KAPITEL 3 >>> Das Grafiksystem. Kapitelübersicht

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3 Kapitelübersicht KAPITEL 3 >> Grafikkarten >> 3D-Grafik >> 3D-Erweiterungsmöglichkeiten >> Bussysteme für Grafikkarten >> Anschlüsse >> Monitore >> Flachbildschirme >>>

4 Kapitel D-Grafik Wer die Fortschritte bei den 3D-Grafikkarten für PCs über die Jahre nicht kontinuierlich verfolgt hat, wird den Errungenschaften auf diesem Gebiet nicht selten mit einem gewissen Unverständnis gegenüberstehen. Die 3D-Funktionen sind fast nur für Spiele von Bedeutung, und die Innovationen auf dem Sektor der Grafikkarten der letzten Jahre zielen auch vorwiegend hierauf ab. Falls man sich überhaupt nicht für Spiele interessiert, braucht man sich auch nicht mit 3D-Features zu beschäftigen und kann problemlos mit der OnBoard- oder der Standard-Grafikkarte eines kostengünstigen Komplett-PCs auskommen. Immerhin lässt sich im Hinblick auf die Performance auch bei den typischen Büroapplikationen von einem relativ großen Grafikspeicher profitieren, und außerdem sind je nach Typ meist noch mehr oder weniger nützliche Grafik-Tools mit dabei. Nützlich ist beispielsweise eine Applikation, die die oftmals vermisste Funktion zum Farbabgleich zwischen Monitor, Drucker und Scanner zur Verfügung stellt. Außerdem verfügen aktuelle 3D-Grafikkarten in der Regel über mindestens einen digitalen Anschluss (DVI) für TFT-Bildschirme und auch über einen TV-Ausgang, damit sich das Spiel oder das DVD-Video am heimischen Fernseher betrachten lässt, wobei es mit der Qualität dieses Ausgangs aber vielfach nicht gut bestellt ist, was oft zu einer nicht bildfüllenden, flackernden und unscharfen Darstellung führt. Bei der Beurteilung von 3D-Funktionen liegt ein generelles Problem darin, dass zwar alles Mögliche darüber erläutern werden kann, letztendlich es aber wirklich live erlebt werden muss, damit hierfür ein Verständnis und eine gewisse Urteilsfähigkeit entwickelt wird und die Fortschritte tatsächlich deutlich werden. Was die Angelegenheit außerdem noch erschwert, ist die spezielle Terminologie der Hersteller für die zahlreichen 3D-Features, die daher im folgenden Kapitel zunächst erläutert werden. 102

5 3D-Grafik Kapitel D-Funktionen im Überblick Als Kriterium zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit von 3D-Grafikkarten gilt natürlich die Darstellungsqualität. Der augenfälligste Effekt ist zunächst, dass runde Strukturen zu vieleckigen werden können, was möglichst nicht auftreten sollte und als Klötzlichen- oder Treppeneffekt bekannt ist. Dieses Problem ist eines der markantesten, welches die Hersteller mit unterschiedlichen Methoden zu beseitigen oder zumindest zu minimieren versuchen. Der Effekt, der ganz allgemein bei der Digitalisierung von analogen Signalen auftritt und auch den Grund für Einbußen in der 3D-Bildqualität liefert, ist das Aliasing. Hiermit ist der Zustand gemeint, wenn die Frequenz (Samplingrate), mit der die Abtastung des zu digitalisierenden Signals stattfindet, zu klein ist. Sie muss mindestens doppelt so groß sein, damit sich das abgetastete Signal auch wieder rekonstruieren lassen kann, was als Nyquist-Kriterium oder auch Shannon-Theorem bezeichnet wird. Bei einer Grafikkarte muss dieser Effekt beim Rasterprozess, also bei der Abbildung der Bildinformation auf ein Raster, berücksichtigt werden. Dieses darf nicht beliebig klein gewählt werden, damit es stets Übergänge zwischen einem Rasterelement (Quadrat, Rechteck, Dreieck) und dem nächsten gibt. Die Geometrie einer 3D-Szene das genaue Original muss demnach auf ein mehr oder weniger grobes Raster abgebildet werden, was somit das Aliasing erst möglich macht. Ein Strich mit vielleicht 45 (gewissermaßen der schlimmste weil augenfälligste Fall) kann somit zur Treppenstufe mutieren, denn ein Pixel (Rasterelement) kann entweder die eine oder die andere Farbe annehmen. Das Aliasing entsteht also durch Unterabtastung, was in Artefakten (falsche Bildelemente) resultiert und nicht nachträglich durch ein Filter behoben werden kann. Daher ist ein Anti-Aliasing-Verfahren vor dem Prozess des Rendering notwendig, wofür es eine Reihe von verschiedenen Methoden gibt, wie die bilineare Filterung oder das Supersampling (Überabtastung), die letztendlich allesamt zur Kantenglättung führen sollen. In den Einstellungsoptionen der Grafikkarten-Software, wie Forceware bei Nvidia- und Catalyst bei ATI-Chips, finden sich eine Reihe von speziellen Festlegungsmöglichkeiten für die 3D-Grafik. Insbesondere die Werte für das Anti Aliasing (AA) und die Anisotrope Filterung (AF) werden hier oft separat für die Konfigurierung zur Verfügung gestellt, und entsprechende Werte werden oft in den Grafikkartentests von Computerzeitschriften angeführt. 103

6 Kapitel 3 Abbildung 3.9: Falls keine Standardeinstellung verwendet werden soll, können auch manuelle Veränderungen durchgeführt werden, wobei meist ein Kompromiss zwischen Qualität und Leistung getroffen werden muss. Bei genauerer Betrachtung werden diese Einstellungsmöglichkeiten in der Praxis eigentlich selten benötigt, und anstatt hier stundenlang an den Optionen herumzuspielen in der Hoffnung, bisher ungeahnte Grafikqualitäten zutage zu fördern ist es meist besser, die vorgeschlagenen und automatisch eingestellten Werte so zu belassen, wie sie sind. Ob und wie sich die Änderungen tatsächlich auswirken, hängt letztendlich vom jeweiligen Spiel ab, was im Grunde genommen zu völlig unterschiedlichen Ergebnissen führen kann. Falls es möglich ist, sollten derartige 3D-Einstellungen deshalb direkt bei den Eigenschaften des betreffenden Spiels erfolgen und nicht bei den grundlegenden Windows-Festlegungen der Grafikkarte, die dann am besten auf»applikationsabhängig«oder auch»standard«gesetzt werden. Die Catalyst-Software von ATI (ab Version 4.10) enthält allerdings auch spezielle Einstellungsmöglichkeiten für einige besonders verbreitete Spiele, und es ist möglich, dass dann Optimierungen automatisch in Kraft treten. 104

