Inhalt Lernziele. Computergraphik I. 1. Prozeß der Bildgenerierung. 3. Graphik-Hardware (Peripheriegeräte)

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1 Computergraphik I Dr. Marcel Götze Vorlesung von Dr. Stefan Schlechtweg Sommersemester 2007 Graphikhardware Inhalt Lernziele Prozeß Prozeßder der Bildentstehung Bildentstehung Graphik-System Graphik-System Graphik-Hardware Graphik-Hardware 4. Eingabegeräte Scanner Scanner Joystick Joystick Trackball/Maus Trackball/Maus 5. Ausgabegeräte Drucker Drucker Tintenstrahldrucker Tintenstrahldrucker Laserdrucker Laserdrucker Monitor Monitor Aufbau Aufbau CRT-Monitore CRT-Monitore Plasmadisplays Plasmadisplays LC-Displays LC-Displays 6. Graphikkarten Graphikprozessoren Graphikprozessoren Vertex-Shader Vertex-Shader Pixel-Shader Pixel-Shader Datenfluß in in der der Computergraphik und und bei bei der der Bilderzeugung verstehen Typische Eingabegeräte und und deren deren Funktionalität kennen Typische Ausgabegeräte und und deren deren Funktionalität kennen Aufbau Aufbau und und Funktionen der der Graphikkarte kennen 2 1. Prozeß der Bildgenerierung 2. Graphik-System Benutzerinteraktion Modell 3D-Geometrien Transformationen Materialeigenschaften Lichtquellen Beobachter Geometrie-Subsystem Vereinf. Repräsentation Eingefärbte Polygone, Strecken, Punkte Beobachter-orientiert Prozessor Speicher Raster-Subsystem Framebuffer Graphik-Hardware 2D-Rasterbild 3 Framebuffer: Teil des Video- RAM von Computern, Bildspeicher, enthält digitale Kopie des Monitorbildes, 4 3. Graphik-Hardware (Peripheriegeräte) Eingabegeräte Scanner Datentablett 3D-Scanner 3D-Digitalisierer Computer (Graphikkarte) Interaktionsgeräte Joystick Trackball / Maus 3D-Maus Datenhandschuh Datenanzug... Ausgabegeräte Monitor (Raster / Vektor) Plotter Drucker Signale aus der Umgebung müssen in Daten umgewandelt werden, die der Computer versteht Dabei typischerweise Analog-Digital- Wandlung Häufige Eingabegeräte Scanner Kameras Tastatur Maus Bewegungssensoren 5 6

2 Scanner 4.1. Scanner Trommelscanner Eingabe von Bild-Daten dabei Analog-Digital-Wandlung Arten von Scannern: high-end Trommelscanner, auch für reflektierende Bilder und Folien, 35mm Dia bis hin zu 16ft x 20in Material, hohe Auflösung (10,000dpi+) Dokumentscanner, für OCR und document management Flachbettscanner Folien-/Diascanner mit Durchlicht Handscanner ommel_d.0.html Scanner Flachbettscanner 4.2. Joystick digital: Schaltkontakte je Richtung keine Feststellung der Druckstärke analog Potentiometer Messung Ausrichtungswinkel Druckstärke Beschleunigung oft ForceFeedback D. Jackèl, Uni Rostock Trackball/Maus (mechanisch) 4.3. Trackball/Maus (optisch) Funktionsprinzip Abhängig von der Rotations- Richtung treibt ein Gummiball zwei Lochrasterscheiben an, die im Winkel von 90 Grad versetzt angeordnet sind. Die Lochrasterscheiben wirken als Unterbrecher zweier Lichtschranken und erzeugen Spannungsimpulse. Zwei Zähler registrieren die Anzahl dieser Impulse und bestimmen damit die relative Änderung der Bildschirm- Cursor-Position. (Die Maus funktioniert in der gleichen Weise). Bewegliche Teile (Kugel,...) durch einen optischen Sensor (CMOS) und einen Digitalen Signalprozessor (DSP) ersetzt Infrarot-Sensor emittiert rotes Licht unter die Maus und nimmt 1500 mal pro Sekunde ein hochaufgelöstes Bild auf. Bilder dann durch den DSP verglichen und in Bewegungen des Cursors umgesetzt image correlation processing mit 18 MIPS Vorteile sanftere, genauere Bewegung weniger anfällig gegenüber Verschmutzung funktioniert auf fast allen Oberflächen 11 12

