Graphik-Hardware. Beschreibung aller wesentlichen Komponenten eines Graphiksystems letzte Dekade: vieles wurde Standard für PC.

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1 Graphik-Hardware Beschreibung aller wesentlichen Komponenten eines Graphiksystems letzte Dekade: vieles wurde Standard für PC Einteilung: 1. Eingabegeräte 2. Ausgabegeräte meist: Rastertechnik (siehe Einleitung) Oliver Deussen Graphikhardware 1

2 Kathodenstrahlröhre CRT (Cathode Ray Tube) meistbenutztes Ausgabegerät (hohe Auflösung, einfache Adressierung, Farbtauglichkeit zuverlässig, günstig) heute: zunehmend Flachbildschirme Prinzip: Braunsche Röhre in Vakuumröhre werden Elektronen durch Röhre erzeugt durch Spannung beschleunigt eletrostatisch oder elektromagnetisch abgelenkt und bringen Phosphorschicht zum Leuchten Oliver Deussen Graphikhardware 2

3 Aufbau Kathodenstrahlröhre Heating filament Electron gun Focusing system Interior metallic coating at high positive voltage Cathode Control grid Deflection coils Phosphor coating Screen aus: Foley et al.: Computer Graphics Oliver Deussen Graphikhardware 3

4 Phosphor drei unterschiedliche Sorten Rot, Grün, Blau wird durch Elektronen zum Leuchten angeregt (Fluoreszenz) leuchtet danach einige Zeit nach (Phosphoreszenz) aus: Encarnacao et al.: Graphische DV Oliver Deussen Graphikhardware 4

5 Nachleuchtdauer bestimmt Framerate oftmals: nichtlinearer ZUsammenhang zwischen Hellilgkeit I und Anodenspannung U G I = I max U G U Gmax γ I max : Gerätekonstrante daher: Gammakorrektur notwendig Oliver Deussen Graphikhardware 5

6 Gammakorrektur: aus: Encarnacao et al.: Graphische DV Oliver Deussen Graphikhardware 6

7 wie Farben exakt darstellen? Loch- oder Streifenmaske Phosphors on glass faceplate Electron guns Green Blue Red R G G B B R R G G G B B B B R R R G Metal mask G B aus: Foley et al.: Computer Graphics Oliver Deussen Graphikhardware 7

8 Flüssigkristallbildschirme LCD (Liquide Cristal Display) Flüssigkristalle: 1888 von F. Reinitzer entdeckt seit 1970 als Bildanzeigesysteme (geringer Stromverbrauch, geringe Spannung nötig) Unterscheidung: nematische Flüssigkristalle (fadenförmig) smekmatische Flüssigkristalle (in Schichten) cholesterinische Flüssigkristalle (wendelförmig) Displays: meist nematische Kristalle Oliver Deussen Graphikhardware 8

9 Aufbau: zwischen zwei Glasplatten (Abstand 5-10 µm) richten sich Kristalle aus Anordnung dreht Polarisationsrichtung einfallenden Lichts um 90 an beiden Seiten Polarisationsfilter, die ebenfalls um 90 verdreht sind maximale Lichtdurchlässigkeit im Ruhezustand Spannung anlegen: Kristalle ordnen sich um Licht wird nicht mehr verdreht und kommt nicht durch zweiten Polarisationsfilter Oliver Deussen Graphikhardware 9

10 Anordnung: Viewing direction Reflective layer Horizontal polarizer Horizontal grid wires Liquidcrystal layer Vertical grid wires Vertical polarizer aus: Foley et al.: Computer Graphics Verbesserung: zwei Zellen hinterinander Problem: Ansteuerung der Pixel (alle Pixel entlang angesteuerter Zeile/Spalte leuchten etwas) Oliver Deussen Graphikhardware 10

11 TFT-Technik jedes Pixel wird aktiv angesteuert kein Übersprechen TFT (Thin Film Transistor) (durchsichtige Transistoren aus: Foley et al.: Computer Graphics Oliver Deussen Graphikhardware 11

12 Plasmabilschirm Ansteuerung wie LCD-Bildschirm hohe Spannung zündet Gasentladung (Plasma) danach: Zelle bleibt an bei mittlerer Spannung zum Abschalten kurzzeitig keine Spannung aus: Foley et al.: Computer Graphics Oliver Deussen Graphikhardware 12

13 Weitere Ausgabegeräte Plotter: Stift wird über Papier bewegt aus: Foley et al.: Computer Graphics Fahranweisungen: HPGL Oliver Deussen Graphikhardware 13