7 3D-Grafik Kapitel 3 Diese Funktion ist aber nicht immer gewünscht, denn sie kann durchaus für Probleme verantwortlich sein, weil die Einstellungen für den Anwender unbemerkt aktiviert werden, was gleichermaßen für die Forceware-Software von Nividia gilt. Auch deshalb hängt die optimale Leistung einer 3D-Karte sehr stark vom jeweiligen Spiel ab. 3D-Terminologien im Überblick: >> Alpha Blending Den Objekten werden Transparenz-Informationen zugeordnet. >> Anisotrope Filterung, Anisotropic Filtering Anisotrope Filterung bedeutet, dass hier ein Filter zur Interpolation verwendet wird, der nicht in allen Richtungen auf die gleiche Art und Weise wirkt, sondern meist elliptisch. Dies ist zwar die optisch beste Methode zur Texturfilterung, jedoch auch die rechenintensivste, während die bilineare und die trilineare Filterung mit weitaus weniger Aufwand zu realisieren sind. >> Anti Aliasing Das Anti Aliasing ist ein allgemeiner Ausdruck im 3D-Bereich für (irgend)ein Kantenglättungsverfahren, damit etwa»gepixelte«kanten verwaschen dargestellt werden. >> Backdrop Die Hintergrund-Bitmap einer Szene in einer Skybox (s.u.). >> Bilinear und Trilinear Filtering Filterfunktionen (Anti Aliasing) zur Erzeugung von weichen Verläufen innerhalb der Texturen und damit zur Vermeidung des»klötzcheneffekts«. Dabei wird ein Pixel mit derjenigen Farbe versehen, die dem Mittelwert der umliegenden Pixelfarben entspricht. Die bilineare Filterung hat den Nachteil, dass die Pixelstruktur beim Näherkommen an das Objekt erkennbar wird. Die trilineare Filterung verwendet demgegenüber kleinere abgestufte Texturen durch die Interpolation weiterer benachbarter Stufen und wird auf die Nähe eines Übergangs beschränkt, ist also nur in einem verhältnismäßig schmalen Streifen wirksam. >> Binary Space Partitioning BSP ist ein Verfahren für 2D-Bitmaps zur Ermittlung verdeckter Flächen und Kanten. >> Bump Mapping Ein Objekt wird mit einer Textur überzogen, damit beispielsweise eine Kugel uneben wirken kann. 105

8 Kapitel 3 >> Compressed Textures Das Speichern von hochauflösenden Texturen (HiRes-Texture) in komprimierter Form, welches vorwiegend bei älteren Modellen (ATI Rage 128 Pro) angewendet wird, wenn der Speicher zu knapp ist, was bei den heutigen Modellen eher nicht der Fall ist und die Verarbeitungsgeschwindigkeit hemmen kann. >> Displacement Mapping Stellt eine Erweiterung des Bump Mapping dar, indem die über das Objekt gelegte Textur verformt werden kann, damit z.b. eine Kugel einen plastischen Eindruck erweckt. Dieses Feature wurde erstmalig durch die Matrox Parhelia-Grafikkarte zur Verfügung gestellt und wird standardmäßig ab DirectX 9 unterstützt. >> Dot Product3 Stellt eine realistischere und demnach kompliziertere Form des Bump Mapping dar. Die Helligkeit einer Oberfläche kann in Abhängigkeit von der Richtung des Lichteinfalls manipuliert werden. >> Entity Eine Datenstruktur, die der Zuordnung bestimmter Eigenschaften auf Objekte dient. >> Environment Mapping Recht aufwändig zu berechnende Spiegelungen der Umwelt in einem reflektierenden 3D-Objekt. Dieses Feature wurde erstmalig von Matrox bei der Millenium G400 realisiert. >> Flat Shading Färben von Polygonen, wodurch beispielsweise Kanten hart oder scharf wirken. >> Fogging Funktion zur Darstellung von sich entfernenden Objekten, sie verschwinden quasi im Nebel. Oder auch die tatsächliche Darstellung von Nebel, Qualm, Rauch und ähnlichem. >> Fragment Anti Aliasing, FSAA Fragment Anti Aliasing stellt eine Weiterentwicklung des FSAA-Verfahrens (Full Screen Anti Aliasing) dar, welches eine 3D-Szene stets neu berechnet, während beim Fragment Anti Aliasing nur Polygonübergänge geglättet werden. Dieses Feature stellt erstmalig die Matrox Parhelia- Grafikkarte zur Verfügung, und es wird ab DirectX9 unterstützt. FSAA wurde von 3dfx mit dem Voodoo5-Chipset eingeführt und wird nach der Übernahme durch Nvidia bei der GeForce-Serie weiter genutzt. 106

9 3D-Grafik Kapitel 3 >> Frame Ein einzelnes Vollbild. Die Leistung eines 3D-Chips wird oftmals in Frames per Second (fps) bei einer bestimmten Auflösung angegeben. >> Gourad Shading Der Farbverlauf ergibt sich aus der Interpolation der Farbeckwerte. >> Keyframe Interpolation, Vertex Morphing Spezielle Animation z.b. beim Übergang zwischen zwei Gesichtsausdrücken, was zu einer realistischeren Mimik führt. >> Level Eine Szene oder auch Welt, wobei neuere Spiele auch mehrere Levels verbinden können, zwischen denen man sich bewegen kann. >> Light Maps Lichteffekte wie Schatten oder Abdrücke für die MIP-Map-Texturen (siehe dort). >> Maps Bei älteren Spielen sind dies einfache, zweidimensionale Richtlinien für den Aufbau der Levels, während es sich bei neueren um zusammengesetzte 3D-Modelle handelt, die mit Entities (siehe dort) versehen werden können. >> MIP Mapping Eine Oberfläche wird mit mehreren Texturen hinterlegt, wodurch Objekte, die näher kommen, einen immer höheren Detailreichtum aufweisen und dabei möglichst keine Pixelstruktur erkennbar ist. Das Trilineare Filtering führt dieses Prinzip mit noch kleineren Stufen aus. >> MIP Map Texturen Die Grundstruktur eines Objektes in verschiedenen Auflösungen (typisch 16 x 16 bis 256 x 256 Pixel) für das MIP-Mapping. >> Pixel Shader Der Pixel Shader ist eine eigene, programmierbare Funktionseinheit für die Bestimmung der Pixelfarben nach dem Rasterprozess, wobei hier auch Effekte wie Bump Mapping oder Environment Mapping mit berücksichtigt werden. Wird ab DirektX 8 unterstützt und wurde mit der GeForce 3 erstmalig implementiert. Die Pixel Shader-Unterstützung geht mit dem Vertex-Shader-Support (siehe dort) einher. Die Bezeichnung Shader ist verwirrend gewählt, weil diese Einheiten nicht nur etwas mit Schattierungen, sondern ganz allgemein etwas mit Formen zu tun haben. 107

10 Kapitel 3 >> Polyhedrons Aus Polygonen zusammengesetzte Körper. >> Prefabs Vorgefertigte Objekte wie Bäume oder Brücken im MAP-Format. >> Radiosity Ein Beleuchtungsmodell, welches den Umstand berücksichtigt, dass alle beleuchteten Flächen auch Lichtquellen sind. Es erfordert einen hohen Rechenaufwand, bewirkt jedoch sehr realistisch wirkende Szenen. >> RAMDAC Random Access Memory Digital Analog Converter, setzt die digitalen Daten der Grafikkarte in analoge Werte für den Monitor um. Wird üblicherweise anhand seiner Taktfrequenz (in MHz) spezifiziert. >> Raycasting Einfaches Beleuchtungsmodell, welches nur mit Lichtstrahlen arbeitet und im Prinzip durch das natürlicher wirkende Radiosity-Modell ersetzt werden kann. >> Rendering Ausfüllen und Schattieren von 3D-Objekt-Oberflächenstrukturen. >> Setup Engine Grundlegende Einheit eines 3D-Chips für die Bildaufbereitung (Rendering). >> Shading Damit gekrümmte Flächen möglichst echt aussehen, werden sie schattiert, was durch die Aufteilung in kleine Rechtecke erreicht wird. >> Skybox Dies sind die sechs Flächen einer gesamten Szene. >> Special Effects Abgekürzt als SFX sind dies spezielle Effekte wie Blitze oder Wasserfluten, die mit Hilfe der Entities realisiert werden. >> Specular Highlights Verfahren zur Abbildung von Licht- oder Sonnenstrahlen auf metallischen Oberflächen. >> Sprites Einfache 2D-Bitmaps, wie etwa Gegenstände mit mehreren Ansichten und ggf. auch Bewegungsphasen. 108

