Видеокарты

Стандарт MDA

Видеокарты стандарта MDA (Monochrome Display Adapter) использовались в IBM PC самыми первыми. Так как они обладали двумя очень серьезными недостатками - были монохромными и не поддерживали никакого режима, кроме текстового - то очень скоро графические адаптеры типа MDA заменились более продвинутыми стандартами. Но все же именно MDA мы обязаны текстовому режиму 80 столбцов на 25 строк, который используется и до сих пор в программах, работающих в текстовом режиме. Надо отдать должное, такое текстовое разрешение стало стандартным главным образом потому, что MDA-карты только его и поддерживали. Символ представляется в виде матрицы 9х14 точек. Не следует забывать, что в то время (80-е годы) компьютеры и были ориентированы только на обработку текстовой информации, и возможностей таких видеокарт вполне хватало.

Стандарт CGA

Как и следует из названия (CGA означает Color Graphics Adapter), новое поколение видеокарт позволяло использовать графику, причем цветную. Поддерживается два режима: 640х200 пикселов при двухцветном изображении и 320х200 пикселов, но зато количество цветов составляет уже 4 (из 16-цветной палитры). В текстовом режиме качество изображения тоже весьма невысоко, так как размер матрицы (8х8) не обеспечивает благоприятных для восприятия очертаний символов. Если в NC нажать Alt+F9, то в этом легко убедиться.

Стандарт HGC

Появление HGC (Hercules Graphic Card) обуславливается тем, что карты CGA были явно непригодны для серьезной работы за компьютером, так как главным все же являлся текстовый режим, ибо возможностей компьютеров того времени все еще было недостаточно для обработки графики. САПР и другие ресурсоемкие программы применялись на больших ЭВМ, а область применения РС ограничивалась, как правило, работой с текстами и табличными процессорами. Карта HGC является монохромной и также, как и MDA, использует в текстовом режиме размер матрицы 9х14. Но зато HGC-адаптер может запоминать такие атрибуты символов, как мигание, подчеркивание, яркость и инверсия, что дает возможность делать кое-какие выделения в тексте. В графическом режиме карта поддерживает разрешение 720х348 (и только монохромное). У HGC оригинально распределена видеопамять. Из стандартных 128 Kb половина объема (64 Kb) используется для хранения информации о двух изображениях на экране, каждое из которых занимает 32 Kb. В текстовом режиме для хранения кодов символов и их атрибтов достаточно 4 Kb.

Стандарт EGA

Сокращение EGA является аббревиатурой термина Enhanced Graphics Adpter и говорит дальнейшем развитии аппаратных средств в данной области. EGA-адаптер является первой видеокартой, способной действительно давать более или менее серьезное цветное изображение. Типичная EGA-видеокарта поддерживает разрешения 640х480, 640х400, 640х350, 720х350 и 320х200 пикселов. В текстовом режиме размер матрицы равен 9х14 точек, однако поддерживаются и те размеры, которые предусматривали предыдущие стандарты. Можно установить, например, размер матрицы 8х8 (как у CGA), что хотя и ухудшает восприятие текста, но зато позволяет разместить на экране больше информации. Но не успели эти карты как следует закрепиться на рынке, как они вытеснились следующим поколением видекарт, которые носили марку VGA.

Стандарт VGA

В настоящее время VGA-карты (Video Graphics Arrayде-факто стали стандартом для всех видеокарт, применяемых в РС. И хотя вряд ли где-нибудь сегодня можно встретить видеокарты типа VGA, но этот стандарт является базовым для используемого сегодня SVGA и все современные видеокарты обязательно с ним совместимы. Стандартный видеорежим VGA-карты обеспечивает разрешение 640х480 пикселов и 16 цветов. Иименно такой режим, например, в качестве стандартного использует Windows и Windows-программы; таким образом, для работы с совремнными приложениями, не ориентированными на графику, в принципе может быть достаточно и карты типа VGA. В текстовом режиме размер матрицы опять же равен 9х14 точек. Как правило, VGA-адаптеры оснащаются памятью объемом 512 Kb, но если он будет равен 1 Mb, то становится возможным испоьзование 256 цветов.

