Le schede grafiche acceleratrici 2D

La scheda grafica (in inglese graphic adapter), detta anche scheda video oacceleratore grafico, è l'elemento del computer incaricato di convertire i dati digitali da visualizzare in dati grafici usufruibili da una periferica di visualizzazione.

Il ruolo della scheda grafica era inizialmente quello di inviare dei pixel grafici ad uno schermo, nonché un insieme di manipolazioni grafiche semplici :

• spostamento dei blocchi (cursore del mouse ad esempio) ;
• tracciato di linee ;
• tracciato di poligoni ;
• ecc.

Le schede grafiche recenti sono ormai dotate di processori specializzati nel calcolo di scene grafiche complesse in 3D!

I principali componenti di una scheda video sono :

• Un processore grafico (detto GPU, per Graphical Processing Unit), che costituisce il nucleo della scheda grafica ed è incaricato di trattare le immagini in funzione della risoluzione e della profondità della codifica selezionata. Il GPU è quindi un processore specializzato che possiede delle istruzioni di trattamento dell'immagine evolute, soprattutto del 3D. Visto che la temperatura che il processore grafico può raggiungere, vi è talvolta un radiatore o un ventilatore posto sopra quest'ultimo.
• La memoria video incaricata di conservare le immagini trattate dal processore grafico prima della visualizzazione. Più la quantità di memoria video è importante, più la scheda grafica potrà generare delle trame durante la visualizzazione delle scene in 3D. Si parla generalmente di frame bufferper designare la parte della memoria video che serve a stoccare le immagini prima della visualizzazione. Le carte grafiche sono tributarie del tipo di memoriautilizzata sulla scheda, dato che il loro tempo di risposta è determinante per la velocità di visualizzazione delle immagini, nonché per la quantità di memoria, giocando sul numero e sulla risoluzione delle immagini che possono essere stoccate nel frame buffer.
• La RAMDAC (random access memory digital-analog converter) permette di convertire le immagini digitali stoccate nel frame buffer in segnali analogici da inviare al monitor. La frequenza del RAMDAC determina il tasso di refresh (numero di immagini al secondo, espresso in Hertz - Hz) supportato dalla scheda grafica.
• Il BIOS video contiene i parametri della scheda grafica, soprattutto le modalità grafiche che quest'ultima supporta.
• L'interfaccia : si tratta del tipo di bus utilizzato per connettere la scheda grafica alla scheda madre. Il bus AGP è quindi specialmente previsto per accettare un'elevata banda passante di dati, necessaria per la visualizzazione di sequenze video o 3D. Il bus PCI Express ha delle performance migliori rispetto al bus AGP ed è destinato a sostituirlo.
• La connettività :
  • L'interfaccia VGA standard: Le schede grafiche sono per la maggiorparte dotate di un connettore VGA 15 pin (Mini Sub-D, composto da 3 serie da 5 pin), generalmente di colore blu, che permettono soprattutto la connessione di unoschermo CRT. Questo tipo di interfaccia permette di inviare allo schermo 3 segnali analogici corrispondenti ai componenti rossi, blu e verdi dell'immagine.

• • L'interfaccia DVI (Digital Video Interface), presente su alcune schede grafiche, permette di inviare, agli schermi che la supportano, dei dati numerici. Questo permette di evitare delle conversioni digitali-analogiche, poi analogiche digitali, inutili.

• • L'interfaccia S-Video : Sempre più schede sono dotate di una presa S-Video che permette di visualizzare su una televisione, ragione per cui essa è spesso chiamata presa tv (sigla « TV-out »).

Le schede acceleratrici 3D

Il calcolo di una scena 3D è un processo che si scompone grossomodo in quattro tappe:

• lo script: preparazione degli elementi
• la geometry: creazione di oggetti semplici
• il setup: scomposizione in triangoli 2D
• il rendering: E' il reso, cioè il placcaggio delle trame

Così, più la scheda acceleratrice 3D calcola da sola queste tappe, più il processore centrale è libero da questo compito e quindi la visualizzazione sarà più rapida. I primi chip effettuavano solo il rendering, lasciando il resto al processore.
In seguito, le schede hanno un « setup engine » che si incarica delle prime due tappe.
Ad esempio, un Pentium II a 266 Mhz che calcola le prime tre tappe può calcolare 350 000 poligoni al secondo, e quando ne calcola solamente due, raggiunge i 750 000 poligoni al secondo.
Questo mostra a quale punto queste schede scaricano il processore.