11 3D-Grafik Kapitel 3 >> Stencil Buffering Hiermit wird ein statisches grafisches Element vor einer sich dynamisch verändernden Szene platziert. Der statische Bereich muss daher nicht mehr neu gerendert werden. >> Texture Mapping Oberflächen werden mit Mustern gefüllt (z.b. Ziegelwand), was zu einem realistischeren Eindruck als bei Gourad Shading (s.o.) führt. >> Texturen Dies sind ganz allgemein die Oberflächenstrukturen der darzustellenden 3D-Objekte. >> Transform&Lightning Zusätzliche Einheit, die erstmalig Nvidia mit dem Grafikchip GeForce 256 eingeführt hat. Diese setzt 2D- in 3D-Koordinaten um und berechnet Lichtquellen, wodurch die CPU von diesen Aufgaben entlastet wird. >> Triangle Setup; Triangulation, Tessitation Die grundlegende Zerlegung der Bildinformation in einzelne Polygone (Dreiecke), was oftmals (noch) durch die CPU und nicht den Grafikchip erledigt wird. Diese einzelnen Polygone werden nachfolgend vom 3D-Chip weiterverarbeitet und führen zum jeweiligen 3D-Bild. >> UMA Unified Memory Architecture, wird üblicherweise bei einer OnBoard- Grafik (Grafikchip auf dem Mainboard) eingesetzt und verwendet den PC-Hauptspeicher als Grafikspeicher. Ein gravierender Nachteil ist dabei, dass der Grafikchip und die CPU um den Speicherzugriff konkurrieren, so dass OnBoard-Grafik mit UMA für aktuelle Spiele meist zu langsam ist. >> Vertex Shader Ist eine im 3D-Chip implementierte, programmierbare Einheit für die Bestimmung der Eckpunkte (Lage, Größe, Effekte) aller Dreiecke, die zum Grafikchip geliefert werden und nachfolgend vom Rasterizer in einzelne Pixel zerlegt werden. Wird ab DirektX 8 unterstützt und wurde mit der GeForce 3 erstmalig implementiert. Die Vertex Shader- Unterstützung geht mit dem Pixel-Shader-Support (siehe dort) einher. >> Vertex Skinning, Vertex Blending Diese Funktion sorgt für glatte Übergänge bei Verbindungsstellen, etwa bei Arm- und Beingelenken von sich bewegenden Figuren. Bei ATI wird dies per Hardware im 3D-Chip erledigt und als 4-Matrix-Skinning bezeichnet. 109

12 Kapitel 3 >> Virtual Texture Der Texturenspeicher verwendet einen logischen Adressraum, der im Speicher der Grafikkarte oder im PC-Hauptspeicher lokalisiert sein kann und die Texturdaten in kleineren Einheiten (Virtual Texture) vorhält, welche bei Bedarf unmittelbar gerendert werden können. >> VRML Virtual Reality Modeling Language ist eine Programmiersprache zur Erzeugung dreidimensionaler Grafiken, die ursprünglich für Internet- Anwendungen gedacht war und auch von einigen Spielen verwendet wird. >> Z-Buffer Dies ist ein Speicherbereich, in welchem für jeden Bildpunkt eine meist 16-Bit aufgelöste Tiefeninformation gespeichert wird. Sie gibt an, ob ein neuer Objektpunkt sichtbar ist oder nicht. Für die Auswahl einer 3D-Grafikkarte sollte man beachten, ob und welche der angegebenen Funktionen dabei vom 3D-Chip direkt unterstützt werden, was zugegebenermaßen nicht immer leicht festzustellen ist. Falls einige Funktionen nicht durch den Chip selbst zur Verfügung stehen, werden sie üblicherweise durch die (Treiber)Software und DirectX emuliert, was aber zu Lasten der Verarbeitungsgeschwindigkeit und damit der Darstellungsqualität geht. Abbildung 3.10: Kugeln sind beliebte Objekte für die Demonstration von Grafikeffekten, hier bei einer ATI Radeon-Grafikkarte. 110

13 3D-Grafik Kapitel 3 Außerdem hängt die Funktionalität von Grafikkarten von der jeweiligen DirectX-Version ab, und vielfach eilen die Grafikkarten mit ihren neuen Features denjenigen, die DirectX in Windows unterstützt, voraus, so dass diese neuen und teilweise ganz Chip-eigenen Funktionen brachliegen. Häufig werden die Grafikkartentreiber von den Herstellern auch quasi um DirectX»herumprogrammiert«, was dann mit zahlreichen Kompatibilitätsproblemen einhergehen kann, da möglicherweise nur ein bestimmtes Spiel hiermit zurechtkommt, während andere sogar komplett ihren Dienst verweigern. Herstellerspezifischen 3D-Funktionen ist daher mit Skepsis zu begegnen, da kaum zu erwarten ist, dass die Spielprogrammierer zahlreiche verschiedene Variationen davon auf den Markt bringen werden. Bei bestimmten Bundles bestehend aus Grafikkarte und einigen Spielen kann es aber durchaus der Fall sein, dass die Spiele auf den jeweiligen Grafikchip hin optimiert worden sind, wovon auch die Demos der Chiphersteller Zeugnis ablegen. Die Darstellung bei einem einzeln erworbenen Spiel kann in solch einem Fall jedoch stark enttäuschen. Auch wenn von den Chip- und Grafikkartenherstellern laufend neue 3D- Funktionen mit immer kryptischer erscheinenden Ausdrücken angepriesen werden, kann man sich lediglich auf diejenigen Funktionen verlassen, die von der jeweiligen DirectX-Version unterstützt werden, was für den Spielesektor im Grunde genommen den einzigen (verbindlichen) Standard darstellt. Spiele für OpenGL werden immer seltener realisiert, wobei die OpenGL-Funktionalität für den professionellen Bereich (3D-Modellierung, CAD/CAM) weiterhin von Bedeutung ist. Letztendlich ist für den PC-Spieler ausschlaggebend, dass die gewünschten Applikationen mit der jeweiligen Grafikkarte optimal zusammenarbeiten, was bereits auf den Verpackungen vermerkt sein sollte. Die entsprechenden Internetseiten der Spielherstellern sprechen allerdings Bände in Form ständiger Updates und optimierender Patches für diese oder jene Grafikkarte, was zu einer gewissen Eigendynamik führt, die im Grunde genommen nichts mehr mit Grafikkarten-Hardware, sondern mit Windows, DirectX, Treiber und dem jeweiligem Spiel zu tun hat und deshalb auch kaum zu allgemeinen Hilfestellungen und Tipps führt. Interessanterweise wird die Software-Entwicklung von Spielen gerade von denjenigen maßgeblich beeinflusst und vorangetrieben, die oftmals als»brutale Baller- und Mörderspiele«bezeichnet werden. Sie setzen auf dem 3D- Gebiet wesentliche Programmierstandards und können den 3D-Grafikkarten überhaupt erst deren Leistung entlocken. Für diese Spiele gibt es eine Reihe verschiedener 3D-Engines (Softwareinterfaces), die definierte Programmierschnittstellen darstellen, sowie Level-Editoren und 3D-Modelle. Diese Dinge bilden auch die Grundlage anderer Spiele wie Flugsimulatoren oder Strategiespiele. 111

