GRAFICKÉ ADAPTÉRY Grafický adaptér (též videokarta, grafická karta, grafický akcelerátor) je rozhraní, které zabezpečuje výstup obrazových dat z počítače na zobrazovací jednotku (monitor, displej, dataprojektor, atd.). Grafický procesor zpracovává obrazová data, uložená ve video paměti (resp. operační paměti) a převádí je na videosignál (analogový nebo digitální), který je přenášen do zobrazovací jednotky. Je nutné mít vyváženou kombinaci grafického adaptéru se zobrazovací jednotkou, neboť ne každá dokáže využít všechna rozlišení, která grafický adaptér zvládá a naopak. Grafické adaptéry se liší zejména svými procesory (GPU), typy a velikostí pamětí, způsobem připojení do počítače, rozhraním pro vstup/výstup obrazového signálu a možnostmi rozšíření. Na výkonnost a stabilitu grafického adaptéru má vliv také kvalita softwarového ovladače.
Pracovní režimy grafické karty textový režim: režim, který umožňuje zobrazovat pouze předem definované znaky, jako jsou písmena (A, a, B, b, C, c,...), číslice (1, 2, 3,...), speciální znaky (&, ^, %,...) a pseudografické znaky (různé rámečky, horizontální, vertikální a diagonální části úseček apod.). Tyto znaky jsou přesně definované pomocí matic bodů a je možné je zobrazovat pouze jako celek.
grafický režim: režim, ve kterém jsou informace zobrazovány po jednotlivých obrazových bodech tzv. pixelech (Picture Element). Tento režim již nepoužívá předem definované znaky, ale může z jednotlivých pixelů vykreslit prakticky "libovolnou" informaci. Každý pixel se skládá ze tří subpixelů, každý subpixel reprezentuje jednu základní barvu (R-červená, G-zelená, B-modrá). Binární číslo pak reprezentuje intenzitu dané barvy nejčastěji v rozsahu 8 bitů (0 až 255).
3D režim: režim trojrozměrného (3D) modelování a zobrazení objektů na 2D monitoru. Grafické akcelerátory, které se dnes výhradně používají pro tento režim zobrazení, mají za úkol vytvářet na 2D monitoru iluzi prostoru. 3D objekt (model) se pro zobrazení vytvoří z velkého počtu malých trojúhelníků. Základní operací, která se v rychlé 3D počítačové grafice požaduje, je zobrazení osvětleného trojúhelníku s nanesenou texturou (2D obrázek, který se nanáší na objekt složený z trojúhelníků (resp. z polygonů neboli mnohoúhelníků) a dává mu realistický vzhled – dřevo, obličej, hladina, atd.). Výsledné prostorové obrazy jsou pak z těchto zjednodušených modelů renderovány (vytváří se výsledný 3D obraz).
Další operací, kterou vykonávají grafickými akcelerátory, je výpočet fyzikálního modelu scény.: •
výpočty spojené se vzájemným překrýváním jednotlivých objektů,
•
průhlednost, nasvětlení zdrojem světla (světelné mapy, stíny objektu), odrazy a průsvit
•
výpočet trajektorie (dráhy) objektu a případné kolize pohybujících se objektů
•
Bump Mapping - simulace nerovnosti povrchu těles (např. vlnící se hladina vody)
•
Skrývání objektu v mlze
•
Antialiasing – vyhlazení hran objektu
•
a mnoho dalších složitých matematických operací.
GPU se tedy stará jak o vytvoření modelu, tak o složité matematické výpočty spojené se simulací fyzikálních zákonitostí zobrazované scény, což výrazně urychluje hlavní procesor počítače.
ideální stav
Zubaté hrany objektu (bez vyhlazení - antialiasingu)
zubaté hrany (aliasing)
vyhlazení hran (antialiasing)
Technologie Bump Mapping – simulace nerovnosti povrchu těles
Základní blokové schéma jednoduché grafické karty
Při práci zapisuje procesor počítače obrazová data do video paměti. Takto zapsaná data jsou potom čtena procesorem videokarty (GPU), který na jejich základě vytváří digitální obraz. Digitální obraz je posílán na vstup DAC (Digital Analog Convertor), což je převodník, který z něj vytváří analogový obrazový elektrický signál určený pro monitory nebo dataprojektory, řízené spojitě (analogově) se měnící hodnotou signálů tří základních barevných složek (Red - červená, Green zelená, Blue - modrá). Procesor videokarty (grafické procesorové jádro - GPU) je čip, který tvoří základ grafické karty, komunikuje na základě jednoduchých příkazů s centrální procesorovou jednotkou. Provádí jednoduché instrukce a zabezpečuje kompletní zpracování obrazových dat. Grafické procesory využívají video paměti umístěné na grafické kartě, popř. využívají určitou vyhrazenou část operační paměti.