Стандарт Super VGA

Super VGA (SVGA) по сути является тем же VGA, только он предусматривает более высокие разрешения и большее количество цветов. Минимальным требованием для SVGA является разрешение 800х600 и 16-битное представление цвета (High Color, 65536 цветов). Современные карты могут поддерживать разрешение более тысячи пикселов по горизонтали и вертикали при 24-битном (True Color, 16.7 млн. цветов) и 32-битном (тоже True Color, 16.7 млн. цветов) представлении цвета. Однако максимальное разрешение и цветовая палитра зависят от количество памяти, которым располагает видеокарта. Необходимый объем памяти в байтах можно легко подсчитать: нужно умножить желаемое разрешение по горизонтали на разрешение по вертикали, а затем полученное произведение умножить на количество байтов, приходящихся на один пиксел (например, 16 бит равно 2 байта). Так, для разрешения 1024х768х24 bits потребуется 1024*768*3=2359296 байт (около 2.5 Mb). Но видеокарты практически всегда могут иметь только объем памяти, который можно представить в виде степени с основанием 2 (1, 2, 4, 8, 16 Mb и т. д.), поэтому полученное значение следует округлить до ближайшего большего стандартного. В нашем случае, например, получится 4 Mb. Правда, такие рассчеты имеют смысл только для двухмерной графики, а если говорить о 3D-ускорителях, то тут по крайней мере потребутся памяти раза в два-три больше. Но об этом дальше.

Раз уж пошла речь о видеопамяти, то стоит упомянуть, что в настоящее время в видеокартах используется в основном память типа SDRAM (Synchronous DRAM) или (чаще) SGRAM (Synchronous Graphics RAM), которая имеет со SDRAM много общего и отличается главным образом повышенным быстродействием; причем очень часто (а в хороших видеокартах это давно уже стало привычным делом) она изготавливается по технологии DDR. Раньше также применялись и другие типы памяти, например VRAM (Video RAM), WRAM (Window RAM), MDRAM (MultiBank RAM), но они уже устарели. Когда-то очень давно на видеоплаты также ставили обычную DRAM (в том числе EDO), которая не менее давно использовалась в качестве оперативной памяти. Впрочем, как мне кажется, на тип памяти, которая установлена на борту видеоадаптера, обращать особого внимания не следует, так как производитель обычно сам знает, какую память наиболее целесообразно использовать в том или ином случае, и ее возможности, как правило, соответствует возможностям применяемого в устройстве графического процессора.

Важными параметрами видеокарт являются такие характеристики, как поддерживаемое разрешение и частота регенирации изображения. Причем чем больше первое, тем всегда меньше вторая. Правда, здесь важно учитывать, с каким монитром будет применятться видеоадаптер, так как, например, на 15-дюймовом мониторе все равно не удастья установить разрешение, скажем, 1600х1200. К тому же практически все видеокарты имеют изрядный запас прочности (в смысле разрешения и частоты обновления экрана), так что практически всегда дело упирается именно в монитор. Но все равно имеет смысл уточнить при покупке, какие графические режимы поддерживает устройство, особенно если планируется подключать к ней большой монитор (а плата к тому же не отличается высокой ценой), чтобы потом не было проблем типа "Поставить 1600х1200@72 Hz или же не портить глаза и ограничиться 1024х768, но зато 85 Hz?". Более подробно о том, насколько нужно высокое разрешение и о необходимой частоте регенерации написано в cтатье, посвященной CRT-мониторам.

Другое дело - возможности аппаратного ускорения прорисовки изображения. В настоящее время уже не существует видеокарт (это относится даже к самым дешевым платам), которые не были бы оснащены теми или иными функциями ускорения, поэтому сегодня термины "видеокарта" и "видеоускоритель" стали синонимами. Раньше были также дополнительные карты с графическим процессором, которые выполняли роль дочерней платы или вставлялись в другой слот на материнской плате, но такие устройства уже давно устарели. Аппаратное ускорение заключается в том, что, поимо элементарных операций, предусмотренных самим стандартом VGA, адаптер способенвыполнять и действия более выокого уровня без участия процессора. Например, построение линии по двум точкам вполне может быть возложено на плечи графического процессора. Ускорение обуславливается не только тем, что ресурсы процессора освобождаются для других целей, но также еще и тем, что микросхемы видеоплаты куда луше приспособлены для этих графических операций и выполняют их быстрее, чем даже чем даже достаточно мощный CPU. Различают два основных режима ускорения: ускорение двухмерного изображения и 3D-ускорение. Первое отвечает за прорисовку, например, таких элементов, как рабочий стол, окна приложений и так далее. Кроме того, различные видеоролики, анимация, картинки и прочее тоже начинают воспроизводиться заметно качественнее. Правда, хорошим двухмерным ускорением обладают только достаточно дорогие видеоадаптеры, которые также хорошо поддерживают 3D-ускорение, а в самых дешевых оно реализуется на далеко не самом лучшем уровне, хотя тоже присутствует.