14 Kapitel 3 Die Entwicklung eines 3D-Spiels, welches Features aktueller 3D-Karten nutzt, verschlingt ein Millionenbudget und wird von größeren Teams, die sich aus Mathematikern, Grafikern, Musikern und natürlich Programmierern zusammensetzen, unter enormem Zeitdruck durchgeführt, denn nach einen halben Jahr gilt das Spiel bereits als technisch veraltet. Ein weiteres wichtiges Kriterium für die Qualität von 3D-Karten ist ein flüssiger Bildaufbau. Das Maß der Dinge ist dabei die Framerate, die in frames per second (fps) angegeben wird und kennzeichnet, wie viele Bilder pro Sekunde aufgebaut werden können, damit letztlich der Eindruck eines ablaufenden Videos entsteht. Dabei spielt die jeweilige Auflösung natürlich noch eine wichtige Rolle, denn bei einer kleineren Auflösung ergibt sich in der Regel auch eine höhere fps-rate. Das störende Ruckeln ist erst ab einer Framerate von 25 fps für das menschliche Auge nicht mehr als unangenehme Störung wahrzunehmen, und ein typischer Standardwert sind 50 fps, der als optimaler Wert für einen flüssigen Bildaufbau und auch als Kompromiss an die notwendige Hardware (Speicher, RAMDAC) angesehen werden kann. Höhere Werte hingegen liefern oftmals keinen merklichen Beitrag mehr zu einer verbesserten Bildwiedergabe, was natürlich auch von der gewählten Auflösung und dem jeweiligen Spiel abhängt ist, wobei mitunter über 100 fps angegeben werden Entwicklung der 3D-Grafikkarten Die dreidimensionale Bildschirmdarstellung (3D) stellt an eine Grafikkarte besonders hohe Anforderungen. Aus diesem Grunde sind hierfür spezielle 3D-Beschleunigerchips im Einsatz, die im Prinzip ähnlich wie die Chips auf den 2D-Beschleunigerkarten arbeiten, jedoch weitaus komplexer sind. Die 3D-Beschleuniger enthalten je nach Typ eine Auswahl derjenigen Funktionen, die im vorherigen Kapitel erläutert sind, jedoch für die dreidimensionale Darstellung in»silizium gegossen«. Geometrische Berechnungen werden üblicherweise weiterhin von der CPU des PC ausgeführt, während sich der 3D-Beschleuniger vorwiegend mit Renderoperationen beschäftigt und sich um die Oberflächentexturen kümmert, wobei der Trend in der Grafikkartenentwicklung die Richtung geht, dass die 3D-Grafikkarte immer mehr Funktionen übernehmen soll, was zu einer Entlastung der CPU des PC führen kann. Dabei hängt es jedoch stark vom jeweiligen 3D-Chip ab, inwieweit dies möglich ist, und er muss leistungstechnisch betrachtet zur eingesetzten CPU passen. Eine im Verhältnis zur Grafikkarte zu langsame CPU kann die Daten vielleicht gar nicht so schnell liefern, wie es für einen flüssigen Ablauf notwendig ist, so dass auch eine preisgünstigere Grafikkarte in Frage gekommen wäre. Alle aktuellen Grafikkarten enthalten neben dem 2D- auch einen 3D- Beschleunigerchip, bzw. beide Bausteine sind in einem Gehäuse kombiniert untergebracht, wie dem allgemeinen Stand der Technik entspricht. Der 112

15 3D-Grafik Kapitel 3 RAMDAC ist meist ebenfalls im Grafikchip mit enthalten, so dass daneben meist nur noch die Speicher und keine weiteren (größeren) Bauteile mehr auf einer Grafikkarte zu entdecken sind. Abbildung 3.11: Der prinzipielle interne Aufbau eines Grafikchips, der üblicherweise für 2D- und 3D-Operationen jeweils eine eigene Pipeline besitzt. Das Prinzip der Grafikbeschleuniger wurde wie bereits erwähnt von der Firma S3 entwickelt, die mit dem Virge-Chip erstmalig auch das Gebiet der dreidimensionalen Darstellung auf recht breiter PC-Front erschloss. Gängig waren für den Spieler zu dieser Zeit (ca. 1995) die DOS-Grafikmodi, weil Windows aufgrund seiner Geschwindigkeit als Spielplattform damals völlig ungeeignet war. Hersteller/Typ Speicher Chipsatz RAMDAC 2D/3D ATI Videoboost 2 MB EDO DRAM MACH64CT 135 MHz 2D ATI 3D Charger 4 MB SGRAM 3D Rage II+ 170 MHz 2D/3D ATI 3D Xpression+ 4 MB SGRAM 3D Rage II 170 MHz 2D/3D ATI Pro Turbo PCTV 8 MB SGRAM 3D Rage II 230 MHz 2D/3D Creative Labs 3D Blaster 4 MB EDO DRAM Rendition Verite 135 MHz 2D/3D Diamond Fire GL 1000 Pro 8 MB SGRAM Permedia MHz 2D/3D Diamond Stealth MB EDO DRAM Alliance AT MHz 2D Diamond Stealth 3D MB EDO DRAM S3 Virge 135 MHz 2D/3D Diamond Stealth 3D 2400 Pro 4 MB EDO DRAM S3 Virge DX 170 MHz 2D/3D Diamond Stealth 3D MB VRAM S3 Virge VX 220 MHz 2D/3D Diamond Monster 3D 4 MB EDO DRAM 3dfx Voodoo 3D - 3D Elsa Winner 2000 Office 4 MB SGRAM Permedia MHz 2D/3D Hercules Dynamite 128 Video 2 MB MDRAM Tseng Labs ET MHz 2D Tabelle 3.6: Daten von bekannten 2D-Grafikkarten und Karten der ersten 3D-Generation 113

16 Kapitel 3 Hersteller/Typ Speicher Chipsatz RAMDAC 2D/3D Hercules Terminator 3D/DX 4 MB EDO DRAM S3 Virge DX 170 MHz 2D/3D Hercules Stingray MB EDO DRAM 3dfx Voodoo Rush 170 MHz 2D/3D Matrox Mystique 4 MB SGRAM MAG 1064 SG 170 MHz 2D/3D Matrox Mystique MB SGRAM MAG 1064 SG 220 MHz 2D/3D Matrox Millenium 4 MB WRAM MAG 2064 W 220 MHz 2D/3D Matrox Millenium II 4 MB WRAM MAG 2164 W 250 MHz 2D/3D Number Nine 9FX Reality MB EDO DRAM S3 Virge 135 MHz 2D/3D Number Nine 9FX Reality MB VRAM S3 Virge VX 220 MHz 2D/3D Number Nine Image MB EDO VRAM Imagine II 135 MHz 2D STB Lightspeed MB MDRAM Tseng Labs ET MHz 2D/3D STB Nitro 3D 4 MB VRAM S3 Virge GX 135 MHz 2D/3D STB Velocity 3D 4 MB EDO VRAM S3 Virge VX 135 MHz 2D/3D Videologic GrafixStar MB EDO DRAM S3 Trio64/V2 135 MHz 2D Videologic GrafixStar MB EDO DRAM S3 Virge 135 MHz 2D/3D Videologic GrafixStar MB EDO DRAM Cirrus Logic Laguna 135 MHz 2D/3D Videologic GrafixStar MB VRAM S3 Virge VX 220 MHz 2D/3D Videologic Apocalypse 3D 4 MB EDO DRAM NEC Power VR 220 MHz 2D/3D Tabelle 3.6: Daten von bekannten 2D-Grafikkarten und Karten der ersten 3D-Generation (Forts.) Kurz zuvor hatte die bis dahin unbekannte Firma Nvidia bereits einen speziellen 3D-Chip den NV1 mit für den PC-Bereich ungewöhnlichen 3D-Möglichkeiten vorgestellt, der zusammen mit einem Soundchip der Firma Analog Devices auf der Edge 3D (mit 2 MByte VRAM) von Diamond eingesetzt wurde. Der erwartete Erfolg bleib allerdings aus, weil der NV1 nur für Windows eine entsprechende Treiberunterstützung lieferte und nicht direkt DOS unterstützte, welches damals für Spiele eben noch die schnellere Basis war. Das Produkt kam wohl einfach zu früh auf den Markt, denn neben S3 stellten auch ATI und Matrox eigene 3D-Chips und Grafikkarten (3D Rage, Mystique) vor, die jedoch auf eine breitere Unterstützung den Spielprogrammierern trafen, weil sie eigene DOS-Programmierschnittstellen mitbrachten. Spiele, die den jeweiligen Chips ihre Leistung entlocken konnten, waren zu dieser Zeit vielfach spezielle Editions für die betreffende Karte, was sich erst änderte, als DirectX (Version 2.0) in Windows als standardisierte Schnittstelle für Spiele implementiert wurde. Gleichwohl war die 3D-Leistung unter Windows alles andere als befriedigend, denn typischerweise erreichte man maximal 640 x 400 Bildpunkte mit höchstens 10 Bildern pro Sekunde, und die Darstellungsqualität hatte noch zahlreiche Mängel aufzuweisen, was für sich zusammengenommen keinerlei Begeisterungsstürme bei den Spielern aufkommen ließ, denn die zu dieser Zeit gebräuchlichen (Sega-) Spielkonsolen boten hier vergleichsweise mehr. 114

