4. Mensch-Maschine Schnittstellen

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1 4. Mensch-Maschine Schnittstellen 4.1 Geräte zur Visualisierung Farbmodelle e TFT-Displays 4.2 Grafikkarten Standards für Grafikkarten Aufbau von Grafikkarten VGA 4.3 Grafik-Beschleuniger Grafik-Beschleunigung mit Direct X 3D-Rendering-Pipeline SIMD-Assembler für Transform und Lighting High Level Shading Language (Cg) Folie 177 RGB-Farbmodell (additive Mischung der Grundfarben des Lichts) CMYK-Modell (subtraktive Mischung von Primärfarbstoffen) Farbmodelle HSI-Modell (physiologische Wahrnehmung von Farben) - Hue = Farbwert, Wellenlänge des Lichts - Sättigung (Saturation, Chroma) = Reinheit bzw. Grauanteil am Farbwert - Helligkeit (Intensity) = Schwarz (0%) bis Weiß (100%) LAB-Farbmodell - L = Luminanz, Helligkeit - A = Farbe Rot bis Grün - B = Farbe Blau bis Gelb Gamut (Bereich aller in einem Farbmodell darstellbaren Farben) Quelle: Adobe Folie 178

2 e Aufbau einer Bildröhre Ablenkeinheit Lochmaske momentaner Bildpunkt Drei verschiedene Bildröhren für CRT-e: Lochmaske Streifenmaske Schlitzmaske Die anderen Bestandteile einer Bildröhre sind bei allen Modellen gleich. Eine Elektronenstrahlkanone erzeugt in dem fast luftleeren Glaskolben (Bildröhre) drei Elektronenstrahlen für die Farben Rot, Grün und Blau. Diese werden durch eine Ablenkeinheit zeilenweise auf die Bildschirmoberfläche geschossen - beispielweise durch eine Lochmaske. Quelle: Eizo Folie 179 e - Lochmaske Punktabstand wird diagonal gemessen Lochmaske Elektronenstrahlen Elektronenstrahlkanonen Phosphorschicht Bildschirmoberfläche Phosphorschicht Kleinstmöglicher Bildpunkt Die Lochmaske besteht aus Keramik und Metallplatten mit einer Vielzahl kleiner Löcher. Diese Löcher leiten die Elektronenstrahlen weiter zu einer Phosphorschicht, die auf der Innenseite der Bildröhre aufgetragen ist und bei "Aufschlag" der Elektronen kurz aufleuchtet. So entsteht Punkt für Punkt das sichtbare Bild eines Bildschirms mit Lochmaske. Ein sichtbarer Punkt besteht dabei aus drei Dots mit den Grundfarben RGB. Den Punkteabstand, auch DotPitch genannt, ermittelt man diagonal zwischen zwei Farben (z.b. 0,26 mm). Quelle: Eizo Folie 180

3 Streifenmaske Die sogenannten Trinitron- oder Diamondtron-Bildschirme besitzen anstatt einer Lochmaske eine Vielzahl vertikal gespannter Drähte. Die Drähte leiten die Elektronen auf eine Phosphorschicht, die nicht punktförmig aufgetragen ist, sondern in vertikalen Streifen. So wird das sichtbare Bild erzeugt. Der Punkteabstand wird immer horizontal zwischen zwei gleichen Phosphorschichten gemessen (z.b. 0,25 mm). Schlitzmaske e Streifenmaske und Schlitzmaske Eine Schlitzmaske (ChromaClear-Maske) ist eine Kombination von Lochmaske und Streifenmaske. Ovale Öffnungen in der Maske lenken die Elektronen ähnliche wie bei der Streifenmaske auf die vertikale Phosphorschicht. Der Punkteabstand wird genau so ermittelt wie bei der Streifenmaske. Elektronenstrahlen Punktabstand Punktabstand Elektronenstrahlen Phosphorschicht Stahlfilamente Phosphorschicht Quelle: Eizo Folie 181 Aufbau eines TFT - Displays Betrachter Das Hintergrundlicht passiert die Flüssigkristalle und wird dann durch Farbfilter gefärbt Das Hintergrundlicht passiert nur dann beide Polarisationsfilter, wenn die Kristalle es drehen (links). Der Thin Film Transistor (TFT) bestimmt über ein elektrisches Feld die Ausrichtung der einzelnen Kristalle und damit wie viel Hintergrundlicht die Polarisationsfilter passiert. Quelle: PC Magazin 5/2001 Folie 182

