Видеосистема компьютера

Математическое и программное обеспечение компьютерной графики нельзя рассматривать в отрыве от аппаратных средств, применяемых на различных этапах работы с изображениями. Все эти средства принято делить на три большие группы:

- устройства ввода (сканеры, дигитайзеры, цифровые фото- и видеокамеры);

- устройства вывода (мониторы, принтеры, плоттеры, цифровые проекторы);

- устройства обработки (графические ускорители).

Остановимся подробнее на аппаратных средствах последней группы, поскольку им отводится важная роль при работе с изображениями.

Простейшие модели компьютеров первой половины 80-х годов, выводившие графическое изображение на экран обычного бытового телевизора, нередко обходились без использования специальных аппаратных средств для работы с графикой. Эти функции выполнял обычный процессор. По мере развития компьютеров и расширения круга задач по работе с графикой и цветом микропроцессор перестал справляться с обработкой графических изображений, и эти функции были переданы специальной видеосистеме компьютера.

Как сказано ранее видеосистема персонального компьютера состоит из монитора (дисплея), видеоадаптера (видеокарты) и программного обеспечения.

Экран дисплея представляет собой прямоугольную матрицу пикселей, обладающих благодаря люминофорам, которыми покрыт экран, свойством светимости при попадании на них электронного луча, который построчно слева направо и сверху вниз пробегает по экрану, изменяя свою яркость и цвет.

Каждому пикселю соответствует некоторое число битов в оперативной памяти. Часть памяти, хранящая информацию о состоянии каждого пикселя экрана, определяет видеопамять компьютера.

Видеопамять - это электронное, энергозависимое запоминающее устройство, предназначенное для хранения видеоинформации - двоичного кода изображения, выводимого на экран.

Управляет работой монитора видеоадаптер. Видеопамять одновременно является частью видеоадаптера. Адаптер обеспечивает чтение этой памяти.

Конструктивно видеоадаптер представляет собой отдельную плату, связанную с центральным процессором через общую шину, поэтому видеоадаптер также называют видеокартой (видеоплатой). Видеокарта вставляется в разъем (PCI или AGP) на материнской плате. На тыльной стороне видеокарты есть разъем, к которому с помощью кабеля подключается монитор.

С увеличением сложности трехмерной графики, то есть с увеличением числа многоугольников в трехмерных сценах, изображение которых выводится на монитор, часть работы по построению и обработке трехмерных изображений потребовалось переложить с центрального процессора на видеокарту. Для этого на нее поместили специализированную микросхему - графический процессор, который берет на себя большую часть работы по формированию и обработке трехмерных образов и тем самым разгружает центральный процессор. Такую видеокарту (рисунок 9.7) в дальнейшем стали называть графическим акселератором (ускорителем).

Популярность графических приложений и, особенно, мультимедиа приложений сделала графические акселераторы не только обычным дополнением видеоадаптера, но и необходимостью.

К основным характеристикам графических акселераторов относят:

- шина: каждый графический акселератор разработан для определенного типа видеошины. Большинство графических акселераторов разработано для шины PCI;

- разрядность регистров данных: чем выше разрядность регистров, тем больше данных может обрабатывать процессор каждой командой.

Рисунок 9.7. Графический акселератор

На персональных компьютерах используются различные типы видеоадаптеров. Почти все они могут работать в нескольких режимах, называемых также видеомодами. Эти режимы различаются разрешающей способностью, количеством цветов, палитрой, числом видеостраниц и способом их адресации.

Существует два основных типа видеорежимов: текстовый и графический. В текстовом режиме в видеопамяти находятся коды символов и их атрибуты, которые из таблицы символов выводятся на экран монитора. В графическом видеорежиме в видеопамяти находится код цвета каждой точки, отображаемой на экране. Для конкретного режима некоторые мониторы предоставляют разные разрешения. При более низком разрешении монитор может отображать больше цветов.

В первых моделях PC IBM использовался цветной графический режим CGA. Выводимое изображение имело довольно низкое качество. Разрешающая способность 620´200 с четырехцветной палитрой из 16 возможных цветов или 640´200 с двухцветной палитрой.

Позднее (в 1984 году) появился улучшенный графический адаптер EGA, позволяющий работать при разрешающей способности 640´350 16-цветной палитрой из 64 цветов, двумя видеостраницами и в монохроматическом режиме с 8 видеостраницами при низком разрешении 320´200.

В 1987 IBM начала выпускать компьютеры, оснащенные видеоадаптерами VGA (видеографический массив). Для адаптеров VGA характерна возможность работы в одном из нескольких графических режимов, отличающихся количеством точек, воспроизводимых на экране, и количеством цветов. Так, например, особенно широкое применение нашли два режима, обеспечивающие при разрешении 320´200 работу с 256 цветами из палитры в миллион цветовых оттенков и с 16-цветовой палитрой при разрешении 640´480.

Одна из ценных особенностей стандарта VGA состоит в том, что он «открыт сверху», например, увеличением объема видеопамяти на плате видеоадаптера можно добиваться более высокого графического расширения и (или) увеличения количества цветов, воспроизводимых одновременно. Такие режимы получили название SVGA. Модификация SVGA позволяет использовать 256 цветов при разрешении 1280´1024 и 16 миллионов цветов при разрешении 1024´768.

Каждый из перечисленных более поздних адаптеров поддерживал все режимы предыдущих. В последние годы IBM предложила в качестве стандарта для высокопроизводительных компьютеров адаптер XGA.

Изображение, которое создается графическим ускорителем, управляемым инструкциями от центрального процессора, помещается в видеопамять. Полная информация обо всех точках изображения, хранящаяся в видеопамяти, называется битовой картой изображения.

Рассчитаем необходимый объем видеопамяти для одного из наиболее распространенных в настоящее время графических режимов с 65536-цветовой палитрой при разрешении 800´600 точек.

Всего точек на экране: 800 × 600 = 480000. Для кодирования 65536 различных цветов необходимо два байта (16 битов) памяти. Следовательно, необходимый объем видеопамяти: 16 бит × 480000 = 7680000 бит = 960000 байт = 937,5 Кбайт.

Аналогично рассчитывается необходимый объем видеопамяти для других графических режимов (таблица 20.2).

Таблица 9.2. - Объем видеопамяти для различных графических режимов

Режим экрана	Глубина цвета (бит на точку)
640 ´ 480	150 Кбайт	300 Кбайт	600 Кбайт	900 Кбайт
800 ´ 600	234 Кбайт	469 Кбайт	938 Кбайт	1,4 Мбайт
1024 ´ 768	384 Кбайт	768 Кбайт	1,5 Мбайт	2,25 Мбайт
1280 ´ 1024	640 Кбайт	1,25 Мбайт	2,5 Мбайт	3,75 Мбайт

На данный момент производством видеоадаптеров занимаются компании ABIT, ASUS, AOpen, ATI, Chaintech, Creative Labs, Gigabyte, InnoVision Multimedia, Leadtek, Matrox, Microstar International (MSI), Sapphire и др.