Graphikkarte - Videokarte

November 2016

Die 2D Graphik-Beschleunigungskarten

Die Graphikkarte (auf Englisch graphic adapter), manchmal auch Videokarte genannt oder Graphik-Beschleuniger, ist das Computerelement, welches die anzuzeigenden digitalen Daten in graphische Daten umsetzt, die für ein Anzeige-Peripheriegerät lesbar sind.

Die Rolle der Graphikkarte bestand ursprünglich im Versand von graphischen Pixel an einen Bildschirm, sowie eine Reihe einfacher graphischer Operationen :

  • Bewegung der Blöcke (Cursor der Maus z.B.) ;
  • Ziehen von Linien ;
  • Zeichnen von Polygonen ;
  • etc.

Die Graphikkarten jüngerer Generation besitzen einen Prozessor der in der Berechnung von komplexen graphischen 3D-Szenen!

schéma d\'une carte graphique

Die Hauptbestandteile einer Videokarte sind :

  • Ein Graphikprozessor (genannt GPU, für Graphical Processing Unit), der das Herz cœur der Graphikkarte ist und Bilder je nach gewählter Auflösung und Farbtiefe bearbeiten soll. Der GPU ist so ein spezialisierter Prozessor, der hochentwickelte Anleitungen zur Bildbearbeitung besitzt, insbesondere in 3D. Wegen der hohen Temperaturen die ein Graphikprozessor erreichen kann, wird ihm manchmal ein Kühler oder Ventilator aufgesetzt.
  • Die Rolle des Videospeichers ist es die von dem Graphikprozessor bearbeiteten Bilder vor der Anzeige zu speichern. Je umfangreicher der Videospeicher ist, desto mehr Texturen kann die Graphikkarte bei Anzeige von 3D-Szenen verwalten. Man spricht meist von frame buffer um den Teil des Videospeichers zu bezeichnen, der zum Speichern der Bilder vor der Anzeige dient. Die Graphikkarten sind abhängig von dem Speichertyp der auf der Karte benutzt wird, denn ihre Antwortzeit ist entscheidend für die Anzeigegeschwindigkeit der Bilder, und abhängig von der Speicherkapazität, die die Anzahl und die Auflösung der Bilder beeinflusst, die in dem frame buffer gespeichert werden können.
  • Der RAMDAC (random access memory digital-analog converter) ermöglicht es, digitale Bilder zu konvertieren die in dem frame buffer als digitale Signale gespeichert sind, die zum Monitor geschickt werden sollen. Die Frequenz des RAMDAC ist entscheidend für die Auffrischungsrate (Bildanzahl pro Sekunde, ausgedrückt in Hertz - Hz) die die Graphikkarte übernehmen kann.
  • Das Video-BIOS enthält die Parameter der Graphikkarte, insbesondere die Graphikmodi die diese verwendet.
  • Die Schnittstelle : es handelt sich um den Bus-Typ der zur Verbindung der Graphikkarte mit der Mutterkarte verwendet wird. Der AGP-Bus ist so speziell für die Verwendung von hohen Datenübertragungsgeschwindigkeiten vorgesehen, so wie sie für die Anzeige von Video- oder 3D-Sequenzen nötig ist. Der PCI Express-Bus besitzt höhere Leistungskraft als der AGP-Bus und wird ihn auf Dauer ersetzen.
  • Die Anschlusstechnik :
    • Die VGA-Standardschnittstelle Die Graphikkarten sind meistens mit einem 15-stiftigen Steckverbinder VGA (Mini Sub-D, bestehend aus 3 Serien von 5 Stiften), ausgestattet, meist blau, mit dem insbesondere die Verbindung zu einem CRT-Bildschirm hergestellt werden kann. Mit diesem Schnittstellentyp können 3 Signale an den Bildschirm gesendet werden, die den roten, blauen und grünen Bildelementen entsprechen.

      prise VGA

    • Die DVI-Schnittstelle (Digital Video Interface), die manche Graphikkarten ausstattet, ermöglicht es den Bildschirmen die diese verwenden können, digitale Daten zu schicken. Dadurch können unnötige Konvertierungen digital -analog und dann analog-digital, vermieden werden.