Тема трехмерной графики - вообще отдельная тема, но мы все же постараемся немного рассказать об этом и о том, какими возможностями должна обладать современная видеокарта. Наличие в системе видеокарты, поддерживающей 3D-акселлерацию, сегодня является обязательной, и эта функци видеокарты тоже стала практически стандартной. Это объясняется обилием приложений, использующих трехмерную графику, причем это не только игры. Micrsoft, например, даже заявляет, что начала работы по созданию трехмерного пользовательского интерфейса, который будут иметь ее будущие операционные системы (интересно, а калькулятор с CD-проигрывателем тоже будут выпукло-вогнутыми?). Графический акселлератор способен сильно (в разы) поднять производительность приложений, активно использующих трехмерные сцены, особенно если для их прорисовки не хватает мощности процессора. А ее не хватает по определению: иначе зачем тогда нужно было бы что-то ускорять? Исходя из этого, можно сделать вывод, что видеокарта является не менее важным компонентом, чем, скажем, процессор или материнская плата, и зачастую ее быстродействие определяет быстродействие вычислительной системы. Так что не следует экономить на видеоадаптере, потому что дешевые видеокарты могут вообще не иметь функции 3D-ускорения, а если и имеют, то их производительность довольно невелика.

Этап построения трехмерной сцены можно условно разделить на несколько частей.

• На первом этапе, который называется каркасная аппроксимация (tesselation), происходит разметка всех криволинейных поверхностей на пространстевенную сеть, состоящую из более грубых двухмерных граней. Чем мельче это разбиение, тем реалистичнее получится графика
• Затем следует стадия геометрических построений поверхности (geometry settings): заполнение поверхнстей, создание перспективы, учет влияния источников света и так далее
• Последний этап - рендеринг (rendering) включает в себя наложение на плоскости, из которых состоит изображение, текстур, которые, в сущности, и определяют внешний вид объектов. Текстура представляет собой своего рода маленький рисунок, который накладывается на прорисованный геометрическими линиями объект. Хорошим примером текстуры, например, является изображения песка на ровном пляже (последний выступает в роли геометрического тела, в данном случае плоскости). При этом, как правило, учитываются свойства поверхности и оптическая плотность среды

В настоящее время разметка плоскостей и создание каркасного рельефа и различных объектов осуществляется с помощью такой геометрической фигуры, как треугольник. Треугольник выбран не случайно: как вы, наверное, знаете из математики, из треугольников можно составить с известной точностьюлюбое геометрическое тело или фигуру. Кроме того, не менее чем тремя точками можно однозначно задать плоскость в пространстве. Естественно, чем меньше размеры треугольников и чем их больше, тем точнее получится изображение. Недостаток метода в том, что для того, чтобы получить действительно высококачественную графику, близкую к фотографии, необходимо иметь треугольник чуть ли не на каждый пиксел. А это, понятное дело, не слишком экономит память компьютера. Решением проблемы может стать применение более сложных элементов. Например, предполагается, что будущие технологии 3D-графики будут уже базироваться на квадратиках, причем с помощью математических функций возможно будет управлять искривлением квадратика так, чтобы сравнительно небольшое число квадратиков могло описывать сложные поверхности. Это существенный шаг вперед, так как для моделирования фотореалистичной объектов, к чему так стремяться производители программнго обеспечения (в частности, игр), компьютеры уже не обязательно должны иметь невообразимый (даже по самым лояльным и оптимистичным оценкам с поправкой на будущее) объем памяти. Но зато экономия памяти компенсируется большой нагрузкой на вычислительную систему РС, что создает потребность в мощном процессоре и графическом акселлераторе. На сей день пока что не существует таких систем, ориентированных на обычного пользователя (я даже не имею ввиду массового), способных производить с требуемой скоростью все необходимые вычисления. Более того, мощности самых мощных на сегодня процессоров и графичеких чипов не всегда хватает для моделирования приличной графики с помощью даже не требующих большого объема вычисления треугольников. Что уж там говорить об искривленных квадратиках и играх, которые по качеству графики могут поспорить с кинофильмами! Однако это лишь еще раз подтверждает зачаточную стадию в развитии современных аппаратных средств компьютера и то, что со временем это положение изменится.