4 Standards für Grafikkarten Bezeichnung Zeichen / Bildschirm Auflösung Farben CGA Color Graphics Adapter x x Bit EGA Enhanced Graphics Adapter 80 x x Bit VGA Video Graphics Array 80 x x / 8 Bit SVGA 800 x 600 XGA (S)XGA SXGA Super VGA bis 132 x x x x / 32 Bit UXGA 1600 x 1200 HDTV High Definition TV 1920 x 1080 HDTVplus High Definition TV plus 1920 x 1200 QXGA SVGA wird oft als VESA-Standard bezeichnet VESA = Video Electronics Standards Association 2048 x 1536 Folie 183 VGA Video Graphics Array 640 x 480 Pixel Auflösung, 16 oder 256 Farben Aktiv in der Boot-Phase eines PC sowie im Reparatur- und Notbetrieb Auf allen Grafikkarten verfügbar Prinzipieller Aufbau: CPU Adressen Daten Grafik- Controller DAC Digital/Analog- Converter oder Digitalansteuerung Bild- Speicher Folie 184

5 Bildschirmspeicher Anordnung der Planes bei VGA A0000H A0000H A0000H A0000H Bit 0 eines Punktes Bit 1 eines Punktes Bit 2 eines Punktes Bit 3 eines Punktes Plane 0 (Blau) Plane 1 (Grün) Plane 2 (Rot) Plane 3 (Intensität) Bildschirm Punkt 2 Punkte auf dem Bildschirm 4 Bit Folie 185 Grafikbeschleunigung mit Direct X Windows - Anwendung Draw 3D Show Music Input... Direct X 2D Grafik 3D Grafik Videowiedergabe Software-Synthesizer Tastatur, Joystick Treiber Emulation nicht verfügbarer Funktionen Ansprechen der Grafikfunktionen (GPU) Grafikkarte Grafikchip (GPU) Speicher Display-Ansteuerung Display Folie 186

6 1. Application Dreistufiges Modell der Rendering Pipeline Vollständige Kontrolle durch Anwendungsprogrammierer Beschreibung der 3D-Welt Drehbuch, Script, Design, Bewegungen, Kamerafahrten Interaktion mit Anwender ( kurzer Weg ) Kollisionsberechnung Generierung der Rendering-Primitiven Polygone Punkte, Linien, Dreiecke, beschrieben durch Vertices (Eckkoordinaten) 2. Geometry 2.1 Transform 2.2 Lighting 2.3 Projection 2.4 Clipping 2.5 Screen Mapping Geometrische Transformationen, Beleuchtungsberechnung und Sichtbarkeitsvorberechnung 3. Rasterizer 2D-Raum mit Z-Werten (Tiefenwerte der Polygone) Sichtbarkeitsberechnung (Z-Buffer) Einrechnen der Texturen ( Tapezieren der 2D-Polygone) Setup: Umsetzen der 2D-Polygone in Pixel Front-Buffer (Bildspeicher für ) Rendering = Bilderzeugung am Rechner aus geometrischen Modellen Folie 187 Dreistufiges Modell der Rendering Pipeline - Geometry CPU Trend GPU 2. Geometry 2.1 Transform 2.2 Lighting 2.3 Projection 2.4 Clipping 2.5 Screen Mapping Polygone Punkte, Linien, Dreiecke, beschrieben durch Vertices (Eckkoordinaten) Modell- und Sichttransformation (Kamera- Perspektive) in 3D-Weltkoordinaten Beleuchtungsrechnung (Lichteffekte, Reflexionen) Evtl. Sichtbarkeitsberechnung im Objektraum Transformation in 3D-Kamerakoordinaten Abtrennen aller Objekte außerhalb des Sichtbereichs der Kamera Transformation in 2D-Kamerakoordinaten 2D-Raum mit Z-Werten Anmerkung: Kombinationen der Einzelschritte sowie deren parallele Abarbeitung werden aktuell umgesetzt bzw. diskutiert Folie 188

