EVGA GEFORCE GTX 280

MSI R 4870 T2D 512

Dzięki filtrowaniu anizotropowemu również oddalone obiekty są wyraźne.

Barwa każdego pojedynczego piksela jest ustalana przez shader pikselowy.

« »

Filmy w wysokiej rozdzielczości, skomplikowane obliczenia matematyczne i piękne, fotorealistyczne efekty trójwymiarowe. Współczesne karty graficzne mogą o wiele więcej, niż tylko przedstawiać działania bohaterów naszych ulubionych gier. Wydajność najnowszych urządzeń stworzonych przez Nvidię i ATI jest ogromna. Nowy układ Nvidii nosi nazwę GT200. Trafił do kart graficznych sygnowanych symbolami GTX260 oraz GTX 280. Topowy model ATI – oznaczony symbolem RV770 – znajdziemy w Radeonach HD 4850 i 4870. Przepaść dzieląca je od wcześniej produkowanych układów jest dobrze ilustrowana przez ranking procesorów graficznych na s76.

W dalszej części tekstu przybliżymy szczegóły budowy nowych układów, wyjaśnimy pojęcia, takie jak shader, ROP czy jednostka teksturowania, i zademonstrujemy, dlaczego nowoczesne procesory graficzne w niektórych zastosowaniach deklasują najwydajniejsze procesory Intela i AMD.

Podstawy: budowa karty graficznej

Współczesne karty graficzne zwykle składają się z pięciu komponentów: interfejsu systemowego, pamięci graficznej, procesora graficznego GPU (Graphics Processing Unit), bufora ramki i tzw. RAMDAC (Random Access Digital/Analog Converter).

Interfejs systemowy znajduje się najbliżej płyty głównej. Obecnie stosuje się złącze PCI Express. Za jego pośrednictwem nieobrobione dane są ładowane do pamięci graficznej, w której przechowywane są wszelkie obiekty graficzne i tekstury. Jej pojemność waha się od 256 do nawet 2048 MB. Informacje są następnie odczytywane przez procesor graficzny, który przygotowuje do wyświetlenia na ekranie pozycje, ruchy i fakturę wszelkich obiektów widocznych w trójwymiarowej scenie. Po obróbce gotowy obraz jest umieszczany w buforze klatek i wędruje do RAMDAC – układu, który przetwarza cyfrowe obrazy, nadając im formę analogową, odpowiednią dla wyjścia VGA, lub przesyła je do cyfrowych wyjść DVI, HDMI lub DisplayPort.

Potok graficzny: droga obrazu

Większość elementów karty graficznej odgrywa wyłącznie rolę pomocniczą. Najważniejszy jest procesor grafiki. Kiedy docierają do niego dane, rozpoczynają się obliczenia, których efekt możemy zobaczyć na monitorze. Potok graficzny, czyli droga, jaką pokonują dane w karcie graficznej: od interfejsu do bufora klatek, jest podobny we wszystkich nowoczesnych urządzeniach.

Cała sekwencja powtarzana jest w wypadku każdej pojedynczej klatki. Aby wyświetlany ruch był płynny, ludzkie oko musi wychwycić co najmniej 25 klatek na sekundę. W nowoczesnych grach komputerowych największy realizm uzyskuje się dopiero przy 60 klatkach na sekundę – procesor graficzny ma więc dużo pracy.

Pierwszy etap potoku graficznego to obliczenia wstępne i przekształcenie informacji przez procesor wstępny (tzw. Setup Engine lub Input Assembler). Ten ostatni rozpoznaje typ danych, tj. bada, czy ma do czynienia z wektorami, obrazami, czy też kodem programu, i odpowiednio przygotowuje informacje do dalszej obróbki. Jest też ustalane, czy grafika będzie przetwarzana przez układ cieniowania wierzchołków (Vertex Shader), geometrii (Geometric Shader) lub pikseli (Pixel Shader), czy też przez jednostkę teksturowania.

Każdy obiekt trójwymiarowy składa się z trójkątów. Ich współrzędne są wykorzystywane przez układ cieniowania wierzchołków do tworzenia modeli przestrzennych przedstawianych brył. Są one ustawiane w odniesieniu do punktu widzenia wirtualnego obserwatora. Przyjęte pole widzenia określa się mianem bryły widzenia. Po uszeregowaniu struktur w przestrzeni sprawdza się, czy określony obiekt układu znajduje się w bryle widzenia, tzn. czy jest widoczny, czy też częściowo lub całkowicie zasłonięty przez inne obiekty. Aby uniknąć wykonywania niepotrzebnych obliczeń, niewidoczne elementy są ze sceny usuwane – proces ten nazywa się obcinaniem bryłowym. Z kolei jeśli obiekt jest usuwany, gdyż znajduje się zbyt daleko od obserwatora, by ten mógł go zauważyć, albo zbyt blisko niego czy za nim, mówimy o tzw. clippingu.

Ostatnim etapem pracy układu cieniowania wierzchołkowego jest odpowiednie oświetlenie trójwymiarowej sceny. W tym celu w wymodelowanej przestrzeni umieszczone zostaje jedno lub więcej źródeł światła – bez tego utonęlibyśmy w ciemności.

Vertex Shader może jedynie manipulować istniejącymi obiektami, nie ma natomiast możliwości dodawania nowych elementów, takich jak punkty, linie i trójkąty. W celu zaspokojenia takich potrzeb w wydanym w listopadzie 2006 roku pakiecie DirectX 10 znalazł się układ geometrii. Może on tworzyć zupełnie nowe formy geometryczne, dzięki czemu np. wirtualne drzewa będą rosnąć. Shader geometryczny uruchamiany jest po utworzeniu trójwymiarowej sceny.

Kiedy obraz, który powinien być widziany przez obserwatora, jest przygotowany w formie siatki zawierającej źródła światła, powstaje jego dwuwymiarowe odwzorowanie, które może być wyświetlone na monitorze. Proces ten nazywamy renderowaniem albo rasteryzacją. Każdy punkt dowolnego obiektu trójwymiarowego, dotychczas zapisany w formie wektorowej, jest przekształcany w piksel. Następnie układ przechodzi do obliczeń związanych z cieniowaniem wykonanych przez shader pikseli. Nadaje on kolejnym punktom kolor oraz inne cechy, jak przezroczystość, odbijanie światła lub faktura. W ten sposób zostaje oddana barwa wyświetlanych elementów. Kolejne zadania wykonywane przez shadery można jeszcze raz prześledzić na infografice.