Il tipo di bus è anch'esso determinante. Mentre il busAGP non apporta nessun miglioramento nel campo della 2D, le schede che utilizzano questo bus piuttosto che il bus PCI sono molto più performanti. Questo si spiega con il fatto che bus SGP è collegato direttamente alla memoria viva, avendo così una banda passante molto più performante rispetto a quella del bus PCI.

Questi prodotti di alta tecnologia hanno ora bisogno della stessa qualità di fabbricazione dei processori, nonché di masterizzatori che vanno da 0.35 µm a 0.25 µ:m.

Glossario delle funzioni acceleratrici 3D e 2D

Termine	Definizione
2D Graphics	Visualizza una rappresentazione di una scena su due assi di riferimento (x e y)
3D Graphics	Visualizza una rappresentazione di una scena su tre assi di riferimento (x, y e z)
Alpha blending	Il 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 buffer	E' un canale supplementare per stoccare l'informazione di trasparenza (Rosso-Verde-Blu-Trasparenza).
Anti-aliasing detto anche anti-zigrinatura)	Tecnica che permette di far apparire i pixel in modo meno evidente.
Effetti atmosferici	Effetti come la nebbia oppure l'effetto di distanza, che migliorano la resa di un ambiente.
Bitmap	Immagine pixel per pixel
Bilinear filtering	Permette di fluidificare il passaggio di un pixel da un luogo ad un altro (ad esempio ad una rotazione)
BitBLT	E' 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
Blending	Combinazione di due immagini aggiungendole bit per bit
Bus Mastering	Una funzione del bus PCI che permette di ricevere direttamente delle informazioni sulla memoria senza passare dal processore
Correzione di prospettiva	Un metodo per mappare delle trame (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 della trama è proporzionale alla profondità.
Depth Cueing	Abbassamento dell'intesità degli oggetti allontanandosi dall'obiettivo
Dithering	Permette 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 buffering	Un 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 shading	Assegna un colore uniforme ad un poligono. L'oggetto così reso appare sfaccettato.
Fog	Utilizza la funzione blending per un oggetto con un colore fisso (più si allontana dall'obiettivo, più questa funzione è utilizzata)
Gamma	Le 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 tonaità di brillantezza. La differenza tra l'atteso e il misurato è detta Gamma
Gamma Correction	Prima 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.
Interpolazione	Metodo matematico per generare delle informazioni mancanti o danneggiate. Ad esempio, quando si aggrandisce un'immagine, i pixel mancanti sono rigenerati per interpolazione.
Line Buffer	E' un tampone fatto per memorizzare una linea video
Phong Shading	Algoritmo (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 Mapping	E' una parola che deriva dal latino "Multum in Parvum" che significa "molti in uno". Questo metodo permette di applicare delle trame di risoluzioni diverse a degli oggetti di una stessa immagine, secondo la loro dimensione e distanza. Questo permette fra l'altro di mettere delle trame a più alta risoluzione quando ci si avvicina ad un oggetto.
Proiezione	Si tratta di trasformare (riducendolo) uno spazio di tre dimensioni in uno di due.
Rasterizzazione	Trasforma 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 engine	Parte hardware o software incaricata di calcolare le primitive 3D (generalmente dei triangoli)
Tassellamento o sfaccettamento	Il 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 Mapping	Consiste nello stoccare delle immagini costituite da pixel (texel), poi ricoprire degli oggetti in 3D con questa trama per ottenere una rappresentazione più realistica degli oggetti
Tri-linear filtering	Basato sul principio del filto bilineare, il filtro trilineare consiste nel fare una media dei due livelli di filto bilineare.
Z-buffer	Parte 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-buffering	Si tratta di eliminare le facciate nascoste utilizzando i valori stoccati nel Z-buffer