Однако это все в будущем (причем, как мне кажется, не таком уж и обозримом), а пока графическим процессорам приходится иметь дело с треугольниками, и они, кроме треугольников, ни с чем больше оперировать не могут. Следует заметить, что графические акселлераторы (по крайней мере, не ориентированные на студийное производство фильмов) выполняют только последний эта построения трехмерной сцены, то есть рендеринг. Геометрическая стадия, которая кроме собственно построения обектов включает в себя еще и перевод трехмерных координат пространства в двухмерные координаты поверхности монитора, возлагается в основном на плечи CPU. Это связано главным образом с тем, что матеметические вычисления, которые требуются в этот момент, обычно являются операциями над числами с дробной частью, а графический процессор может работать только с целочисленными данными. Но зато делает он это, надо сказать, весьма шустро. Поэтому производительность видеокарты сильно зависит от CPU компьютера. Понятно, что если процессор не будет строить обекты с такой скоростью, чтобы при рендеренге акселлератор работал на полную мощность, то последний будет зря простаивать, так как для него попросту не будет работы. Правда, в последнее время подавляющее большинство видеочипов способны в той или иной степени выполнять и более сложные метематические расчеты (то есть имеют в своем составе геометрический сопроцессор), однако это не означает, что нагрузка с центрального процессора будет полностью снята. Напротив, грамотная распараллеленость задач может дать существенный прирост быстродействия. Если графически представить зависимость производительности графического ускорителя от быстродействия процессора, то мы получим восходящую линию - то есть чем быстрее процессор, тем лучшие результаты показывает видеокарта. Причем для каждой модели графического чипа есть свой верхний предел, когда дальнейшее повышение мощности процессора уже практически не дает прироста производительности системы. Так что стоит согласовывать возможности процессора и видеокарты. Например, мощная видеокарта мало что сможет дать, если система располагает медленным процессором. И наоборот, при наличии хорошего процессора все может упереться в дешевую видеокарту.

Естественно, от графических чипов было бы мало толку, если бы они не имели соответствующую программную поддержку. Программная поддержка заключается в наличии соответствующих драйверов, интерфейса 3D-графики, ответственного собственно за технологию, используемую при построении сцен, ну и непосредственно самих приложений, использующих 3D-графику. С первыми все понятно - драйверы изготавливает производитель аппаратных средств и это его задача, чтобы устройство хорошо работало и было совместимо с существующими OS и прочими программными компонентами. С последними, в общем-то тоже все яно: кто из нас не играл в тот же Unreal Tournament или Vampire the Masquarrade? В области 3D графики наиболее важен второй компонент, то есть интерфейс прикладного программирования (Application Programming Interface, API). Он предназначен для обеспечения независипости приложения от аппаратного обеспечения. API можно рассматривать как драйверы верхнего уровня, которые согласуют работу видеоакселлератора и программ. Мы опишем наиболее популярные из них.

Silicon Graghics OpenGL

Этот интерфейс был создан компанией Slicon Graphics Inc. (SGI) - одним из лидеров в области разработки профессионального оборудования непосредтвенно для своей серии графических стнций Iris Indigo. Это наиболее ранний API, и он сегодня широко применяется как в играх, так и в профессиональных программах. Все видеокарты с функцией трехмерного ускорения обязаны его поддерживать.

