

- Damalige Rechner ~ 2 KByte


Grafikkartenstandards von IBM

- Monochrome Display Adapter (MDA), erster Standard für PC-Grafikkarten (1981)- Nur noch einfarbige Darstellung von Texten möglich

- Noch im selben Jahr Color Graphics Adapter (CGA) zur Farbdarstellung (16 Farben)- 640x200 Pixel- Je nach Auflösung niedrigere Farbwerte (120x200 für 16

Farben)- Im Textmodus 80x25 Zeichen, bei Zeichengröße 8x8

- Erste Grafikkarten wandelten nur den Inhalt des Video-RAMs in Ausgangssignale um.



- Professional Graphics Adapter (PGA) 1984- Erste prozessorbasierte

Grafikkarte für professionelle Anwendungen (CAD)

- Übernahm alle videobasierten Aufgaben des Systems

- Auflösung 640x480, 256 Farben, 60 Frames/Sekunde

- 4000$ im Vergleich zu 50000$ für vorhergehende Workstations



- Enhanced Graphics Adapter (EGA) 1984- Grafikmodus 640x350 Pixel bei 16 aus 64 Farben- Textmodus 80x43 Zeichen bei 8x8 Zeichen

- Video Graphics Array (VGA) 1987- Definierte verschiedene Kombinationen von Auflösungen

und Farbtiefen- 256 aus 262144 Farben- 640x480 Pixel maximale Auflösung


Windows-Beschleuniger

- Durch die Entwicklung von grafischen Oberflächen verlangen nach mehr Unterstützung für Darstellungsberechnung

- Windows-Beschleuniger konnten Befehle entgegen nehmen und verarbeiten- Zeichne Rechteck- Fülle Rechteck- Usw.

- Name Windows-Beschleuniger, da hauptsächlich von Microsoft Windows benutzt


3D-Beschleuniger

- Wichtigster Faktor für die Entwicklung von 3D-Beschleunigern war die Spieleindustrie

- Anfangs nur mit Addon Karten möglich- Erste Beschleunigerkarten

- 3dfx Voodoo 1 (1996)- Dreiecksbasierte Rasterisierungseinheit- Antialiasing- Texture Mapping (Belegen von Oberflächen mit

Texturen)


3D-Beschleuniger

- 3dfx Voodoo 2- Weitere Funktionen

- Trilineares Filtering – verhindert MIP Banding- Möglichkeit des SLI Verbunds


Mip Mapping


Aufbau einer Grafikkarte

Hauptbestandteile:- Grafikchip- Bild-/Videospeicher- RAMDAC (Chip zur Umwandlung der digitalen in

analoge Bildsignale)- AGP- oder PCI-Express-Interface- Anschlüsse für Ausgabegeräte


Aufbau einer Grafikkarte


Grafikspeicher

- Früher bestimmte Grafikspeicher die mögliche Auflösung und Farbtiefe

- Heute weit mehr Grafikspeicher verfügbar (128 MB bis 1GB)- Wird zur Speicherung von Texturen und 3D-Modellen

verwendet- Früher VRAM, statt dem als Hauptspeicher üblichen DRAMs

- DRAMs erlauben kein gleichzeitiges lesen und schreiben- Aber für Grafikverarbeitung wichtig, da neues Bild

während Ausgabe des vorhergehenden berechnet wird- Heute GDDR-Ram

- Weiterentwicklung des Hauptspeicher DDR-Rams- Bei Onboard-Lösungen wird Hauptspeicher benutzt


Grafikprozessor

- Erst mit Windows-Beschleunigern eigene Berechnungen möglich

- Durch Entwicklung der 3D-Anwendungen wurden Grafikprozessoren immer an diese Spezialanwendung angepasst

- Benutzung einer 3D-Pipeline für 3D-Grafiken- Daten durchlaufen Pipeline bis zur Ausgabe (Framebuffer)

- Anfangs nur wenige Schritt der Pipeline von GPU ausgeführt


Grafikprozessor


Die Grafikpipeline

- Daten durchlaufen Pipeline von Oben nach Unten

- Geometrieteil mit reinen Vektordaten

- Pixel- und Texturblending mit Vektor- und Pixeldaten

- Rasterung auf Pixelebene


Vektordaten

- Vertex ist Eck- oder Scheitelpunkt eines Polygons- Polygon=Vieleck

- Vertex enthält- Koordinaten- Farbwert/Transparenz- Texturkoordinaten für Texture Mapping