3 Graphiktablett Stifteingabegerät für Graphikanwendungen Stift wird auf Tablett bewegt Tablett ermittelt Positionsdaten Induktiv Stift erzeugt Magnetfeld Je nach Stärke wird Position durch Tablett ermittelt und An Rechner übermittelt Stiftstromversorgung: Aktiv: Batterie oder Kabel Passiv: Induktion Oft drucksensitiv Positionierung absolut Oft Kombination mit Display TabletPC Dienen der Darstellung der Informationen in einer Form, die der Mensch verarbeiten kann Typische Ausgabegeräte Monitore Drucker 14 Ausgabe von Text- und Bild-Daten auf Papier verschiedene Drucktechnologien unterschiedliche Qualität der Ausgabe, unterschiedliche Anwendungs-bereiche heute gebräuchlich: Nadeldrucker Tintenstrahldrucker Laserdrucker Tintenstrahldrucker Tinte wird durch feine Düsen aufs Papier gespritzt. Funktionsprinzipien: continuous flow: Tinte fließt ununterbrochen, wenn kein Bildpunkt erzeugt werden soll, wird der Tintenstrahl in eine Ablenkschale geleitet Drop on demand: Tinte fließt nur, wenn ein Bildpunkt zu erzeugen ist BubbleJet: Die sich in der Druckerdüse befindliche Tinte wird kurzzeitig stark erhitzt. Die Tinte verdampft lokal und bilder eine Gasblase, die die Tinte, die sich in der Düse befindet auf das Papier schießt. Wird das Heizelement abgeschaltet, schrumpft die Blase, es entsteht ein Unterdruck und Tinte wird aus dem Vorratsbehälter in den Druckkopf gesaugt Tintenstrahldrucker piezoelektrisch: Tintenaustritt wird durch mechanische Verformung eines piezoelektrischen Wandlers erzwungen. Funktionsweise entspricht ansonsten dem eines Bubble Jet Druckers. D. Jackèl, Uni Rostock Laserdrucker rotierende Trommel negativ geladen Laserstrahl baut beim Auftreffen die negative Ladung ab Toner (negativ geladen) kann nur an den entladenen Stellen haften Papier positiv geladen, Übertragung des Toners von der Trommel auf das Papier Toner durch Hitze (180 ) und Druck auf dem Papier fixiert 18

4 Laserdrucker Erweitern auf 4-Farb-Druck mit Cyan, Magenta, Yellow, Black Aufbringen der Farbauszüge nacheinander direkt auf das Papier oder nacheionander auf ein Zwischen-medium und dann gemeinsam auf das Papier historisch: Vektorbildschirme 1950 Whirlwind Radar, Spiele bis Mitte 1980er Jahre Langsam veraltet: Kathodenstrahlröhren-Monitore (CRT) übliche Auflösungen bis und größer Monochrom-Monitore nur noch selten üblich: 16bit oder 32bit Farbtiefe Standard heute: LCD- bzw. TFT-Displays Plasmadisplays für Spezialanwendungen und große Displayflächen Funktionsweise (Rastermonitor) Funktionsweise (Vektormonitor) D. Jackèl, Uni Rostock Aufbau Kathodenstrahlröhre Aufbau Kathodenstrahlröhre (Delta-Bildröhre) 23 24

5 Aufbau Kathodenstrahlröhre (Trinitron-Bildröhre) Vor-/Nachteile CRT-Displays Vorteile: hohe Auflösung, volle Farbtüchtigkeit, sehr guter Kontrast niedriger Preis bei hoher Zuverlässigkeit. Nachteile: schwer, sperrig hoheleistungsaufnahme Flimmernd, verzerrend Analogtechnik Röntgenstrahlung D. Jackèl, Uni Rostock Plasmadisplays Wirkprinzip: Anlegen einer Hochspannung an ein Gas mit niedrigem Druck erzeugt Licht Plasmadisplay: Matrix kleiner Leuchtzellen Anlegen einer Spannung: Ionisieren des Gases (Übergang zu Plasma) UV-Licht wird emittiert, bringt Phosphorschicht zum Leuchten Jede Zelle hat drei Subzellen (RGB) Grundlagen Flüssigkristalle: 1888 vom Physiker Reinitzer entdeckt Organischen Moleküle mit Orientierungsordnung Form ist langgestreckt oder scheibenförmig Achsen sind einheitlich ausgerichtet. Einteilung der Flüssigkristalle je nach Ausrichtung: nematische fadenförmig smekmatische schichtenförmig cholesterinische wendelförmig Aufbau Verdrillter nematischer Flüssigkeitskristall (twisted nematic cells) Zwei parallele Glasplatten, Abstand von 5-10 mm Ausrichtung der Moleküle ohne angelegtes elektrisches Feld durch mikroskopisch feine Längsriffelung der Glasplatten Glasplatten sind mit einem feinen Elektrodenmaterial bedampft Material ist durchsichtig und leitend Indiumzinnoxid (ITO indium tin oxide) 29 Funktionsweise: unterschiedliche Menge der weißen Hintergrundbeleuchtung wird von einen aktiven Filter durchgelassen Farbe (RGB) durch Farbfilter Ausrichtung der Moleküle ohne Spannung entlang der Rillen entsprechend den Polfiltern, Licht wird entlang der Moleküle gedreht, und daher durchgelassen Bei angelegter Spannung wird Licht nicht gedreht und aufgrund der Polfilter blockiert 30

