Акселераторы
В истории вычислительной техники развитие программных и аппаратных средств тесно переплетено друг с другом. Новые технические возможности позволяют программистам сделать очередной шаг вперед и при этом у них просто появляются новые требования к аппаратуре. Основное влияние на расширение функций видеокарт оказало стремление получить на экране монитора объемное движущееся изображение, построенное с учетом перспективы и распределения света и тени. Пионерами этого направления были разработчики компьютерных игр.
Трехмерная графика
Как известно, на холсте или листе бумаги можно нарисовать только плоское изображение, а для придания ему эффекта объемности применяются специальные приемы рисования. То, что мы видим в результате, является оптической иллюзией (обманом зрения), основанной на нашем жизненном опыте восприятия окружающего мира.
Для получения изображения куба его грани надо расположить под определенными углами. У шара граней нет, поэтому для придания кругу эффекта объемности используется распределение света и тени, создаваемое с помощью штриховки или раскрашивания. Для получения эффекта расположения в пространстве нескольких объектов их размеры уменьшаются по мере удаления от точки наблюдения.
Перечисленные приемы основаны не только на нашем субъективном восприятии окружающего мира, но и на вполне объективных законах оптики, Существует возможность формального описания способов преобразования трехмерных объектов в двухмерные и программной реализации алгоритмов вычислений. Такие алгоритмы не учитывают субъективный фактор, но это второстепенный вопрос.
В отличие от листа бумаги экран монитора является плоской дискретной поверхностью, поэтому компьютерная графика имеет дело с дискретными объектами. Для их аналитического описания нужны специальные методы аппроксимации. При описании плоских (двухмерных) объектов обычно Применяются методы линейной и векторной графики, а при описании трехмерных объектов – полигональной графики (слово polygon переводится как многоугольник). Чаще всего в качестве многоугольников используются треугольники.
В разработку методов трехмерной графики основной вклад внесла Reality b 3D, подразделение ныне не существующей компании Rendermorphis.
Результаты ее работы легли в основу графической библиотеки Direct3D, продукт фирмы Microsoft. Они же были использованы при создании языка VRML, предназначенного для описания трехмерных сценариев. Его создала Cosmo Software, а адаптировала российская фирма ParaGraph.
Процесс построения трехмерного изображения можно разделить на два этапа:
- геометрические вычисления;
- визуализация полученных результатов.
Геометрические вычисления сводятся к манипуляциям с векторами и матрицами, в результате которых получается совокупность треугольников, аппроксимирующая поверхность трехмерного объекта. Эти вычисления полностью зависят от конкретных свойств графических объектов, поэтому их выполняет центральный процессор ПК.
Процесс визуализации (rendering) заключается в том, что полученные треугольники отображаются на дискретную плоскость (поверхность экрана). При этом некоторые из них могут превратиться в линии или точки, а часть окажется на невидимой стороне объекта. Треугольники раскрашиваются по заданным образцам (их называют текстурами), а для получения эффекта объемности учитывается распределение уровней освещенности. Кроме того, могут понадобиться вычисления, связанные с изменением размеров всего изображения или отдельных его частей, коррекцией перспективы, созданием эффекта тумана и др.
Все эти действия не столь сложны, как геометрические построения, но их количество огромно, оно во много раз больше, чем количество точек на экране монитора или в рисунке, если он занимает не весь экран. Выполнение визуализации процессором ПК существенно замедляет работу с графикой.
Одним из распространенных приемов ускорения является перенос несложных, но многократно повторяемых вычислений на аппаратный уровень. Для этого создаются специальные процессоры, выполняющие нужные вычисления по микропрограммам, работающим намного быстрее программ аналогичного назначения.