      prise DVI

    • Die S-Video-Schnittstelle : Immer mehr Karten sind mit einem S-Video-Stecker ausgestattet, mit dem die Anzeige auf einem Fernseher ermöglicht wird, aus diesem Grund wird er auch häufig Fernsehstecker genannt (notée « TV-out »).

      prise S-Video

Die 3D-Beschleunigungskarten

Die Berechnung einer 3D-Szene kann grob in vier Etappen aufgeteilt werden:

  • der Skript: Vorbereitung der Elemente
  • die geometry: Erstellen von einfachen Objekten
  • das setup: aufteilen in 2D Dreiecke
  • das rendering: die Wiedergabe, d.h. der Texturüberzug

Je mehr die 3D-Beschleunigungskarte selber diese Etappen errechnet, desto mehr wird der zentrale Prozessor von dieser Aufgabe befreit, und die Anzeige so rapider. Die ersten Chips kümmerten sich nur um das rendering und überließen alles andere dem Prozessor.
Mittlerweile besitzen die Karten ein« setup engine » das die zwei letzten Etappen übernimmt.
Ein Pentium II mit 266 Mhz beispielsweise, der die drei ersten Etappen errechnet, kann 350 000 Polygone pro Sekunde errechnen, wenn er aber nur zwei errechnet, dann erreicht er 750 000 Polygone pro Sekunde.
Dies zeigt in welchem Ausmaß diese Karten den Prozessor entlasten.

Der Bus-Typ ist auch entscheidend. Auch wenn der AGP-Bus keine Verbesserung im Bereich der 2D mit sich bringt, so sind die Karten die ihn verwenden, anstatt den PCI-Bus sehr viel leistungsstärker. Das erklärt sich dadurch, dass der AGP-Bus direkt an den Arbeitsspeicher angebunden ist, wodurch er eine sehr viel größere Bandbreite hat als der PCI-Bus.

Diese hochtechnologischen Produkte benötigen heutzutage die gleiche Herstellungsqualität wie Prozessoren, sowie Gravuren von 0.35 µm bis 0.25 µ:m.