Microsoft Direct3D

Созданный фирмой Microsoft, это наиболее поздний интерфейс из семейства DirectX (туда, например, входит еще DirectDraw, отвестственный за двухмерную графику). DirectX предусматривает возможность использования программных алгоритмов, которые позволяют выполнять функции построения трехмерных объектов чисто программными способами, то есть эмулировать настоящий графический процессор. Например, пиложение, построенное на основе DirectX (а это многие современные приложения), может запросить у операционной системы сведения о конфигурации видеоадаптера или другом оборудовании. Если нужное устройство не имеет требуемых приложением возможностей, то они заменяются программной эмуляцией. Понятно, что при этом нагрузка на CPU очень большая, и работа приложений в таком режиме, как правило, сопровждается великими притормаживаними, да и качество картинки не всегда получается хорошим. Поддержка Direct3D (да и вообще DirectX) является стандартной, и весь комплекс DirectX входит в состав всех операционных систем от Microsoft. Кстати, DirectX отвечает не только за графику, а, например, еще и за звуковые эффекты.

3Dfx Glide

Этот API разработала 3Dfx и она же активно продвигает его на рынок, включая поддержку Glide во все свои графические чипы. И хотя с Glide могут работать только видеокарты, построенные на микросхемах от 3Dfx, интерфейс является довольно распространенным, так как продукция этой фирмы недорога и при этом довольно приемлемого качества (хотя и заметно уступает в этом плане уступает продукции конкурентов, например той же NVIDA). Справедливости ради надо сказать, что приложения, оптимизирванные под Glide, работают на этом движке очень даже хорошо, но таких приложений, к сожалению, не так уж и много, так как большинство тех же игр создаются в основном в расчете на OpenGL как на более универсальный и в то же время обладающий хорошими возможностми интерфейс.

Вообще программное обеспечение способно очень сильно повлиять на производительность и качество работы видеокарты, причем как в положительную, так и в отрицательную сторону. Применение хороших драйверов способно поднять скорость работу устройства на 50-100% по сравнению с плохими или слишком старыми. Поэтому используйте по возможности как можно более новые версии драйверов видеоплаты, а также регулярно обновляйте компоненты DirectX. Как правило, новые версии лучше оптимизированы и имеют меньше ошибок, а также, возможно, позволяют лучше раскрыть функциональные возможности конкретного устройства или приложения. Многие игры, например, даже не инсталлируются, если у вас стоит устаревшая версия DirectX. Компоненты DirectX обычно можно взять на сайте Microsoft или где-нибудь в другом месте, а драйвера видеоплаты должны находиться на сайте ее производителя. Очень нежелательно использовать стандартные драйвера от Microsoft, входящие в комплект поставки Windows, так как они работают чаще плохо, чем хорошо, а иногда и вообще никак не работают.

Современные видеопроцессоры кроме ускорения прорисовки двухмерных и трехмерных объектов могут (хотя и далеко не всегда) также брать на себя часть вычислений, связанных с декодированием MPEG (2), что улучшает воспроизведение фильмов. Правда, ускорение работает, как правило, только с фирменным плеером, поставляемым обычно вместе с прочим программным обеспечением графической карты, но нагрузка на процессор при этом может снизиться раза в два. Конечно, она все равно будет выше, чем при применении специального MPEG-декодера (рисунок справа), однако мощности современных CPU для декодирования MPEG-2 - тем более при участии видеокарты - вполне хватает. Так что приличная видеокарта со средствами ускорения воспроизведения MPEG будет хорошим выбором как для игр, так и для просмотра DVD, а покупать сейчас карту MPEG-декодера вряд ли целесообразно, так как она не может в принципе дать ничего существенно лучшего (ну разве что если у вас очень медленный процессор, но тогда вы не купите ни декодер, ни на DVD-диски денег не будет хватать). А со временем такие устройства станут нужны не более, чем, скажем, сейчас нужны декодеры MPEG-1, когда даже самый хилый процессор прекрасно справляется с воспроизведением самостоятельно, а практически все ускорители ему в этом могут помочь.