Video paměť slouží k uložení instrukcí a obrazových dat v době jejich zpracování. Kapacita závisí především na rozlišení, barevné hloubce a na tom, zda grafická karta umožňuje zpracování prostorových (3D) objektů. Velikost pamětí u současných grafických karet se pohybuje od 512 MB do 2 GB. Typ použité polovodičové paměti do značné míry ovlivňuje její rychlost. Současné grafické akcelerátory využívají typ GDDR-3, GDDR-4 a GDDR-5. Integrovaná grafická jádra na základní desce (severní most) nebo přímo v hlavním procesoru počítače (CPU) a levnější grafické karty mohou využívat pro ukládání obrazových dat část operační paměti počítače. RAMDAC - Jde o kombinaci tří D/A (Digital-to-Analog) převodníků (pro každou RGB složku jeden) a malé SRAM paměti pro uložení barevné mapy. Slouží k převodu digitálního videosignálu na analogový, který vyžadují CRT monitory, starší LCD displeje a dataprojektory. Jeho rychlost se udává v MHz a ovlivňuje maximální zobrazovací frekvenci při určitém rozlišení obrazu. Čím rychleji RAMDAC pracuje, tím více obrazů se vykreslí na monitoru při stanoveném rozlišení. U dnešních LCD panelů a dataprojektorů není konverze videosignálu nutná, neboť přímo pracují s digitální podobou videosignálu. Sběrnice grafického adaptéru propojuje procesor grafické karty (GPU) s pamětí grafické karty a dalšími částmi grafického adaptéru. Sběrnice pro spojení se základní deskou počítače - velmi zastaralé grafické karty byly zasouvány do slotu sběrnice ISA, později byla vyvinuta speciální lokální sběrnice VESA Local Bus. Následovaly grafické karty určené pro systémovou sběrnici PCI a vyhrazenou grafickou lokální sběrnici AGP (2x, 4x, 8x). V současné době jsou k dispozici grafické akcelerátory určené výhradně pro vyhrazenou grafickou lokální sběrnici PCI Express x16 (verze 1.x, 2.0, 3.0). Rozhraní pro připojení zobrazovací jednotky D-Sub (D-Subminiature) Jedná se o starší rozhraní pro propojení grafického adaptéru se zobrazovací jednotkou. Nabízí pouze analogový výstup videosignálu přes 15 pinový konektor. Digitální videosignál je pomocí obvodu RAMDAC převeden na analogový, který je následně použit na vykreslení obrazu prostřednictvím zobrazovací jednotky. Konverze videosignálu může zhoršit jeho kvalitu, analogový videosignál je navíc více náchylný na rušení.
DVI (Digital Visual Inteface) Rozhraní je primárně určeno k přenosu nekomprimované digitální obrazové informace. V závislosti na použitých signálech se dnes používají především tyto konektory:
DVI-D nabízí výstup pouze digitálního videosignálu. Toto rozhraní je určeno výhradně pro novější LCD panely a dataprojektory, nelze na něj napojit přes redukci starší CRT monitory čí dataprojektory vybavené pouze analogovým vstupem. DVI-I nabízí výstup jak digitálního tak i analogového videosignálu. Tato specifikace vznikla z důvodu zachování kompatibility mezi novější grafickou kartou s DVI rozhraním a starší zobrazovací jednotkou opatřenou výhradně analogovým vstupem. DVI-A je specifikace DVI rozhraní, které poskytuje na svém výstupu pouze analogový videosignál.