14 Tintenstrahl-Drucker Farbe wird auf Papier gespritzt anstelle Stift zu bewegen feiner, schneller, genauer aber auch: kleineres Format Technik: piezoelektrisch (Überdruck) durch Verdampfen (Bubble-Jet) Oliver Deussen Graphikhardware 14

15 Laserdrucker Xerographisches Prinzip: Walze: photoleitfähig (Selen) wird positv geladen und mit Laserlicht teilweise entladen (Bildinformation) positiv geladener Toner bleibt an neutralen Stellen haften Oliver Deussen Graphikhardware 15

16 Bildbelichter digitale Bildinformation auf Film bringen Aufbau: Monitor stellt Bild dar, Optik überträgt auf Film Highquality: Schwarz/Weiß-Bildschirm, Farbfilter aus: Foley et al.: Computer Graphics Oliver Deussen Graphikhardware 16

17 Eingabegeräte direkte Eingabegeräte: Positionierung absolut auf Gerät Tablett Ansteuerung: akustisch oder magnetostriktiv aus: Foley et al.: Computer Graphics Oliver Deussen Graphikhardware 17

18 Magnetostriktiv: Drähte werden kreuzweise unter der Fläche gespannt Magnetfeld wird längs dazu periodisch angelegt Welle Welle induziert im Stift Strom aus Laufzeit kann Abstand errechnet werden (0,01 mm genau) Akustisch: ähnliches Prinzip: von zwei Lautsprechern werden Ultraschallimpulse ausgesandt, die Laufzeit wird gemessen Lichtgriffel misst Position auf dem Bildschirm Photosensor nimmt Leuchten des Bildpunktes unter Griffel auf aus Zeitpunkt kann Position berechnet werden Problem: ungenau, Stift anstrengend zu halten Oliver Deussen Graphikhardware 18

19 Scanner Bild wird durch CCD-Kamera zeilenweise abgetastet Indirekte Eingabegeräte: Positionierung dynamisch/relativ Maus, Rollkugel Positionierung durch Kugel, die gedreht wird hierbei: optische Sensoren messen Drehbewegung optische Mäuse: Sensoren messen Linienmuster auf Unterlage Joystick Verdrehung wird auf Potentiometer übertragen Oliver Deussen Graphikhardware 19

20 mehrdimensionale Eingabegeräte: 3D-Trackingsystem (Polhemus) Sensoren messen Senderposition im Raum Oliver Deussen Graphikhardware 20

21 neue Systeme: ohne Kabel Oliver Deussen Graphikhardware 21

22 Datenhandschuh Position der Finger wird durch Verbiegungselemente im Handschuh gemessen. Spaceball Positionierung durch Druckkraft zusätzlich: Verdrehung Oliver Deussen Graphikhardware 22

23 Graphikerzeugung mit Rasterdisplays Komponenten des Systems: aus: Encarnacao et al.: Graphische DV Oliver Deussen Graphikhardware 23

24 DPU Display Processing Unit: (auch GPU Graphics Processing Unit) Aufarbeitung des Bildinhaltes (Polygone, Flächen etc.) für Darstellung auf dem Rasterbildschirm Bildspeicher: spezielles RAM mit Synchronisationsmöglichkeit IDS (Image Display System): Ausleseeinheit des Bildspeichers und Ansteuerung des Monitors Oliver Deussen Graphikhardware 24

25 Realisierung der Graphikerzeugung: 1. GPU als Software Nachteil: langsam 2. System mit integrierter GPU gemeinsame Nutzung des Hauptspeichers Vorteil: einheitlicher Adressraum Nachteil: Ressourcenkonflike ( dedizierter Bildspeicher) 3. System mit peripherer GPU GPU besitzt eigenen Graphikspeicher und Bildspeicher gängige Architektur für PC Vorteil: Skalierbarkeit des Systems Nachteil: Daten müssen übertragen werden Oliver Deussen Graphikhardware 25

26 System mit peripherer DPU: aus: Encarnacao et al.: Graphische DV Oliver Deussen Graphikhardware 26

27 Aufbau eines IDS: 1. Schieberegister Pixelstrom erzeugen 2. LUT (Look Up Table) Pixelwerten Farbe zuordnen nicht bei true color 3. Digital/Analog-Wandler erzeugt analoges Monitorsignal (nicht bei digitalen Flachmonitoren) Oliver Deussen Graphikhardware 27

28 aus: Encarnacao et al.: Graphische DV Oliver Deussen Graphikhardware 28

29 Videoram (für Bildspeicher): aus: Encarnacao et al.: Graphische DV Oliver Deussen Graphikhardware 29

30 Bilderzeugung in der GPU aus: Encarnacao et al.: Graphische DV Oliver Deussen Graphikhardware 30