Grafická karta

Obraz viditeľný na monitore je vytváraný zložitým postupom. Aplikácia, ktorá potrebuje zobraziť nejaký objekt na obrazovke je spracovaná procesorom – CPU, ten vyšle príkaz grafickému rozhrania (grafickému) driveru, ktorý je spojnicou medzi hardvérom grafickej karty a operačným systémom. Ovládač vyšle digitálne údaje v novom formáte na renderovanie grafickej karte. Dáta sa presunú po zbernici PCIe, alebo AGP do vyrovnávacej pamäte systému (buď priamo na karte alebo v systémovej pamäti). Dáta sa spracujú – ak ide o 3D objekt ten je „dodaný“ vo forme polygónov, textúr a efektov (oheň, hmla, záblesk...). Výsledný 3D obraz vrátane efektov, trojrozmernej hĺbky obrazu, osvetlenia scény tieňov a následného pohybu je vygenerovaný v pamäti grafickej karty pomocou API a prerenderovaný do 2D obrazu na jednotlivé body. Digitálne údaje sú premenené na body, z ktorých sa skladá výsledný obraz na monitore. Pre rozlíšenie 1280 x 1024 bodov, musí grafická karta na vykreslenie jednej obrazovky vypočítať polohu a farbu pre 1 310 720 bodov. Tento proces sa opakuje 50 – 200x za sekundu. Body sú prevedené pomocou RAMDAC na analógový signál potrebný pre analógové monitory. Pre DVI je zasielaný do monitora priamo, v digitálnej forme.

Grafická karta začala písať svoju históriu v roku 1960, keď tlačiareň (čo bolo najbežnejšie výstupné zariadenie počítača) bola nahradená obrazovkou, a bolo potrebné výstupné informácie z počítača vizualizovať. Prvé grafické karty zobrazovali len v textovom režime a len monochromaticky. Prípadné obrázky sa len skladali z textových znakov.

Prvé grafické karty použilo vo svojich počítačoch IBM (prvé IBM PC) v roku 1981. Bola to karta štandardu MDA (Monochrome Display Adapter). Pracovala len v textovom režime 25x80 riadkov na obrazovke. Mala 4kB videopamäť a len jednu farbu. Karty sa postupne s nárokmi užívateľov vyvíjali, a vznikali firmy špecializujúce sa práve na grafické karty (ATI, CirrusLogic, S3, Matrox). V roku 1987 vznikol štandard VGA (Video Graphic Array – 640x480 bodov pri 256 farbách) a neskôr SVGA (Super VGA) ktorý už potreboval 2 MB pamäte a dokázal zobraziť 1024x768 bodov pri 256 farbách.

Tieto štandardy sa líšili len počtom zobrazených bodov a farieb. Evolučným skokom vo vývoji boli prvé karty označované ako 2D/3D (Matrox, Creative …). Tieto karty podporovali SVGA štandard, ale ako novinku mali zabudované 3D funkcie (podporu pre 3D zobrazenie). V 1997 firma 3dfx prišla s revolučným čipom Voodoo, ktorý obsahoval nové 3D funkcie a efekty (Mip Mapping, Z-buffering, Anti-aliasing...). Tieto karty boli doplnkom ku klasickej grafickej karte, boli s ňou prepojené, a spúšťali sa len pri programoch, ktoré ju podporovali. Tieto karty sa dali používať pre počítačové hry, ktoré sa stali hybným motorom celého tohoto odvetvia. Nastal rýchly rozvoj grafických kariet, ktorý trvá podnes. Nové karty vyžadovali stále väčší objem dát prenášaných cez systémovú zbernicu PCI, táto postupne prestala nárokom postačovať. Preto v 2002 prišiel Intel s novým portom AGP (Accelerated Graphics Port) ktorý riešil úzke miesto medzi procesorom a grafickou kartou. AGP bol prvý špecializovaný port len pre grafickú kartu.

V roku 2002 nVidia začala kontrolovať trh s grafickými kartami, prevzala firmu 3dfx a vytvorila rodinu GeForce. Nové 3D algoritmy, väčší výkon grafických procesorov, nové pamäteSDRAM, DDRAM, DDR2, DDR3 so stále rastúcimi frekvenciami a veľkosťami 8... 512 MB GRAM...