Single DVI link se skládá ze 4 párů kroucené dvoulinky (červený, zelený, modrý a informaci o obnovovací frekvenci (Clock rate), přenos je 24 bitů na pixel (složka každé základní barvy R, G, B je kódována 8 bity). Dual DVI link se navíc skládá z rezervní linky v podobě dalších kroucených párů pro přenos červené, zelené a modré složky videosignálu. V případě požadavku na přenos většího objemu dat (vyšší rozlišení, obnovovací frekvenci nebo větší počet bitů pro kódování složek RGB), tedy požadavek na větší šířku přenosového pásma, než stanovuje norma pro DVI Single link, se použije rezervní linka. HDMI (High Definition Multimedia Interface) Jedná se o vysokorychlostní rozhraní pro přenos nekomprimovaného obrazového a zvukového signálu v digitálním formátu. HDMI podporuje přenos videa ve standardní nebo HD kvalitě (od specifikace HDMI 1.4 také 3D obraz) a až 8 kanálový digitální zvuk. Podporuje technologii HDCP (High-Bandwidth Digital Content Protection) umožňující ochranu digitálního obsahu ve vysokém rozlišení při jeho přenosu mezi zařízeními. HDMI se dnes využívá nejen u grafických adaptérů v počítači, ale také u dalších zařízení spotřební elektroniky (např. domácí kina, Blu-Ray přehrávače, TV přijímače, atd.). HDMI rozhraní je zpětně kompatibilní se standardem DVI-D. HDMI kabely rozdělujeme do tří skupin, které jsou označeny A, B a C.
Typ A je 19 pinový konektor a podporuje režimy SDTV a HDTV. HDMI A je zároveň fyzicky kompatibilní z DVI-D single link. Typ B je 29 pinový a má oproti typu A dvakrát větší šířku pásma. Je možno přenášet obraz až v rozlišení WQUXGA (3840×2400). Je zpětně kompatibilní s DVI-D dual link. Typ C (HDMI C-mini) se používá u přenosných zařízení. Má stejný počet pinů jako konektor A (19) a je možné ho pomocí redukce také na konektor A připojit.
DisplayPort Vysokorychlostní, plně digitální rozhraní pro přenos nekomprimovaných obrazových dat ve vysokém rozlišení s podporou až 8 kanálového zvuku a ochrany DPCP (DisplayPort Content Protection) využívající 128 bitové šifrování AES.
Základní druhy grafických karet
1. Integrované grafické čipy - jsou přímo součástí čipové sady základní desky počítače (starší řešení) nebo jsou součástí hlavního procesoru počítače (současné řešení). Nejsou příliš výkonné, pro běžné používání počítače uživatelem jejich výkon postačí (přehrávání videa, kancelářské aplikace, internetové služby a starší hry). Výhodou je nižší pořizovací cena sestaveného počítače (není nutná investice do samostatné grafické karty) a nižší el. příkon. 2. Samostatné grafické karty – současné grafické karty se zasouvají do rozšiřujícího slotu vyhrazené lokální grafické sběrnice (starší AGP, popř. PCI Express x16) připojené přímo na severní most (MCH) čipové sady. Samostatné grafické karty lze vybírat z poměrně široké nabídky, od grafických karet určených pro kancelářské aplikace a jednodušší hry, až po výkonné grafické akcelerátory určené pro nejnovější hry, 3D modelovací programy a náročný střih videa. Podporuje-li čipová sada Multi-GPU technologie (SLI, CrossFireX), lze do počítače připojit více než jednu grafickou kartu pro výrazné zvýšení výkonu v grafických aplikacích.
Multi-GPU technologie Technologie umožňující propojení více grafických karet mezi sebou za účelem zvýšení grafického výkonu. V případě použití 2 karet je obraz rozdělen na polovinu, každá grafická karta renderuje přidělenou polovinu obrazu. V případě soustavy 4 karet je rozdělen obraz na kvadranty. Multi-GPU technologie je určena výhradně pro grafické karty zapojené do vyhrazené grafické lokální sběrnice PCI Express. Standard AGP nepodporuje Multi-GPU technologie.
Tuto technologii podporují oba přední výrobci grafických akcelerátorů: •
Společnost nVidia – technologie SLI (Scalable Link Interface) umožňující propojení tzv. SLI můstkem více grafických karet v jedné základní desce tak, aby mohly fungovat současně. Všechny takto propojené karty musí být stejného typu (stejné modely). Pokud je jedna pomalejší, zpomalí na její úroveň všechny ostatní. Technologie PhysX – Grafické karty podporující tuto technologii využívají GPU k výpočtům fyzikálního modelu (náročné matematické výpočty) zobrazované scény (např. reálný pohyb těles včetně kolizí, nasvětlení, stíny, deformace, zakřivení, výbuchy, chování kapalin a plynů, simulace reálných povrchů, atd.). PhysX má několik funkčních módů:
•
-
jedna grafická karta akceleruje grafiku i fyzikální model,
-
více grafických karet akceleruje grafiku i fyzikální model,
-
jedna grafická karta akceleruje výhradně fyzikální model, ostatní pouze grafiku.