17 3D-Grafik Kapitel 3 Einen technologischen Schub vollbrachte Ende 1996 die erste Grafikkarte der Firma 3dfx Interactive Voodoo Graphics, Voodoo 1, die man durchaus als Meilenstein in der Entwicklung betrachten kann. Es war die erste 3D-Grafikkarte, die einen recht vollständigen 3D-Befehlssatz zur Verfügung stellte und die volle VGA-Auflösung mit 20 Bildern pro Sekunde leisten konnte. Der Befehlssatz war über eine spezielle Programmierschnittstelle Glide unter DOS relativ leicht nutzbar und die erste Wahl für Spiele. Abbildung 3.12: Die Monster 3D der Firma Diamond mit dem Voodoo-Chipset wird parallel zur vorhandenen Grafikkarte betrieben. Die ursprüngliche Voodoo-Graphics-Implementierung ist für den parallelen Betrieb mit der vorhandenen 2D-Grafikkarte vorgesehen, wie es z.b. mit der Monster 3D von der Firma Diamond praktiziert werden konnte. Hierfür ist die 3D-Zusatzkarte mit einem Kabel extern mit der PCI- oder AGP-Grafikkarte zu verbinden, woraufhin der Monitor an der Voodoo-Karte angeschlossen wird. Das bedeutet, dass das Bildsignal stets über die Voodoo-Karte geführt wird, auch wenn diese Karte nicht aktiv ist. Dieses Verfahren kann entsprechend der Höhe der Auflösung und der Größe der Bildwiederholrate bei der normalen PC-Arbeit zu einer verminderten Bildqualität führen. Die heute neben ATI marktführende Firma Nvidia tauchte nach dem missglückten Start mit dem NV1 gegen Ende des Jahres 1997 mit einem Nachfolger, dem NV3, wieder auf, welcher als Riva 128 bekannt wurde. Erstmalig war hiermit eine Auflösung von 800 x 600 Bildpunkten nutzbar, was dem Speichertakt von 100 MHz und dem erstmalig 128-Bit-breiten Speicherinterface zu verdanken ist. Ab diesem Zeitpunkt startete im Grunde genommen der bis heute andauernde Wettlauf um die realistischste 3D-Darstellung mit immer neuen Features. 115

18 Kapitel 3 Abbildung 3.13: Eine Grafikkarte aus der zweiten Voodoo-Generation Die Firma 3dfx revolutionierte aber noch ein zweites Mal die 3D-Grafik mit der Vorstellung der Voodoo2-Grafikkarte, die 60 Bilder pro Sekunde bei 800 x 600 Punkten leisten kann. Durch die Parallelschaltung zweier Voodoo2-Karten sind sogar 1024 x 768 Pixel möglich. Das Prinzip der Parallelschaltung von zwei Grafikkarten ist in letzter Zeit durch die Schaltungstechnik Crossfire von ATI und SLI von Nvidia wieder neu belebt worden, wie auch die Option, eine zusätzliche Karte (PhysX) hinzufügen zu können, die (nunmehr) der vorhandenen 3D-Grafikkarte Arbeit abnehmen bzw. Effekte effizienter gestalten soll, worauf im Kapitel 3.3 noch näher eingegangen wird. Hersteller/Typ Speicher Chipsatz RAMDAC ATI 3D Charger 4 MB SGRAM ATI 3D Rage II 170 MHz ATI All-in-Wonder MB SDRAM ATI Rage 128 GL 250 MHz ATI Rage Fury 32 MB SGRAM ATI Rage MHz ATI Rage Fury Pro 32 MB SGRAM ATI Rage 128 Pro 300 MHz ATI Rage Magnum 32 MB SGRAM ATI Rage 128GL 250 MHz Creative Labs Graphics Blaster TNT 16 MB SDRAM Nvidia Riva TNT 250 MHz Creative Labs3D Blaster Banshee 16 MB SDRAM 3dfx Banshee 250 MHz Diamond Viper V MB SDRAM Nvidia Riva TNT 250 MHz Diamond Monster Fusion 16 MB SGRAM 3dfx Banshee 250 MHz Elsa Erazor II 16 MB SGRAM Nvidia Riva TNT 250 MHz Elsa Victory 16 MB SGRAM 3dfx Banshee 250 MHz Guillemot Maxi Gamer Phoenix 16 MB SGRAM 3dfx Banshee 250 MHz Hercules Dynamite TNT 16 MB SGRAM Nvidia Riva TNT 250 MHz Hercules Terminator Beast 8 MB SDRAM S3 Savage 4-3D 250 MHz Matrox Mystique G200 8 MB SDRAM Matrox G MHz Matrox Millenium G200 8 MB SDRAM Matrox G MHz Tabelle 3.7: Daten von bekannten Grafikkarten der zweiten und dritten 3D-Generation 116

19 3D-Grafik Kapitel 3 Hersteller/Typ Speicher Chipsatz RAMDAC Matrox Marvel G MB SGRAM Matrox G MHz Number Nine Revolution IV 16 MB SDRAM Number Nine 250 MHz Ticket-2-Ride IV STB Velocity MB SDRAM Nvidia Riva TNT 250 MHz STB Lightspeed MB SGRAM 3dfx Banshee 250 MHz STB Velocity MB SGRAM 3dfx Voodoo MHz STB Voodoo 3 16 MB SDRAM 3dfx Voodoo MHz Tabelle 3.7: Daten von bekannten Grafikkarten der zweiten und dritten 3D-Generation (Forts.) Durch eine beeindruckende 3D-Leistung sowie vielfältige Anschlussmöglichkeiten traten die Permedia-Chips der Firma 3Dlabs hervor, die von zahlreichen Kartenherstellern verwendet wurden, etwa auf der Fire GL der Firma Diamond sowie auf der Winner 2000/Office von ELSA oder auch der Dynamite 3D/GL von Hercules. Da hierfür auch ein (ordentlicher) OpenGL-Treiber zur Verfügung stand, waren erstmals nicht nur Spiele, sondern auch professionelle 3D-Anwendungen mit relativ preisgünstigen 3D-Grafikkarten möglich. Je nach Design verfügt eine Permedia-Card auch über spezielle Videoeingänge und -ausgänge, etwa für S-VHS und/oder FBAS, was sich für Grafikkarten als Novum darstellte. Die Videowiedergabe laut MPEG ist in einer maximalen Auflösung von 1024x768 Pixeln bei 30 Frames per Second möglich, wofür sich der integrierte Geometry Pipeline Processor (100 MFLOP) verantwortlich zeigt, der auch den AGP als Busmaster bedient. Abbildung 3.14: Mit der Grafikkarte Fire GL 1000 der Firma Diamond, die den Permedia 3D-Chip und 8 MByte SGRAM verwendet, wurde auch das Gebiet der professionellen 3D-Verarbeitung erschlossen. 117

