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Scheda video

Febbraio 2015
Diagram of a graphics card

Presentazione della scheda video


La scheda video, (o acceleratore video) è l'elemento del computer incaricato di convertire i dati digitali per visualizzare i dati video utilizzabili da una periferica di visualizzazione.

Il ruolo della scheda video è stato originariamente l'invio di pixel grafici ad uno schermo, e una serie di semplice manipolazione grafica:
  • Spostamento di blocchi (cursore del mouse, per esempio);
  • Disegno di linee;
  • Layout di poligoni;
  • Ecc..


Le nuove schede video sono ora dotati di processori specializzati nel calcolo di complesse scene di grafica in 3D!

I componenti principali di una scheda video sono:

GPU


Un processore grafico (chiamato GPU, per Graphical Processing Unit), che costituisce il nucleo della scheda video e incaricato dell'elaborazione delle immagini in base alla risoluzione e della profondità della codifica selezionate. La GPU è un processore specializzato e con delle istruzioni evolute di elaborazione delle immagini, anche in 3D. A causa della temperatura che può raggiungere la GPU, a volte è sormontato da un radiatore e una ventola.

Memoria video


La memoria video responsabili della gestione delle immagini elaborate dalla GPU prima della visualizzazione. Maggiore è la quantità di memoria video, maggiore è la capacità della scheda video di gestire texture durante la visualizzazione di scene 3D. Generalmente si parla di frame buffer

RAMDAC


Il RAMDAC (random access memory digital-analog converter) viene utilizzato per convertire le immagini digitali memorizzate nel frame buffer in segnali analogici da inviare al monitor . La frequenza del RAMDAC determina i tassi di aggiornamento (numero di fotogrammi al secondo, espresso in Hertz - Hz) che la scheda video è in grado di supportare.

BIOS Video


Il BIOS video contiene le impostazioni della scheda video, tra cui modalità grafiche che essa supporta.

Interfaccia


L'interfaccia : il tipo di bus utilizzato per collegare la scheda grafica alla scheda madre. Il bus AGP è particolarmente ben progettato per accogliere grandi flussi di dati necessari per la visualizzazione di video o 3D. Il bus PCI Express ha prestazioni migliori rispetto al bus AGP per questo l'ha sostituito.

Connettività

VGA


L'interfaccia VGA standard : La maggior parte delle schede video sono dotate di un connettore VGA 15 pin (Mini Sub-D, composto da 3 serie di 5 pin), generalmente di colore blu, che consente il collegamento di un monitor.

DVI


L'interfaccia DVI (Digital Video Interface), presente su alcune schede video, consente di inviare ai monitor, supportati, i dati digitali . Questo impedisce la conversione inutile digitale-analogico poi analogico-digitale.

S-Vidéo


L'interfaccia S-Vidéo : Sempre più schede sono dotate di connettore S-Video che consente la visualizzazione dello schermo su una televisione.

HDMI


L'interfaccia HDMI (High-Definition Multimedia Interface) raccoglie su un connettore alla volta i segnali video e audio. Questi vengono trasmessi in digitale e possono essere criptati (protezione contro la copia dei contenuti). Permette di collegare una sorgente audio/video - come un lettore HD DVD o Blu-ray, un computer, console di gioco o HD TV. Ha lo scopo di sostituire i cavi SCART coassiale S-Video e supporta sia il video standard che il video ad alta definizione. Si basa sull'interfaccia DVI che si estende ampiamente. Ci sono infatti diverse versioni dello standard HDMI (1.0, 1.1, 1.2, 1.3 ...) a seconda delle esigenze e le possibilità del dispositivo da collegare. Così la versione 1.3 permette di collegare dispositivi ad alta definizione (3840 x 2400), fino a 8 canali audio possono essere utilizzata.
  • Il connettore HDMI di tipo A ha 19 pin ed è utilizzato nella maggior parte dei casi.
  • C'è un connettore esteso con 29 pin riservato ai dispositivi a definizione molto alta.
  • Infine, un connettore tipo C in formato ridotto, ma anche con 19 pin, è stato progettato per i dispositivi portatili.