Společnost AMD (AMD koupila tvůrce: společnost ATI) – technologie CrossFireX, která umožňuje propojení až čtyř GPU napájených na grafické karty zapojených na jedné základní desce tak, aby mohly fungovat současně. CrossFire je možné skládat z různých verzí GPU (různé modely) u karet jedné série.
Multi-GPU technologie vyžaduje: •
základní desku s čipovou sadou podporující Multi-GPU technologii,
•
napájecí zdroj s dostatečným výstupním výkonem a dostatkem napájecích konektorů,
•
kvalitní chlazení komponent a počítačové skříně,
•
dostatek finančních prostředků.
Nejznámějším předchůdcem obou zmiňovaných technologií bylo propojení dvou grafických akcelerátorů 3Dfx Voodoo 2 SLI (uvedeno na trh na přelomu let 1997 až 1998). Toto řešení fungovalo na principu rozdělení sudých/lichých řádek obrazu mezi jednotlivé čipy/karty.
Základní parametry grafických karet U grafických karet nás většinou zajímají následující parametry: 1. Grafické procesorové jádro (GPU) – typ (výrobce), počet, taktovací kmitočet, technologie výroby (velikost tranzistoru v nm) 2. Sběrnice na základní desce počítače (AGP, PCI Express x16) 3. Podpora Multi-GPU technologie (SLI, CrossFireX) 4. Příkon – udává množství spotřebované elektrické energie za jednotku času [watt]. Hodnota příkonu je významná pro výběr napájecího zdroje počítačové sestavy. 5. Video paměť – kapacita, typ GDDR paměti, vyhrazená / sdílená s operační pamětí 6. Paměťová sběrnice – šířka sběrnice [bit], taktovací kmitočet [MHz], sběrnice spojující GPU s video pamětí. 7. RAMDAC – frekvence převodníků [MHz] 8. Výstup na zobrazovací zařízení (D-Sub, DVI, HDMI, DisplayPort) 9. Chlazení grafického čipu – žádné (pouze starší grafické karty), pasivní, pasivní+aktivní 10. Podpora nových technologií a algoritmů pro tvorbu, zobrazení a výpočty spojené s fyzikálním modelem zobrazované 3D scény. 11. Podpora DirectX – sada knihoven od Microsoftu poskytujících aplikační rozhraní (API) pro přímé ovládání hardwaru. Programové rozhraní využívají vývojáři při tvorbě her, multimediálních aplikací, grafického uživatelského prostředí operačního systému, atd. Alternativou k DirectX je rozhraní OpenGL (Windows, Linux, Mac OS X, atd.). 12. Další výbava grafické karty – výstup TV out, VIVO rozhraní (Video Input, Video Output), podpora více výstupů na monitory (např. 2x DVI či HDMI rozhraní), stereoskopické 3D brýle, ovladače grafického adaptéru pro více operačních systému (Windows 98, XP, Windows 7, Linux, atd) + aktualizace, další softwarová výbava (např. grafické programy, hry, atd).
Rychlost (výpočetní výkon) grafických adaptérů Zobrazuje-li grafický adaptér (resp. akcelerátor) na monitoru scénu, která se pohybuje (např. film, probíhající počítačovou hru, atd.), musí ji lidské oko vnímat jako plynule spojitou bez nežádoucích efektů (trhání neboli snímkování scény). Využívá se zde jisté nedokonalosti lidského zraku (jeho setrvačností). Promítáme-li za 1 sekundu více jak 25 navzájem různých snímků za sebou, vnímá je naše oko jako spojitý (plynulý) děj, který je ve skutečnosti vytvářen nespojitě. Prvním parametrem určujícím rychlost grafického adaptéru je počet promítaných snímků za 1 sekundu, tzv. Frame rate (nebo také FPS – frames per second) při určitém rozlišení obrazu a barevné hloubce. Čím větší vyžadujeme rozlišení obrazu, tím více klesá FPS. Požadavkem je, aby byl promítaný děj vnímán lidským okem jako spojitý (netrhaný). Dalším parametrem vyjadřujícím rychlost grafické karty je Fill rate, udávající počet vykreslených pixelů (obrazových bodů) za jednu sekundu. U grafických akcelerátorů vykreslujících 3D scénu je velmi důležité, kolik milionů trojúhelníků dokáže vykreslit za 1 sekundu (trojúhelník - základní prvek, ze kterého se sestavuje 3D model objektu).