7 Beispiel für eine 3D-Rendering-Pipeline Anwendungs- Programm Szenenmanagement Geometrie 2D-Raum Rasterisierung Objektdefinition Szenendefinition Lichtdefinition Perspektivische Festlegung Database Culling Projektionen Transformationen Clipping Lichteffekte Sichtbarkeitsberechnung 2D-Polygone Pixel Schattierung (Shading) Bemusterung (Texturing) Überblendung (Blending) Z-Buffer-Operationen Folie 189 ATI Radeon 8500 AGP 2x/4x Pixel Cache VGA Graphics Controller Concurrent Command Engine 2D Engine Video Immersion HDTV / DVD Decoder Scaler YUV to RGB HYPER Z 3D Engine CHARISMA ENGINE Transform, Clipping, Lighting Vertex Skinning Keyframe Interpolation Triangle Setup PIXEL TAPESTRY Texture Texture Units Units Renderer Host Bus Interface Renderer Vertex Cache Texture Cache Memory Controller and Interface 64/128 SDR or DDR Display Memory Video I/O Interface Flexible Display Engine Display Controller Display Controller Graphics Stream Digital Interface TMDS Transmitter Ratiometric Expander DAC DAC TV-Out Hardware Cursor Scaler YUV to RGB Video Stream Optional External TMDS Transmitter TFT TV Optional ROM Optional EEPROM Quelle: ATI Folie 190

8 SIMD-Assembler für Transform and Lighting Schnittstelle: OpenGL Vertex Programs DirectX 8.0 Vertex-Shader Prinzip: Ein Vertex-Programm besteht aus maximal 128 SIMD-Instruktionen Die Vertex-Programme werden im aufrufenden Programm (CPU-Seite) als String (Text) aufgebaut und über die Grafik-Schnittstelle an die GPU übergeben Ziel: Schnelle Grafikprogramme für aufwändige 3D-Grafik Befehl MOV dest, src0 MUL dest, src0, src1 ADD dest, src0, src1 MAD dest, src0, src1, src2 RCP dest, src0, C RSQ dest, src0, C DP3 dest, src0, src1 DP4 dest, src0, src1 MIN dest, src0, src1 MAX dest, src0, src1 SLR dest, src0, src1 SGE dest, src0, src1 EXP dest, src0, C LOG dest, src0, C ARL A0.x, src0.c LIT dest, src0 src0.x src0.y src0.w DST dest, src0.c, src1.d Befehle der Vertex-Programme (Auswahl) Beschreibung Kopiert den Inhalt von src0 nach dest Komponentenweise Multiplikation Komponentenweise Addition Addiert die Werte von src2 zu dem Multiplikationsergebnis von rc0 und rc1 Berechnet die Reziproke zu einer Komponente C von src0 Berechnet die inverse Wurzel zu einer Komponente von src0 Skalarprodukt zweier Vektoren / 3 Komponenten (x, y, z) Skalarprodukt zweier Vektoren / 4 Komponenten (x, y, z, w) Komponentenweises Minimum bilden Komponentenweises Maximum bilden Komponentenweiser Vergleich auf kleiner als. Ist eine Komponente von src0 kleiner als die von src1, dann wird die entsprechende Komponente in dest auf 1,0 sonst 0,0 gesetzt Komponentenweiser Vergleich auf größer gleich (vergl. SLR) Berechnet 2 hoch src0.c Berechnet Logarithmus zur Basis 2 von src0.c Laden des Adressregisters Beleuchtungsberechnung Skalarprodukt für diffuse Beleuchtung (N*L) Skalarprodukt für spiegelnde (specular) Beleuchtung (N*H) Phong Exponent, Resultat: Koeffizient für ambiente (dest.x), diffuse (dest.y) und spiegelnde (specular) (dest.z) Beleuchtung Distance Vector: src.c = d hoch 2, src1.d = 1/d, Resultat: dest = (1, d, d hoch 2, 1/d) hoch 3 Folie 191 High Level Shading Language für DirectX 9.0 Ab DirectX 9.0 steht neben der Assemblerprogrammierung über das DirectX-3D-API eine zusätzliche Hochsprache zur einfacheren Programmierung von Vertex- und Pixel-Shadern zur Verfügung Die High Level Shading Language (HLSL) wurde von Microsoft, ATI und Nvidia spezifiziert. Cg ist eine proprietäre Variante der Fa. Nvidia von HLSL Die Hochsprachenprogramme werden von einem Compiler in Assembler übersetzt. Wahlweise kann auch SIMD- Assemblerprogrammierung eingesetzt werden Bild: Nvidia Folie 192