Scheda acceleratrice 3D


Il calcolo di una scena 3D è un processo composto grossolanamente da quattro fasi:
  • lo script: attuazione degli elementi
  • la geometria: creazione degli oggetti semplici
  • il setup: taglio in triangoli 2D
  • il rendering: applicare texture ai triangoli.


Così, più la scheda acceleratrice 3D calcola questi passaggi, più la CPU si libera da questo compito e quindi il display è veloce. I primi chip facevano solo il rendering, lasciando il processore fare il resto. Ormai le schede hanno un "setup engine" incaricato degli gli ultimi due passaggi. Ad esempio, un Pentium II 266 Mhz, che calcola le tre prime fasi può calcolare 350 000 poligoni al secondo, quando ne calcola solo due, raggiunge i 750 000 poligoni al secondo. Questo mostra come queste schede liberano risorse per la CPU

Il tipo di bus è fondamentale. Mentre il bus AGP non da alcun miglioramento nel campo 2D, le schede che utilizzano questo bus piuttosto che il bus PCI sono molto più efficiente. Ciò si spiega con il fatto che il bus AGP è direttamente collegato alla RAM, che gli conferisce una larghezza di banda molto maggiore del bus PCI.

Per aumentare ancora la velocità di calcolo 3D, è possibile inserire più schede video in un singolo computer. Questo si chiama multi-GPU (Graphics Processing Unit). Le schede sono collegati da un bus speciale, oltre al bus PCI Express. L'architettura proposta da nVIDIA è chiamata SLI, invece ATI gli da il nome crossfire. Entrambe le architetture non sono ovviamente compatibili.

