Реализация трехмерной графики (стр. 3 из 10)

Рисунок 2. Линейное отображение пикселов в видеопамяти: а – 1 бит на пиксел;

б – 2 бита на пиксел

Рисунок 3. Многослойное отображение пикселов в видеопамяти

В режимах 8, 16 и 24 бит на пиксел также используется линейная организация, но каждый байт (слово или три байта) отвечает уже за цвет одного пиксела. Многоплоскостная организация здесь уже была бы неэффективной.

Вышеописанные варианты организации видеопамяти — и линейный, и многоплоскостной — представляют собой отображение матрицы пикселов экрана на биты видеопамяти — Bit Mapping. Растровый формат хранения изображений, при котором биты так или иначе отображают пикселы, называется битовой картой (BitMap). С точки зрения плотности хранения графической информации этот формат не самый эффективный, но в видеопамяти растрового дисплея вследствие высокого темпа вывода информации при регенерации изображения иной формат неприемлем. В векторных дисплеях, о которых мы упоминали, в памяти хранились только векторные описатели фигур, что для контурных изображений обычно оказывается компактнее.

Объем видеопамяти (в битах), требуемый для хранения образа экрана, определяется как произведение количества пикселов в строке на количество строк и на количество бит на пиксел. Так, для режима HGC 720 х 350 с одним битом на точку он составляет 252 000 бит или около 31 Кбайт, а 800 х 600 х 256 цветов — 480 000 бит или около 469 Кбайт. Если физический объем видеопамяти превышает необходимый для отображения матрицы всего экрана, видеопамять можно разбить на страницы. Страница — это область видеопамяти, в которой умещается образ целого экрана. При многостраничной организации видеопамяти только одна из них может быть активной — отображаемой на экран. Этим страницы принципиально отличаются от слоев, которые отображаются одновременно.

Формирование битовой карты изображения в видеопамяти графического адаптера производится под управлением программы, исполняемой центральным процессором. Сама по себе задача формирования процессору вполне по силам, но при ее решении требуется пересылка большого объема информации в видеопамять, а для многих построений еще и чтение видеопамяти со стороны процессора. Видеопамять большую часть времени занята выдачей информации схемам регенерации изображения в довольно напряженном темпе. От этого процесса она свободна только во время обратного хода луча по строке и кадру, но это меньшая часть времени. Если обращение к активной странице видеопамяти со стороны процессора происходит во время прямого хода и быстродействия схем адаптера недостаточно для того, чтобы это обращение вписалось между соседними выборками процесса регенерации, на экране появится штрих от несчитанной информации пикселов. Если такое обращение происходит часто, на экране появляется «снег», что неприятно. Дожидаться обратного хода по строке или кадру накладно: строчный период коротких (несколько микросекунд) интервалов обратного хода имеет порядок 25 мкс, а кадровый период длинного (миллисекунды) обратного хода имеет порядок 20 мс, в то время как цикл обращения процессора к обычной памяти не превышает сотен (у современных компьютеров — десятков) наносекунд. Так что канал связи процессора с видеопамятью представляет собой узкое горлышко, через которое пытаются протолкнуть немалый поток данных, причем чем более высокое разрешение экрана и чем больше цветов (бит на пиксел), тем этот поток должен быть интенсивнее. Конечно, при выводе статической картинки это вроде и не страшно, но «оживить» изображение оказывается проблематично. Выходов из этого затруднения имеется несколько. Во-первых, повышают быстродействие видеопамяти. Во-вторых, расширяют разрядность шин графического адаптера, причем как внутренней (шины видеопамяти), так и интерфейсной, и применяют высокопроизводительные шины (раньше локальную VLB, теперь PCI или порт AGP). Расширение разрядности позволяет за один цикл обращения передать большее количество бит данных — повысить производительность. Однако если у адаптера, к примеру VGA, разрядность интерфейсной шины — 16 бит, а установлен минимальный объем памяти, при котором используется только 8 бит, то эффективная разрядность интерфейса окажется всего 8 бит. То же относится и к адаптерам с 32-разрядной шиной. Этим объясняется не совсем очевидный факт, что производительность графического адаптера зависит от объема установленной видеопамяти. В-третьих, повысить скорость видеопостроений можно кэшированием видеопамяти или затенением видеопамяти, что, по сути, почти одно и то же. В этом случае при записи в область видеопамяти данные будут записаны как в видеопамять, так и в ОЗУ (или даже в кэш), а при считывании из этой области обращение будет только к быстродействующему ОЗУ. И в-четвертых, можно принципиально сократить объем информации, передаваемой графическому адаптеру, но для этого графический адаптер должен быть наделен «интеллектом». В современных компьютерах используются все эти решения.