Tesselation

- Polygone werden in Dreiecke zerteilt- Grafikkarten auf Verarbeitung von Dreiecken ausgelegt- Auch aus komplexen Objekten werden viele einfache

Dreiecksflächen


Transformation und Beleuchtung

- Transformation von Objektkoordinaten in globale Koordinaten- Verschiedene Operationen- Benutzung von homogenen Koordinaten, damit immer gleiche

Berechnungsvorschrift- Translation

- Skalierung

- Rotation

' 1 0' 0 1 *

1 0 0 1 1

x dx xy dy y

⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟=⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

''

x x dxy y dy

⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞= +⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟

⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

''

x xy y

αβ

⎛ ⎞ ⎛ ⎞=⎜ ⎟ ⎜ ⎟

⎝ ⎠ ⎝ ⎠

' cos( ) sin( )*

' sin( ) cos( )x xy y

α αα α

−⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞=⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟

⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

' 0 0' 0 0 *

1 0 0 1 1

x xy y

αβ

⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟=⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

' cos( ) sin( ) 0' sin( ) cos( ) 0 *

1 0 0 1 1

x xy y

α αα α

−⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟=⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠


Transformation und Beleuchtung

- Umwandlung in Kamerakoordinaten- Kamera auf Position (0,0,0)- Blickrichtung entlang der z-Achse

- Umwandlung von Objektkoordinaten zu Weltkoordinaten und dann zu Kamerakoordinaten meist in einem Schritt

- Im Beleuchtungsschritt werden die Farben an den Eckpunkten der Dreiecke in Relation zu den vorhandenen Lichtquellen berechnet


Clipping

- Abschneiden alle nicht-sichtbaren Objekte- Sichtkegel- Dadurch weniger Daten für die restliche Pipeline

- Danach Projektion auf Pixelebene- Nachfolgende Operationen werden per-Pixel durchgeführt


Texture Mapping & Fog Blending

- Texturen werden anhand der Texturkoordinaten (uvw-Koordinaten) angebracht- Bei zweidimensionalen Texturen nur uv-

Koordinaten notwendig- w-Wert z.B. für volumetrische Texturen benötigt

(Nebel)

- Bei Multitexturirung mehrere Texturkoordinaten pro Vertex- Dadurch Überlagerung von Texturen möglich

- Fog Blending um realistischeren Tiefeneindruck zu erschaffen- Geringerer Kontrast weiter entfernter Objekte


Z-Buffer

- Überprüfung der Verdeckungen- Überprüfung pro Polygon

- Entfernung der Pixel vom Betrachter- Liegt bereits ein Pixel davor oder dahinter

- Davor – Wert verwerfen- Dahinter – Wert überschreiben

- Speicherung der Werte im Z-Buffer- Danach Übergabe des Punktes an Framebuffer


Z-Buffer


Framebuffer

- Ausgabe des fertigen Bildes durch Doublebufferung- Framebuffer in zwei Bereiche unterteilt

- Frontbuffer (Wird von RAMDAC gelesen und auf dem Bildschirm dargestellt)

- Backbuffer (GPU berechnet nächstes Bild)- Ohne Doublebuffering wäre der Aufbau der Szene, bzw.

Flimmern sichtbar


Moderne Grafikpipeline

Problem alte Pipeline:- Implementierung der

Funktionen in Hardware- Wenige Möglichkeiten für

Programmierer- Langsame Entwicklung

Lösung:- Shadereinheiten- Funktional beschränkte

Rechenbausteine- Programmierung durch

Entwickler


Shadereinheiten

Vertex-Shader- Durchführung der Transformations- und Lichtberechnungen- Verschiebung von Vektoren möglich

Geometrie-Shader- Löschen und Erzeugen von Vektoren möglich- Nur bei modernen Grafikkarten und DirectX 10 möglich

Pixel-Shader- Verändern der zu rendernden Teile auf Pixel-Ebene

- Realistischere Oberflächen- und Materialeigenschaften


Unified-Shader

- Trennung der Shadereinheiten oft zu unflexibel- Z.B. reine Benutzung der Vertex-Shader, Pixel-Shader

unbenutzt- Entwicklung der Unified-Shader

- Jede Shadereinheit kann als Vertex-, Pixel-, oder Geometrie-Shader genutzt werden


Unified-Shader


Ausblick

- Grafikkarten übernehmen immer mehr Funktionen, die bisher von der CPU berechnet wurden- Videobeschleunigung beim Abspielen oder Kodieren

(h.264)- Physikberechnungen

- Mögliche Weiterentwicklung- CPU und GPU vereint (AMD Fusion)

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