Dnes je trh s grafickými procesorami kontrolovaný firmami nVidia a AMD (bývalá ATI) s rodinami grafických čipov GeForce a Radeon. Ostatné firmy sa špecializujú na zvláštne karty pre profesionálne využitie (Matrox...)

Grafická karta je doska plošného spoja obsahujúca elektronické komponenty (procesor, pamäť, radiče...) a mechanické komponenty (chladiče...).

API (Application Programming Interface) – rozhranie pre programovanie aplikácií. Ide o procedúry, funkcie a triedy knižnice, ktoré môže použiť programátor využívajúci knižnicu. API určuje, akým spôsobom sa funkcie knižnice budú volať zo zdrojového kódu programu. Funkcie API sú teda programové celky, ktoré programátor používa namiesto toho, aby ich sám naprogramoval. Dnes sa najviac používajú dve grafické API – OpenGL a DirectX, ktoré sú štandardizované, a programátor ich môže v softvéri použiť. Spôsob ich vykonania závisí na konkrétnom počítači, podľa jeho výkonu a podľa výkonu grafickej karty. Programu – napríklad hre už potom nezáleží na type a výkone grafického procesora, ale len na tom ktoré API karta podporuje.

Prakticky sú Direct3D a OpenGL skupiny API funkcií, ktoré vykonávajú zložité výpočty v 3D priestore. Umožňujú nízkoúrovňový prístup k 3D akcelerátoru a hardvéru vôbec, čím výrazne urýchľujú grafické operácie.

• Direct3D: Vytvorené Microsoftom roku 1996, ako komponent DirectX. Je exkluzívne určené pre prácu vo Windows. Posledná verzia je DirectX 12, väčšina počítačov v súčasnosti podporuje DirectX 9.0c.
• OpenGL: Vytvorené Silicon Graphics v roku 1990. OpenGL je voľné, multijazykové a multiplatformové (podporované viacerými operačnými systémami). Používa sa pre CAD, virtuálnu realitu, hry, vizualizácie, letecké simulátory... Je podporované aj Linuxom. Posledná verzia je OpenGL 4.2.

Niektoré z často používaných efektov, funkcií a pojmov používaných v súvislosti s grafickými kartami.

