Friedrich Hoermann Hauptseminar Grafikprogrammierung. Grundlagen und Aufbau einer Grafikkarte

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Eike Baumgartner
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1 Friedrich Hoermann Hauptseminar Grafikprogrammierung Grundlagen und Aufbau einer Grafikkarte

2 Seite 2 Inhalt - Einleitung - Geschichte - Aufbau der Grafikkarte - Die Grafikpipeline - Ausblick

3 Seite 3 Einleitung - Entwicklung der Grafikkarten sehr schnell - Transistorenanzahl verdoppelt sich innerhalb von 6 Monaten - Bei CPUs gilt Mooresches Gesetz mit 18 Monaten - ATI HD Mio Transistoren - Core2Duo 291 Mio Transistoren

4 Seite 4 Geschichte - Erste Rechner mit grafischer Ausgabe - WHIRLWIND (MIT) SAGE Militärische Nutzung

5 Seite 5 Sketchpad (1963) - Von Ivan Sutherland entwickeltes Zeichenprogramm - Bedienung mit Hilfe eines Stiftes

6 Seite 6 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.

7 Seite 7 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

8 Seite 8 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.

9 Seite 9 Grafikkartenstandards von IBM - Professional Graphics Adapter (PGA) Erste prozessorbasierte Grafikkarte für professionelle Anwendungen (CAD) - Übernahm alle videobasierten Aufgaben des Systems - Auflösung 640x480, 256 Farben, 60 Frames/Sekunde $ im Vergleich zu 50000$ für vorhergehende Workstations

10 Seite 10 Grafikkartenstandards von IBM - Enhanced Graphics Adapter (EGA) Grafikmodus 640x350 Pixel bei 16 aus 64 Farben - Textmodus 80x43 Zeichen bei 8x8 Zeichen - Video Graphics Array (VGA) Definierte verschiedene Kombinationen von Auflösungen und Farbtiefen aus Farben - 640x480 Pixel maximale Auflösung

11 Seite 11 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

12 Seite 12 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)

13 Seite 13 3D-Beschleuniger - 3dfx Voodoo 2 - Weitere Funktionen - Trilineares Filtering verhindert MIP Banding - Möglichkeit des SLI Verbunds

14 Seite 14 Mip Mapping

15 Seite 15 Aufbau einer Grafikkarte Hauptbestandteile: - Grafikchip - Bild-/Videospeicher - RAMDAC (Chip zur Umwandlung der digitalen in analoge Bildsignale) - AGP- oder PCI-Express-Interface - Anschlüsse für Ausgabegeräte

16 Seite 16 Aufbau einer Grafikkarte

17 Seite 17 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

18 Seite 18 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

19 Seite 19 Grafikprozessor

20 Seite 20 Die Grafikpipeline - Daten durchlaufen Pipeline von Oben nach Unten - Geometrieteil mit reinen Vektordaten - Pixel- und Texturblending mit Vektor- und Pixeldaten - Rasterung auf Pixelebene

21 Seite 21 Vektordaten - Vertex ist Eck- oder Scheitelpunkt eines Polygons - Polygon=Vieleck - Vertex enthält - Koordinaten - Farbwert/Transparenz - Texturkoordinaten für Texture Mapping

22 Seite 22 Tesselation - Polygone werden in Dreiecke zerteilt - Grafikkarten auf Verarbeitung von Dreiecken ausgelegt - Auch aus komplexen Objekten werden viele einfache Dreiecksflächen

23 Seite 23 Transformation und Beleuchtung - Transformation von Objektkoordinaten in globale Koordinaten - Verschiedene Operationen - Benutzung von homogenen Koordinaten, damit immer gleiche Berechnungsvorschrift - Translation x ' x dx = + y ' y dy x ' 1 0 dx x y' = 0 1 dy * y Skalierung x ' α x = y ' β y - Rotation x ' cos( α) sin( α) x = * y ' sin( α) cos( α) y x ' α 0 0 x y' = 0 β 0 * y x ' cos( α) sin( α) 0 x y' = sin( α) cos( α) 0 * y

24 Seite 24 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

25 Seite 25 Clipping - Abschneiden alle nicht-sichtbaren Objekte - Sichtkegel - Dadurch weniger Daten für die restliche Pipeline - Danach Projektion auf Pixelebene - Nachfolgende Operationen werden per-pixel durchgeführt

26 Seite 26 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

27 Seite 27 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

28 Seite 28 Z-Buffer

29 Seite 29 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

30 Seite 30 Moderne Grafikpipeline Problem alte Pipeline: - Implementierung der Funktionen in Hardware - Wenige Möglichkeiten für Programmierer - Langsame Entwicklung Lösung: - Shadereinheiten - Funktional beschränkte Rechenbausteine - Programmierung durch Entwickler

31 Seite 31 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

32 Seite 32 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

33 Seite 33 Unified-Shader

34 Seite 34 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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