20 Kapitel 3 Bei dem Wettrennen um die 3D-Grafikchips sind eine ganze Reihe einst innovativer Firmen auf der Strecke geblieben, wie etwa die Firma S3, die zunächst eine Kooperation mit Diamond Multimedia einging und nach deren Ende die Technologie an VIA verkaufte. Tseng Labs ging an ATI, Rendition (Vérité 2000) an Micron, und Firmen wie Alliance, Cirrus Logic und Number Nine haben sich entweder aus dem 3D-Chip-Geschäft komplett zurückgezogen oder sind in Konkurs gegangen. Dies gilt auch für die Hersteller von Grafikkarten wie Spea, die zunächst von Diamond Multimedia aufgekauft wurden und dann selbst Pleite gingen. Miro musste aufgeben, und zuletzt traf es (zum wiederholten Mal) die Aachener Firma ELSA. Die einst sehr bekannte Firma Hercules lebt nur noch als Markenbezeichnung für Grafikkarten bei der französischen Firma Guillemot weiter. Die Firma 3dfx hat sich im Jahre 2000 mit STB zusammengeschlossen und wollte fortan ihre Chips nur noch über diesen Grafikkartenhersteller verkaufen, was sich im Nachhinein als Fehler herausgestellte, weil andere Hersteller nun keine Voodoo-Chips mehr einsetzen durften. Der folgende Voodoo3-Chip enttäuschte, weil er zwar einen höheren Integrationsgrad als der Vorgänger aufwies, leistungstechnisch gesehen jedoch keine gravierende Steigerung bieten konnte. Währenddessen zog Nvidia mit dem Riva TNT2 in punkto Leistung an 3dfx vorbei, denn Voodoo4 und Voodoo5 kamen wegen Entwicklungsproblemen zu spät in den Handel, was das Ende von 3dfx besiegelte. Ende des Jahres 2000 wurde 3dfx von Nvidia»geschluckt«, so dass auch der einst so beeindruckende Voodoo-Zauber nur noch Geschichte ist. Insbesondere die 3dfx-Technik der Kantenglättung (FSAA) wird von Nvidia in ihren Chips weiterhin genutzt. In der Tabelle 3.8 sind zur Übersicht die Entwicklungsstufen der 3D-Grafik- Chips zur Übersicht angegeben, wobei es schwer fällt, hier eindeutige Grenzen zu ziehen, so dass man die Tabelle nur als Orientierung darüber verstehen sollte, was sich auf diesem Gebiet über die Jahre technologisch gesehen getan hat. Die Anzahl der verwendeten Transistoren mag dabei ein Indiz für die Komplexität der Grafikchips sein. Vom relativ einfach aufgebauten Accelerator ist man mittlerweile bei einer GPU (Graphics Processing Unit) angelangt, die über weit mehr Transistoren als ein aktueller Prozessor verfügt. Grafikkarten der Firma ATI (Radeon) und Nvidia (ab GeForce 5-Familie) werden separat im Kapitel behandelt. Ende des Jahres 1999 präsentierte Nvidia den GeForce 256 mit einer bis dahin unerreichten Anzahl von 23 Millionen Transistoren und einer Transform&Lightning-Einheit, die gewissermaßen die vierte Generation der 3D- Chips einläutet. Diese (eigenständige) Geometrieeinheit innerhalb der GPU ist für die 3D-Koordinatentransformation und Beleuchtungsberechnung zuständig und wird ab DirectX7 unterstützt. Mittlerweile ist T&L als Standard bei allen 3D-Grafikkarten anzusehen. 118

21 3D-Grafik Kapitel 3 1. Generation: 1995/96 2. Generation: 1996/97 3. Generation: 1998/1999 Anzahl der Transistoren: (0,35 µm) 0,5-3,5 Mio. (0,35 µm) 1,8-8 Mio. (0,25 µm) - S3 Virge - Nvidia NV1 - ATI 3D Rage - Matrox Mystique - Alpha Blending - gefilterte Texturen - Fog & Glanzlicht - SGRAM (Matrox) - DOS (Chip-spezifisch) - Glide - DirectX2 Chips: - 3dfx Voodoo 1 - Nvidia Riva ATI Rage Pro - 3Dlabs Permedia Features: - Setup Engine - Max. 8 MByte-Speicher MHz-Speichertakt Bit-Bus (Nvidia) - Glide - DirectX3 - DirectX5-3dfx Voodoo 2/3 - Nvidia TNT - ATI Rage Matrox G200/G400 - S3 Savage 4-3D - Intel Multitexturing - 32-Bit-Rendering - Texturkompression (S3) - Bump Mapping (Matrox) - 2-fach-Pipeline (Nvidia) - Glide - OpenGL - DirectX5, DirectX6 4. Generation: Generation: 2001/ Generation: 2005/2006 Anzahl der Transistoren: Mio. (0,25-0,18 µm) Mio. (0,18-0,15 µm) Mio. (0,13-0,09 µm) - 3dfx Voodoo 4/5 - Nvidia GeForce - ATI Radeon - STM Kyro 2 - T&L-Engine (Nvidia, ATI) - Tile-based Rendering (Kyro) - Dot Product Bump Mapping - OpenGL - DirectX7 Chips: - Nvidia GeForce 4/5 - Matrox Parhelia - ATI Radeon 8500XT - STM Kyro 3 Features: - Programmierbare T&L-Engine - Vertex- und Pixel-Shader - Displacement Mapping (Matrox) - 64 Bit Farbtiefe MB DDR-Speicher Programmierschnittstellen: - OpenGL - DirectX8 - DirectX9, Shader Modell 2 Tabelle 3.8: Entwicklungsstufen der 3D-Grafikchips - Nvidia GeForce Nvidia GeForce ATI Radeon X800 - ATI Radeon X PCIe (PEG) als Standard - bis zu 16 Pipelines - bis zu 8 Vertex-Shader - bis zu 48 Pixel-Shader MB GDDR3-Speicher - Open GL DirectX9, Shader Modell 2 - DirectX9, Shader Modell 3 119

22 Kapitel 3 Abbildung 3.15: Die 3D Blaster GeForce Annihilator der Firma Creative Labs verwendet einen GeForce 256-Chip. Zwei Jahre später wurde die GeForce 3 (NV20) von Nvidia vorgestellt, die eine erstmalige Neuentwicklung gegenüber der ersten GeForce-Generation (GeForce 256) darstellt. Wie der Vorgänger GeForce 2 wird der Chip typischerweise mit 200 MHz und der DDR-Speicher mit 230 MHz getaktet. Die Neuerungen sind eher im Inneren zu finden, denn die Transform&Lightning-Einheit wurde verbessert, und erstmalig finden sich eine Vertex- und eine Pixel-Shader-Einheit. Im Prinzip kann man sich die Shader-Einheiten als eigene Prozessoren im Chip vorstellen, da sie jeweils eine eigene Programmierschnittstelle besitzen. Voraussetzung für die Nutzung dieser Features ist DirectX 8. Chip Chiptakt Speichertakt Speicher Anmerkungen Riva TNT MHz 150 MHz SDRAM MByte Relativ hohe Riva TNT 2 Ultra 150 MHz 183 MHz SDRAM MByte Stromaufnahme GeForce MHz 150 MHz SDRAM, DDR-DRAM 32 MByte Tabelle 3.9: Daten von Nvidia-Chips bis zum Jahre 2002 in der Übersicht Erstmalig T&L-Einheit 120