Funzioni acceleratrici 3D e 2D


TermineDefinizione
2D GraphicsVisualizza una rappresentazione di una scena su due assi di riferimento (x e y)
3D GraphicsVisualizza una rappresentazione di una scena su tre assi di riferimento (x, y e z)
Alpha blendingIl mondo è composto da oggetti opachi, traslucidi e trasparenti. L'alpha blending è un modo per aggiungere delle informazioni di trasparenza a degli oggetti traslucidi. Questo è fatto effettuando un reso dei poligoni attraverso delle maschere la cui densità è proporzionale alla trasparenza degli oggetti. Il colore del pixel risultante è una combinazione del colore del primo piano e del colore dello sfondo. L'alpha ha generalmente un valore compreso tra 0 e 1 calcolato nel modo seguente:
nuovo pixel=(alpha)*(colore del primo pixel)+(1-alpha)*(colore del secondo pixel)
Alpha bufferE' un canale supplementare per stoccare l'informazione di trasparenza (Rosso-Verde-Blu-Trasparenza).
Anti-aliasingTecnica che permette di far apparire i pixel in modo meno evidente.
Effetti atmosfericiEffetti come la nebbia oppure l'effetto di distanza, che migliorano la resa di un ambiente.
BitmapImmagine pixel per pixel
Bilinear filteringPermette di fluidificare il passaggio di un pixel da un luogo ad un altro (ad esempio ad una rotazione)
BitBLTE' una delle funzioni di accelerazione più importanti, essa permette di semplificare lo spostamento di un blocco di dati, tenendo conto delle particolarità della memoria video. Essa è ad esempio utilizzata durante lo spostamento di una finestra
BlendingCombinazione di due immagini aggiungendole bit per bit
Bus MasteringUna funzione del bus PCI che permette di ricevere direttamente delle informazioni sulla memoria senza passare dal processore
Correzione di prospettivaUn metodo per mappare dei fotogrammi (texture mapping). Esso considera il valore di Z per mappare i poligoni. Quando un ogetto si allontana dall'obiettivo, esso appare più piccolo in altezza e in larghezza, la correzione della prospettiva consiste quindi nel dire che il tasso di cambiamento nei pixel del fotogramma è proporzionale alla profondità.
Depth CueingAbbassamento dell'intensità degli oggetti allontanandosi dall'obiettivo
DitheringPermette di archiviare delle immagini di qualità in 24 bit in tamponi più piccoli (8 o 16 bit). Il dithering utilizza due colori per creare uno solo
Double bufferingUn metodo che utilizza due tamponi, uno per la visualizzazione, l'altro per il calcolo della resa, così una volta fatta la resa i due tamponi sono scambiati.
Flat shading o Constant shadingAssegna un colore uniforme ad un poligono. L'oggetto così reso appare sfaccettato.
FogUtilizza la funzione blending per un oggetto con un colore fisso (più si allontana dall'obiettivo, più questa funzione è utilizzata)
GammaLe caratteristiche di una visualizzazione che utilizza dei fosfori sono non lineari : un piccolo cambiamento della tensione a bassa tensione crea un cambiamento nella visualizzazione a livello della brillantezza, questo stesso cambiamento a tensione più elevata non darà la stessa tonalità di brillantezza. La differenza tra l'atteso e il misurato è detta Gamma
Gamma CorrectionPrima di essere visualizzati, i dati devono essere corretti per compensare la Gamma
Gouraud Shading (Gouraud Shading)Algoritmo (che porta il nome del matematico francese che l'ha inventato) che permette un'uniformità dei colori per interpolazione. Esso assegna un colore ad ogni pixel di un poligono basandosi su un'interpolazione dei suoi spigoli, esso simula l'apparenza delle superfici plastiche o metalliche.
InterpolazioneMetodo matematico per generare delle informazioni mancanti o danneggiate. Ad esempio, quando si ingrandisce un'immagine, i pixel mancanti sono rigenerati per interpolazione.
Line BufferE' un tampone fatto per memorizzare una linea video
Phong ShadingAlgoritmo (con il nome di Phong Bui-Tong) che permette un'uniformità dei colori calcolando il tasso di luminosità su numerosi punti di una superficie, e cambiando il colore dei pixel in funzione del valore. E' più esigente a livello di risorse rispetto all'uniformità di Gouraud
MIP MappingE' una parola che deriva dal latino "Multum in Parvum" che significa "molti in uno". Questo metodo permette di applicare dei fotogrammi di risoluzioni diverse a degli oggetti di una stessa immagine, secondo la loro dimensione e distanza. Questo permette fra l'altro di mettere dei fotogrammi a più alta risoluzione quando ci si avvicina ad un oggetto.
ProiezioneSi tratta di trasformare (riducendolo) uno spazio di tre dimensioni in uno di due.
RasteringTrasforma un'immagine in pixel
Resa (Rendering)Si tratta di creare delle immagini realistiche su uno schermo utilizzando dei modelli matematici per l'uniformità, i colori...
Rendering engineParte hardware o software incaricata di calcolare le primitive 3D (generalmente dei triangoli)
Tassellamento o sfaccettamentoIl fatto di calcolare dei grafici in 3D può essere diviso in 3 parti: lo sfaccettamento, la geometria e la resa. Lo sfaccettamento è la parte che consiste nel suddividere una superficie in forme più piccole, scomponendola (spesso in triangoli o in quadrilateri)
Texture MappingConsiste nello stoccare delle immagini costituite da pixel (texel), poi ricoprire degli oggetti in 3D con questo fotogramma per ottenere una rappresentazione più realistica degli oggetti
Tri-linear filteringBasato sul principio del filtro bilineare, il filtro trilineare consiste nel fare una media dei due livelli di filtro bilineare.
Z-bufferParte della memoria che immagazzina la distanza di ogni pixel dall'obiettivo. Quando gli oggetti sono resi sullo schermo, il rendering engine deve eliminare le superficie nascoste.
Z-bufferingSi tratta di eliminare le facciate nascoste utilizzando i valori stoccati nel Z-buffer

Conoscere le caratteristiche della sua scheda video


Dei software tale Everest, SIW, Aida32 permettono di identificare il hardware installato nel computer e dare le caratteristiche dettagliate.
Per poter consultare questo documento offline, ne potete scaricare gratuitamente una versione in formato PDF:
Scheda-video.pdf

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