Под интеллектом графического адаптера подразумевается наличие на его плате собственного процессора, способного формировать растровое изображение в видеопамяти (bitmap) по командам, полученным от центрального процессора. Команды ориентируются на наиболее часто используемые методы описания изображений, которые строятся из отдельных графических элементов более высокого уровня, чем пикселы.

Команды рисования (Drawing Commands) обеспечивают построение графических примитивов — точки, отрезка прямой, прямоугольника, дуги, эллипса. Примитивы такого типа в командах описываются в векторном виде, что гораздо компактнее, чем их растровый образ. Таким образом, удается значительно сократить объем передаваемой графической информации за счет применения более эффективного способа описания изображений. К командам рисования относится и заливка замкнутого контура, заданного в растровом виде, некоторым цветом или узором (pattern). Она ускоряется особенно эффективно: при программной реализации процессор должен просмотреть содержимое видеопамяти вокруг заданной точки, двигаясь по всем направлениям до обнаружения границы контура и изменяя цвет пикселов на своем пути. При этом требуется чтение большого объема данных видеопамяти, их анализ и запись модифицированных данных обратно в видеопамять. Процессор интеллектуального адаптера способен выполнить эту операцию быстро и без выхода с этим потоком данных на внешнюю магистраль.

Копирование блока с одного места экрана на другое применяется для «прокрутки» изображения экрана в разных направлениях. Эта команда сводится к пересылке блока бит — BitBlT (Bit Block Transferring), и эта операция интеллектуальным адаптером может быть сильно ускорена.

Для формирования курсора на графическом экране применяют команды работы со спрайтами. Спрайт (Sprite) — небольшой прямоугольный фрагмент изображения, который может перемещаться по экрану как единое целое. Перед использованием его программируют — определяют размер и растровое изображение для него, после этого он может перемещаться по экрану, для чего достаточно только указывать его координаты.

Аппаратная поддержка окон (Hardware Windowing) упрощает и ускоряет работу с экраном в многозадачных (многооконных) системах. На традиционном графическом адаптере при наличии нескольких, возможно, перекрывающих друг друга окон программе приходится отслеживать координаты обрабатываемых точек с тем, чтобы не выйти за пределы своего окна. Аппаратная поддержка окон упрощает вывод изображений: каждой задаче выделяется свое окно — область видеопамяти требуемого размера, в котором она работает монопольно. Взаимное расположение окон сообщается интеллектуальному адаптеру, и он для регенерации изображения синхронно с движением луча по растру сканирует видеопамять не линейно, а перескакивая с области памяти одного окна на другое.

Если объем видеопамяти превышает необходимый для данного формата экрана и глубины цветов, то в ней можно строить изображение, превышающее по размеру отображаемую часть. Интеллектуальному адаптеру можно поручить панорамирование (Panning) — отображение заданной области. При этом горизонтальная и вертикальная прокрутка изображения не потребует операций блочных пересылок (конечно, в пределах сформированного большого изображения) — для перемещения достаточно лишь изменить указатель положения.

Вышеописанные функции интеллектуального адаптера относятся к двумерной графике (2D). Современные графические адаптеры берут на себя и многие функции построения трехмерных изображений, о чем более подробно рассказано в главе 4. Трехмерное изображение должно состоять из ряда поверхностей различной формы. Эти поверхности «собираются» из отдельных элементов-полигонов, чаще треугольников, каждый из которых имеет трехмерные координаты вершин и описание поверхности (цвет, узор). Перемещение объектов (или наблюдателя) приводит к необходимости пересчета всех координат. Для создания реалистичных изображений учитывается перспектива — пространственная и атмосферная (дымка или туман), освещенность поверхностей и отражение света от них, прозрачность и многие другие факторы.