23 3D-Grafik Kapitel 3 Chip Chiptakt Speichertakt Speicher Anmerkungen GeForce 2 NV 15 GeForce 2 GTS 200 MHz 166 MHz SDRAM, 32 MByte GeForce 2 Pro 200 MHz 200 MHz DDR-SDRAM, 64 MByte Zwei Texel Units GeForce 2 Ultra 250 MHz 230 MHz DDR-SDRAM, 64 MByte 25 Mio. Dreiecke/s GeForce 2 Ti 250 MHz 200 MHz DDR-SDRAM, 64 MByte GeForce 2 MX MHz 166 MHz SDRAM, 64 MByte GeForce 3 NV20 GeForce MHz 230 MHz SDRAM, 64 MByte GeForce 3 Ti MHz 200 MHz SDRAM, 64 MByte GeForce 3 Ti MHz 250 MHz SDRAM, 64 MByte GeForce 4 NV30 GeForce 4 Ti MHz 250 MHz DDR-SDRAM, 128 MByte GeForce 4 Ti MHz 275 MHz DDR-SDRAM, 128 MByte GeForce 4 Ti MHz 325 MHz DDR-SDRAM, 128 MByte Erstmalig Vertex- und Pixel-Shader Verbesserte T&L- Einheit Hidden Surface Removal Zweifach Vertex- Shader Verbesserter Pixel- Shader Verbessertes FSAA Zweiter Monitoranschluss DVI als Standard GeForce 4 MX MHz 166 MHz SDRAM, 64 MByte Nur zwei Pixel- Pipelines GeForce 4 MX MHz 200 MHz DDR-SDRAM, 128 MByte GeForce 4 MX MHz 275 MHz DDR-SDRAM, 128 MByte Tabelle 3.9: Daten von Nvidia-Chips bis zum Jahre 2002 in der Übersicht (Forts.) Keine Vertex/Pixel- Shader Fast alle GeForce-Chips gibt es in verschiedenen Varianten mit Bezeichnungen wie Ultra, MX Ti (Titanium) oder auch GTS (Giga Texel Shader). Im Wesentlichen liegen die Unterschiede dabei in den maximal erlaubten Taktraten für den Chip selbst sowie für den Speicher. 121

24 Kapitel 3 Nvidia spezifiziert diese Werte natürlich, und nach denen sollten die Hersteller der Grafikkarten eigentlich verfahren, allerdings gibt es hierfür Übertaktungstools, und entsprechende Funktionen finden sind mitunter auch direkt bei den Eigenschaften der Grafikkarte, d.h., Übertaktungen sind damit vom Grafikkartenhersteller sogar mehr oder weniger sanktioniert. Wie es bei auch bei den CPUs erläutert ist, macht es aus heutiger Sicht aber kaum noch einen Sinn, für ein paar MHz mehr die Stabilität zu riskieren. Da es von Nvidia, selbst innerhalb einer Baureihe, eine ganze Reihe unterschiedlicher GeForce-Chips gibt, die von zahllosen Grafikkartenherstellern verwendet werden, sind viele unterschiedlich aufgebaute Grafikkartentypen denkbar, die nach außen hin vermeintlich identisch erscheinen. Für den Kunden heißt es daher, die jeweiligen Daten wie Chipversion, Speichergröße und Anschlussmöglichkeiten genau zu überprüfen und auch das mitgelieferte Zubehör (Adapter, Shutter-Brille, Spiele etc.) mit in die Kaufentscheidung einzubeziehen. Der GeForce 4-Chip ist logischerweise der Nachfolger des GeForce 3 und verfügt zunächst über die gleichen Grafikfähigkeiten. Der Vertex-Shader ist hier jedoch zweifach ausgeführt, es wird direkt ein zweiter Monitorausgang unterstützt, und die Taktraten sind je nach Version, siehe Tabelle 3.9 etwas höher. Außerdem wird nunmehr DDR-SDRAM mit einer typischen Kapazität von 128 MByte zum Standard erhoben. Die höchste Auflösung mit 75 Hz beträgt im True Color Mode 1920 x 1080 Bildpunkte. Bei professionellen Anwendungen treten mit diesen GeForce-Grafikkarten jedoch unschöne Eigenschaften zutage, wie Pixelfehler in Form von Löchern in den Objekten oder falsche Transparenzfarben bei einer Farbtiefe von 16 Bit, was bei Spielen nicht weiter auffallen mag, für CAD-Anwendungen jedoch nicht akzeptabel ist. Die Qualität des TV-Ausgangs kann meist auch nicht befriedigen. Abbildung 3.16: Das Prototyp-Design der GeForce 4-Ti4600 der Firma Nvidia dient den Grafikkartenherstellern als Referenz für ihre eigenen Modelle. 122

25 3D-Grafik Kapitel 3 Auf dem Leistungsniveau einer GeForce 2 bewegt sich der Kyro-2-Chip, wie er beispielsweise auf der Hercules 3D Prophet zum Einsatz kommt. Der Grafikchip wird wie der Speicher (32 MByte, SDRAM) mit einem Takt von typischerweise 175 MHz betrieben. Eine T&L-Einheit gibt es hier zwar nicht, dafür kann der Kyro II aber auch mit schwächeren CPUs ( MHz) noch ganz flott agieren. Dies liegt im Wesentlichen daran, dass nicht sichtbare Polygone auch nicht berechnet werden, sondern nur diejenigen, die sich von einer Szene zur folgenden ändern und eben nicht von einem Objekt verdeckt werden. Diese Funktionen werden als Hidden Surface Removal und Tile Based Rendering bezeichnet. Abbildung 3.17: Die 3D Prophet 4500 der Firma Hercules arbeitet mit einem Kyro2-Chip. Wie es mittlerweile bei fast allen Grafikkarten der Fall ist, benötigt der Grafikchip eine aktive Kühlung mit einem Lüfter. Dem Kyro-Chip liegt die PowerVR-Technologie zu Grunde, die gemeinsam von Videologic und NEC entwickelt und erstmalig in Form des Vorgängers Kyro 1 auf der Grafikkarte Apocalypse 3D von Videologic eingesetzt wurde. Außerdem kommt PowerVR in der Sega-Dreamcast-Konsole zum Einsatz. Durch die besonderen PowerVR-Funktionen kann der Kyro den Speicher effektiver ausnutzen als die Chips der Konkurrenz, was neben dem Geschwindigkeitsgewinn auch dazu führt, dass nur SDRAM und kein DDR-SDRAM zwingend notwendig ist. Hergestellt wurden die»kyros«von ST (SGS, Thomson) Microelectronics, so dass sich hierfür auch die Bezeichnung ST Kyro finden lässt. Der Nachfolger des Kyro 2 wird als Kyro 3 (STG5500) ausgewiesen und enthält auch eine Transform&Lightning- Einheit. Entsprechende Grafikkarten sind am Markt aber kaum in Erscheinung getreten, und diese Serie wurde mittlerweile eingestellt. 123