6 31 Vorteile Geringe Leistungsaufnahme, niedrige Betriebsspannung Flimmerfrei gute Kontrastwerte Digital Leicht, klein, notwendig für mobile Geräte Nachteile passive Arbeitsweise zusätzliche LQ sind für Farbe nötig. Geringer Betrachtungsbereich aufwendige Herstellung, teuer weitere Möglichkeiten Videoprojektoren (Beamer) verschiedene Techniken OLED (Organic Light-Emitting Diode) organischer Halbleiter 3D Monitore E-Paper papierähnlicher Kunststoff, elektrisch leitend, Beschichtung e-ink, elektrisch veränderbare Pigmente Hauptproblem bei den alten VGA-Systemen: Geschwindigkeit CPU mußte die Graphikberechnungen durchführen hoher Datentransfer über den Bus zur Graphikkarte Speicherarchitektur (DRAM): kein gleichzeitiger Lese- und Schreibzugriff, d.h. RAMDAC mußte mit dem Auslesen warten, wenn die CPU in den Speicher geschrieben hat und umgekehrt Lösung: Einführen spezieller GPUs auf modernen Graphikkarten CPU schickt Zeichenbefehle, GPU berechnet die Pixel und damit den Inhalt des Bildspeichers GPU schneller, entlastet die CPU Weniger Datentransfer auf dem Systembus Videospeicher =Framebuffer, üblicherweise auf der Graphikkarte platziert neue Speichertechnologien können eingesetzt werden, die die Nachteile des normalen Hauptspeichers umgehen: VRAM (Video RAM): gleichzeitige Lese- und Schreibzugriffe, weniger häufiger Refresh EDO RAM: höhere Bandbreite, höhere Taktung... Information im Framebuffer: Bitmap, die dann auf den Bildschirm übertragen wird Gesonderte Speicherung der drei Grundfarben R, G, B oder Arbeit mit Farbpaletten Nicht genutzte Speicherbereiche werden auf modernen Karten als Cache oder Sonderspeicher verwendet

7 37 RAMDAC Random Access Memory Digital Analog Converter Liest den Inhalt des Framebuffers Konvertiert die digitalen Informationen in analoge Signale Sendet die Signale an den Monitor ein DAC für jede der drei Grundfarben Konvertierung: Nutzung einer Lookup-Tabelle, die die digitalen Signale in Spannungslevel übersetzt RAMDAC diktiert Refresh-Raten und Anzahl der verfügbaren Farben 3D-Beschleunigung im Prinzip: Übernahme weiterer Berechnungen durch den Graphikchip, um die CPU zu entlasten Transformationen Beleuchtung Texturierung Die neueste Generation vom Graphikkarten erlaubt eine freie Programmierung der Rendering-Pipeline Pixelshader Vertexshader Multitexturing (z.b. Detailmapping) Graphikprozessoren 7. Graphikprozessoren 7.1. Graphikprozessor und seine Umgebung Grafikprozessoren sehr komplexe Chips Transistoranzahl höher als bei modernen CPUs CPUs bestehen zudem zu großem Teil aus internen Cachespeichern Grafik-Chips Transistoren (Mio) Nvidia NV ATI R CPUs Intel Pentium 4 (Northwood) 55 AMD Athlon XP (Thoroughbred) 37, Graphikprozessoren 7.2. Vertex-Shader 7. Graphikprozessoren 7.3. Pixel-Shader Programme die auf den Eingabevertices ausgeführt werden Ersetzen normale (fixed function) Transformation und Beleuchtung der Vertices Erzeugen von Spezialeffekten ohne die CPU zu belasten, z. B. Programme die auf Pixeln ( Fragmenten ) ausgeführt werden Ersetzen oder ergänzen Texturierung Erzeugen von Spezialeffekten ohne die CPU zu belasten, z. B. Fisheye-Verzerrung Wellen-Verzerrungen generierte Bumpmap prozedurale Textur 41 42

8 43 Video: Locomotion 1989 Pacific Data Images (PDI) Gegründet 1980 Zunächst Fernsehen, Werbung, Musikvideos (u.a. Michael Jackson Black and White ) Spezialgebiet dann: Morphing in Filmproduktionen wie Batman Forever, The Arrival, Terminator 2, The Abyss, 2000 Vereiningung mit Dreamworks zu PDI/Dreamworks 2001: Shrek