• Anti Aliasing: Ide o vyhladenie hrán objektov priemerovaním výpočtu hrany objektu pri rôznom rozlíšení. Zapnutie funkcie výrazne uberie na výkone grafickej karty. Zmysel má len pri obrazovke menšej ako 17“, kde je málo bodov a hrany sú potom kostrbaté.
• Frame buffer – Slúži na odkladanie vyrenderovaných pixelov a textúr pre ich neskoršie použitie v zobrazovanej scéne.
• Accumulation buffer – Slúži na akumuláciu bodov, k operáciám s pixelami pre ich neskoršie kopírovanie do frame bufferu. Dajú sa tým dosiahnuť rôzne efekty (Motion Blur, Radial Blur...).
• Z-buffer – Slúži na odkladanie hĺbky jednotlivých pixelov vo frame bufferi.
• Stencil buffer – Slúži ako maska pri jednotlivých operáciách s pixelmi vo frame bufferi. Dajú sa tým dosiahnuť rôzne efekty (zrkadlenie, siluety...). S ním sú preskakované objekty, ktoré sú stále v popredí.
• T-buffer: počíta z rôznych uhlov pohľadu viackrát rovnaký obraz a vytvorí z toho jeden obraz. Dosiahne sa tým priestorovosť, hĺbka, ostrosť pohybujúcich sa objektov.
• Textúrovacie jednotky: V súčasnosti spracúvajú až dve textúrové jednotky za 1 takt 1 texel (pixel s dvoma textúrovými súradnicami). Pritom sú polygóny (3D telesá) pokryté dvojrozmernými povrchmi (textúrami). Novšie čipy majú 4 textúrovacie jednotky
• AGP-Texturing (Execute mode): V tomto móde môže grafický čip priamo vyčítať textúry z operačnej pamäte, bez toho, aby ich musel presúvať do VRAM
• Transformácia – výpočet polohy, orientácie a vzhľadu objektu v priestore definovanom maticou. Objekty sú transformované Modelovacou maticou (modelview matrix) a Projekčnou maticou (projection matrix). Modelovacia matica slúži na rotáciu objektu, jeho posun od stredu/počiatku súradníc a na jeho škálovanie (zväčšovanie/zmenšovanie). Projekčná matica definuje transformáciu objektu z 3D priestoru na 2D plochu. Na transformovanie textúr slúži Textúrovacia matica (texture matrix)..
• Trilineárne filtrovanie: Táto funkcia zaisťuje hladký prechod medzi textúrami jedného objektu.
• Bump Mapping: Získava textúru s informáciami o tieňoch závislých na uhle a intenzite osvetlenia.
• Environment-Mapped Bump Mapping: Táto funkcia zobrazuje zrkadlenia a vlnenia na vodných hladinách.
• Pixel Shader, Vertex Shader : slúži na vytvorenie realistických povrchov (kameň, voda...) vďaka tomu, že pomáha tieňovať jednotlivé body. Stará sa o osvetlenie, atmosférické a optické efekty...
• Realtime Shading tieňovanie v reálnom čase: zabezpečí tieňovanie blízke reálnemu 3D zobrazeniu. Pre každý obraz sa vypočítava nový tieň.
• Vertex – Je to vrchol polygónu (trojuholníka, viacuholníka...). Väčšinou tri vertexy (vrcholy) definujú polygón.
• Polygón – Mnohouholník. Jeho vrcholy tvoria vertexy. Najčastejšie používané sú trojuholníky a štvorce. Z polygónov je vytvorená každá štruktúra objektu v 3D priestore.
• Textúra – Ide o obrázok (bitmapa) ktorou sa vypĺňa polygón. Imitujú vlastnosti reálnych objektov (imitácia tehál, dreva, kovu...). Na povrch objektu sa nanášajú pomocou súradníc definovaných vertexami.
• Veľkosť textúr: Textúry súčasných hier majú obvyklú veľkosť 256 x 256 bodov. Nové hry prichádzajú až s 2 048 x 2048 -bodovými textúrami.
• Lighting / Light – Osvetlenie a svetlo definované v 3D priestore. Svetlo je definované polohou zdroja, typom zdroja (bodové, rozptýlené...), časovým priebehom (konštantné, blikania...) a pod.
• 32bitová farebná hĺbka: Trend ide v ústrety hrám, ktoré podporujú 32 bitov. Tak sa dajú priebehy farvy a svetlosti zobrazovať bez prechodov
• HDR – rýchle dynamické renderovanie: technika rozširujúca rozsah jasu v reálnych scénach(od svetelného zdroja po tmavé tiene).
• Motion blur: technika rozmazávania rýchlo sa pohybujúcich objektov
• Depth of field: technika rozmazávania objektov vo veľkej diaľke
• Lens flare: imitácia ohňa, svetelné zdroje, svetelné efekty
• Fresnel effect: odrazy od objektov, zrkadlenia na lesklých plochách v závislosti od uhla pohľadu
• Specular Highlights: Hladké povrchy s ním reflektujú zdroje svetla vo forme trblietania.
• Texture Compression: V tejto funkcii je používaný algoritmus pre redukciu – kompresiu textúr.
• Anizotropné filtrovanie: rozširuje uhol pohľadu na zobrazený objekt pri priblížení, alebo vzdialení sa od objektu.
• Zreťazenia (pipelines) slúžia na paralelné spracovanie príkazov. Vykoná sa viac príkazov v jednom takte.

Dnes je jedinou hnacou silou pre neustály vývoj grafických kariet hranie počítačových hier. Iné bežné činnosti nedokážu výpočtový výkon grafických kariet využiť ani na zlomok percenta. Dnešné grafické karty majú výkon a kapacitu pamäte väčšiu, ako celé počítače len spred niekoľkých rokov. Cieľom je dosiahnuť fotorealistickú kvalitu vrátane 3D zobrazenia, aby človek z obrazu a pohybu nedokázal určiť, či ide o reálne, alebo len o vykreslené postavy a objekty. Ak sa obzrieme dozadu na doterajší vývoj grafických kariet a tempo ich vývoja je jasné, že táto budúcnosť už nie je ďaleko.

• Grafický procesor
• Monitor