26 Kapitel 3 Hersteller/Typ Speicher Chipsatz Chip/Speichertakt 3dfx Voodoo MB SDRAM 3dfx VSA /166 MHz 3dfx Voodoo MB DDR-SDRAM 3dfx VSA-100 (2 Chips) 166/166 MHz ATI Radeon 32 DDR 32 MB DDR-SDRAM ATI Radeon /166 MHz ATI Radeon MB DDR-SDRAM ATI Radeon /230 MHz ATI Radeon MB DDR-SDRAM ATI Radeon /275 MHz ATI Fire GL MB DDR-SDRAM ATI Radeon /290 MHz Matrox Millenium G MB DDR-SDRAM Matrox G /166 MHz Matrox Parhelia 128 MB DDR-SDRAM Matrox Parhelia 220/275 MHz Tabelle 3.10: Daten von bekannten Grafikkarten der vierten 3D-Generation ohne Chips der Firma Nvidia (vgl. Tabelle 3.9). Der Takt des RAMDACS beträgt bei allen angegebenen Typen mindestens 350 MHz. Ähnlich wie bei den CPUs begibt man sich bei der Beurteilung der jeweiligen Qualitäten von Grafikchips und Grafikkarten schnell auf eine»wacklige«argumentationsebene in der Form, dass man nur die inneren Werte der Chips vergleicht, was für sich allein genommen nicht praxisrelevant erscheint. Die beste 3D-Funktion nützt nichts, wenn DirectX bzw. das jeweilige Spiel diese eben nicht nutzen kann und die Bildqualität doch nicht den Erwartungen entspricht, weil der verwendete RAMDAC minderer Qualität ist oder die Treiber einfach schlampig programmiert worden sind. Daher kann eine allgemeine Empfehlung für diese oder jene Grafikkarte zum einen nur eine Momentaufnahme sein, und zum anderen spielt einfach der bevorzugte Einsatzzweck (Spiele, DVD, Video, CAD)eine Rolle. Aktuelle 3D-Grafikkarten werden mit relativ hohen Taktraten betrieben, was dazu führt, dass sowohl der Grafikchip selbst als auch die Speicher auf der Karte recht heiß werden. Dies kann nach einiger Zeit Betriebsdauer zu Bildfehlern bis hin zum kompletten Versagen der Karte führen. Üblicherweise wird der Grafikchip durch einen Kühlkörper mit Lüfter entsprechend gekühlt. Das reicht bei einem höher getakteten Chip, der mit anderen als den vom Hersteller empfohlenen Werten betrieben wird, vielfach nicht mehr aus, so dass dann ein kräftigerer Kühler notwendig wird. Die Firma Matrox scheint mit ihren Grafikchips und -karten auf dem Gebiet der Spiele abgeschlagen zu sein, legt dafür aber ein größeres Gewicht auf stabil funktionierende Treiber und setzt z.b. bereits mit dem G400-Chip Maßstäbe, wenn die Bildrate in 1 Hz-Schritten einstellbar sein soll und ein Hardware-Zoom sowie standardmäßig auch ein zweiter zuverlässig funktionierender Monitor-Ausgang (Dual Head) notwendig sind. Einen Bildfüllenden TV-Ausgang gibt es hier auch bereits. Der Schwerpunkt liegt hier also nicht bei den Spielen, sondern bei der Bildbearbeitung sowie im 3D-Design 124

27 3D-Grafik Kapitel 3 bei tatsächlich flackerfreien, hohen Auflösungen (2028 x 1536, 80 Hz). Vor lauter 3D-Euphorie bleibt zuweilen leider die 2D-Qualität moderner Grafikkarten auf der Strecke, doch auch auf diesem Gebiet können die Matrox-Karten gegenüber der Konkurrenz überzeugen. Abbildung 3.18: Die Parhelia-Grafikkarte der Firma Matrox verfügt über zwei DVI-I-Anschlüsse für die Ansteuerung digitaler Flachbildschirme. Durch die mitgelieferten Adapter lassen sich hiermit aber auch analoge Monitore betreiben. Matrox wollte mit dem Parhelia 512 für DirectX 8 nach einiger Zeit den Typen GeForce 4 sowie Radeon 8500 auch wieder auf dem Spielsektor Konkurrenz machen, denn dieser Chip verfügt über einen 512-Bit breiten Speicherbus (zwei 256 Bit DDR-Controller) sowie über vierfach ausgeführte Vertex- und Pixel-Shader und erfüllt bereits einige Anforderungen für DirectX 9. Für das Jahr 2002 war dies zweifellos ein fortschrittliches Design unter Verwendung von 80 Millionen Transistoren. Trotz hervorragender Bildqualität und Farbdarstellung blieb die Leistung der Parhelia-Grafikkarte jedoch bei den beliebten Spielen hinter den Konkurrenten zurück, da Matrox einige Spezialitäten (16-faches Fragment Anti Aliasing, Giga Color) eingebaut hat, die von den Spieleprogrammierern kaum eingesetzt wurden, so dass unter diesem Gesichtspunkt nach wie vor nur die eigentlichen Matrox-Qualitäten (analoger und digitaler Mehrschirmbetrieb, gute 2D- und Video-Darstellung) bei dieser Karte von Bedeutung (geblieben) sind. 125

28 Kapitel Das 3D-Funktionsprinzip 126 In Echtzeit, Vollbild und mit mindestens 50 fps laufende, aktuelle Spiele verlangen von PCs eine Leistung, die vor Jahren kaum denkbar war, und die Darstellungsqualität wird dabei immer realistischer. Die gewissermaßen bereits vorhandene 2D-Bildvorlage (im Bildspeicher) muss für die dreidimensionale Darstellung zunächst in möglichst kleine Einheiten zerlegt werden, diese werden unter Beachtung der ursprünglichen Objekte mit Farben und Effekten versehen und dann wieder so zusammengesetzt, dass auf einem schließlich nur zweidimensionalen Monitor ein möglichst realistischer 3D-Eindruck entsteht, der auch bei einem rasanten Spielablauf nicht verloren geht. Die ganze Rechnerei ist, vereinfacht gesagt, also nur deshalb notwendig, weil ein 3D-Bild auf einer zweidimensionalen Fläche darzustellen ist. Grundsätzlich werden bei den 3D-Chips laufend die Taktfrequenzen und die Breite der Datenpfade erhöht sowie bestimmte Einheiten (Pixel-, Texturpipeline) parallel ausgeführt, um dadurch das 3D-Ergebnis immer realistischer werden zu lassen, während sich das grundlegende Prinzip eines 3D- Beschleunigers eigentlich seit Jahren nicht wesentlich geändert hat. Die Festlegung der Szenerie also, wo die einzelnen Bildelemente zu liegen kommen sollen, wird von der CPU des PC durchgeführt, was als Dreieck- Setup bezeichnet wird, weil die Objekte in eine Vielzahl von einzelnen Dreiecken (Polygonen) zerlegt werden, die später vom Rasterizer des 3D-Chip mit bunten Punkten auszufüllen und anderweitig zu bearbeiten sind, wie es noch erläutert wird. Im 3D-Chip, der als Eingangsdaten Dreiecke oder auch ganze Dreiecksnetze (Triangle Mesh) verlangt, ist die Triangle Setup Engine für die Bearbeitung der Polygone zuständig. Der Voodoo-Chip glänzte damals mit einer Bearbeitungszeit von vier Millionen Polygonen pro Sekunde, eine GeForce 2- Grafikkarte bringt es auf 25 Millionen und eine GeForce FX der 5800-Serie auf ca. 200 Millionen Dreiecksoperationen pro Sekunde. Die möglicherweise vorhandene Transform&Lightning-Einheit (Geometriebeschleuniger, ab GeForce 256, DirectX 7) befindet sich vor der Triangle Setup Engine und erledigt die Koordinatentransformation sowie die Beleuchtungsberechnung von bereits umgesetzten 3D-Objekten. Falls etwa ein Ball durch das Bild fliegen soll, muss die CPU des PC den Datensatz des Balls stets in die neue Lage umsetzen (transformieren) und dabei ggf. auch noch die sich ändernde Größe und Helligkeit des Balls mit berücksichtigen. Die T&L-Einheit entlastet die CPU des PC von diesem sehr rechenintensiven Prozess, weil sie den Ball eigenständig in die unterschiedlichen Positionen mit unterschiedlicher Größe transformieren kann. Die Setup-Engine entfernt zunächst alle Polygone eines Objekts, die in der aktuellen Szene (zur Zeit) unsichtbar sind, was als Back Face Culling bezeichnet wird und dafür sorgt, dass weniger Zeit und Speicherbandbreite zum Aufbau der Szenen benötigt werden. Diese Aufgabe übernimmt entweder der 3D-Chip selbst oder ein Treiber, der dann die CPU des PC hierfür