Помимо производительности самого графического процессора (Graphics Processor Unit, GPU, не путать с ГПУ (шутка); некоторые слову "processor" предпочитают слово "point") важной характеристикой видеоадаптера является объем его набортной памяти. Выше мы приводили пример расчетов, с помощью которых можно определить требуемый объем памяти, но это справедливо только для двухмерной графики. Если речь идет о 3D, то видеоакселлератору требуется еще некоторый, причем достаточно болшой объем памяти для произведения необходимых вычислительных операций (подобно тому как RAM компьютера расходуется не только на загрузку программ и данных), а также память для хранения текстур и другой информации. Объем дополнительной памяти, естественно, также зависит от того, насколоко сложную графику использует приложение. В принципе, памяти никогда не бывает много. Однако необходимое количество все же можно приблизительно определить (хотя, повторяю, это сильно зависит от конкретных приложений и приведенные сведения со временем устаревают, причем весьма быстро). Для этого надо подсчитать по вышеуказанной методике требуемый обем памяти для 2D-режима, а затем увеличить полученное значение где-то раз этак в пять-шесть или даже больше. Например, для разрешения 800х600 (16 или 32 бита) 8 Mb хватить еще может, но для больших разрешений уже потребуется соответственно больший объем. Таким образом, в настоящее время нецелесообразно покупать видеокарты с количеством памяти меньше, чем 16 Mb. А если вы располагаете крупным монитором (17" и больше) и хотите работать или играть в высоких разрешениях, то тут гораздо привлекательнее смотряться видеокарты с объемом памяти 32 или 64 Mb. Профессиональные графические системы могут иметь 128 или даже 256 Mb видеопамяти, однако и стоят они, мягко говоря, подороже, да и для обычных приложений пока (подчеркиваю: пока) столько не надо. Впрочем, в случае необходимости, для построения 3D-сцены возможно использование оперативной памяти компьютера (для этого, собственно, и создали AGP), однако сильно злоупотреблять этим не стоит, так как, во-первых, оперативная память сильно уступает в быстродействии памяти видеоплаты, а, во-вторых, она тоже стоит не копейки и поэтому гигабайтами в компьютер не устанавливается, а наслаждаться постоянными подкачками с диска (которые, как правило, и без того имеются в той или иной степени) тоже не очень приятно. Так что лучше, на мой взгляд, купить хорошую видеокарту с мощным GPU и большим количеством памяти, которой хватит по меньшей мере года на два-три, чем взять какой-нибудь отстой, который устареет еще по пути из магазина. Хотя, с другой стороны, если вы собираетесь использовать компьютер только для печати или просмотра документов и связи с интернетом, то хорошая видеокарта не очень-то и нужна...

При выборе видеокарты важно также учитывать ее возможности и прочие характеристики. Например, может ли она использовать в 3D-режиме 32-битный цвет (правда карты без такой возможности встречаются все реже и реже), так как 16-битный цвет не может обеспечить хорошего качества картинки, особенно в 3D; насколько велики искажения, вносимые видеокартой в кадр, нет ли на изображении каких-либо артефактов (это, как правило, более относится к 3D-режиму); одинаково ли хорошо изображение в низком и высоком разрешении и так далее. Очень желательно, чтобы на видеочипе был вентилятор, так как графические процессоры потребляют энергии не намного меньше, чем центральные процессоры, и поэтому сильно греются. При плохом охлаждении карта начинает рабоать нестабильно или на экране появляются какие-нибудь артефакты.

Некоторые видеокарты еще могут иметь видеовход, при этом возможен как просмотр изображения (поданного, скажем, с видеомагнитофона), так и захват отдельных кадров, а также (но не всегда) запись видеороликов. Компрессия при этом, конечно же, программная, но мощности современных процессоров вполне достаточно для программного кодирования в MJPEG с хорошим качеством, так что есть возможность немного побаловаться с видеомонтажем или даже сделать собственный ролик, благо программ для этого хватает. Хотя отнести такие устройства к настоящим системам видеомонтажа программный кодек все же мешает. Зато гарантированно не возникнет проблем с совместимостью (программные кодеки, используемые такими видеокартами, являются, как правило, стандартными мультимедийными устройствами Windows со всеми вытекающими отсюда последствиями), а стоимость не сравнится с ценой специальных плат. Соответственно видеовыход позволяет подавать сигнал на бытовую видеоаппаратуру. Причем одновременный вывод изображения на телевизор и монитор обычно невозможен. Видеоадаптеры с такими функциями как нельзя лучше подходят для тех, кто хочет получить максимум возможностей за минимальные деньги, однако для более серьезного применения все же лучше подходят специализированные устройства для оцифровки видео. Иногда видеокарта оснащается еще и TV-тюнером и может даже иметь встроенную звуковую карту, но это, по-моему, уже слишком, тем более что их качество обычно оставляет желать лучшего, да и качество самой видеокарты в этом случае тоже часто оказывается невысоким.