Glossar der 3D und 2D Beschleunigungsfunktionen

Begriff Definition
2D Graphics Zeigt eine Darstellung einer Szene nach zwei Referenzachsen (x und y)
3D Graphics Zeigt eine Darstellung einer Szene nach drei Referenzachsen (x, y und z)
Alpha blending Die Welt besteht aus Objekten, undurchsichtige, lichtdurchlässigen und transparente. Das alpha blending ist eine Art, Transparenz-Informationen zu lichtdurchlässigen Objekten hinzuzufügen. Dies geschieht indem die Wiedergabe der Polygone durch Masken erfolgt, deren Dichte proportional zur Transparenz der Objekte ist. Die resultierende Pixelfarbe ist eine Kombination aus der Vordergrundfarbe und der Hintergrundfarbe. Das Alpha hat meist einen Wert zwischen 0 und 1, der wie folgt berechnet wird:
neuer Pixel=(alpha)*(Farbe des ersten P pixel)+(1-alpha*(Farbe des zweiten Pixels)
Alpha buffer Es handelt sich um einen zusätzlichen Kanal um Transparenz-Informationen zu speichern (rot-grün-blau-Transparenz).
Antialiasing Technik mit der die Pixel weniger zackig wirken.
Atmosphärische Effekte Effekte wie Nebel oder Entfernungseffekt, die die Wiedergabe einer Umgebung verbessern.
Bitmap Bild Pixel für Pixel
Bilinear filtering Ermöglicht den Übergang eines Pixels von einer Stelle zur anderen flüssiger zu machen (bei einer Rotation z.B.)
BitBLT Es handelt sich um eine der wichtigsten Beschleunigungsfunktionen, mit der die Verschiebung eines Datenblocks erleichtert wird, indem die Besonderheiten des Video-Speichers einbezogen werden. Sie wird z.B. beim Verschieben eines Fensters verwendet
Blending Kombinierung von zwei Bildern die Bit für Bit zugefügt werden
Bus Mastering Eine Funktion des PCI-Bus mit der Informationen direkt von dem Speicher empfangen werden können, ohne über den Prozessor zu laufen
Perspektivenkorrektur Eine Methode um Umhüllungen mit Texturen (texture mapping) zu erreichen. Sie nimmt den Wert Z an um Polygone zu umhüllen. Wenn sich ein Objekt von Objektiv entfernt, erscheint es kleiner in Höhe und Breite, die Perspektivenkorrektur besteht darin zu sagen, dass die Änderungsrate in den Texturpixel proportional zu der Tiefe ist.
Depth Cueing Abnehmende Intensität der Objekte die sich von Objektiv entfernen
Dithering Ermöglicht Bilder in 24-bit Qualität in kleineren Pufferns (8 oder 16 Bits) zu archivieren. Das dithering verwendet zwei Farben um daraus eine einzige zu schaffen
Double buffering Eine Methode die zwei Puffer verwendet, einen für die Anzeige, den anderen für die Berechnung der Wiedergabe, so dass, wenn die Wiedergabe gemacht ist, die zwei Puffer getauscht werden.
Flat shading ou Constant shading Ordnet eine gleichmäßige Farbe einem Polygon zu. Das so wiedergegebene Objekt wirkt schillernd.
Fog Verwendet die blending-Funktion für ein Objekt mit gleichbleibender Farbe (je mehr es sich vom Objektiv entfernt, desto mehr wird die Funktion benutzt)
Gamma Die Eigenschaften einer Anzeige die Phosphor benutzt sind nicht linear : ein kleiner Spannungsunterschied bei Niedrigspannung führt zu eine Veränderung der Brillanz der Anzeige; der gleiche Unterschied bei höherer Spannung ergibt nicht die gleiche Brillanz-Spanne. Der Unterschied zwischen dem was erwartet wird, und dem was gemessen wird heißt Gamma.
Gamma-Korrektur Bevor sie angezeigt werden, müssen die Daten korrigiert werden um das Gamma zu kompensieren
Gouraud Shading (Gouraud-Glättung) Ein Algorithmus (der den Namen des französischen Mathematikers trägt, der ihn erfunden hat) der die Glättung der Farben durch Interpolation ermöglicht. Er ordnet jedem Pixel eines Polygons eine Farbe zu, indem er sich auf der Interpolation seiner Kanten basiert, er stimuliert die Erscheinung von Plastik- oder Metalloberflächen.
Interpolation Mathematische Art fehlende oder beschädigte Informationen zu regenerieren. Wenn ein Bild z.B. vergrößert wird, werden die fehlenden Pixel durch Interpolation generiert.
Line Buffer Es handelt sich um einen Puffer der eine Videoleitung speichert
Phong-Glättung Ein Algorithmus (der den Name von Phong Bui-Tong trägt)mit dem die Farben geglättet werden können, indem die Lichtrate an zahlreichen Punkten einer Oberfläche berechnet wird und die Farbe der Pixel je nach Wert geändert wird. Er nimmt mehr Ressourcen in Anspruch als die Gouraud-Glättung
MIP Mapping Es handel sich um ein Wort lateinischer Herkunft "Multum in Parvum" was soviel heißt wie " mehrere in einem". Mit dieser Methode können Texturen verschiedener Auflösungen auf Objekte des gleichen Bildes aufgetragen werden, je nach Größe und Distanz. So kann man u.a. Texturen mit immer höherer Auflösung auftragen, wenn man sich einem Objekt nähert.
Projektion Es handelt sich um die Umwandlung (im Sinne einer Verkleinerung) eines 3 dimensionalen Raums in einen 2 dimensionalen
Rasterisierung Verwandelt ein Bild in Pixel
Wiedergabe (Rendering) Die Schaffung von realistischen Bildern auf einem Bildschirm unter Verwendung von mathematischen Modellen für die Glättung, die Farben...
Rendering engine Der materielle Teil oder Programmteil der für die Berechnung der 3D-Primitiven (meist Dreiecke) verantwortlich ist
Tesselation oder Mosaikunterteillung Die Berechnung von 3D Graphen kann in drei Teile eingeteilt werden: die Tesselation, die Geometrie und die Wiedergabe. Die Tesselation ist der Teil der darin besteht eine Oberfläche in kleinere Formen zu zerlegen (meist Dreiecke oder Vierkanter)
Texture Mapping Besteht darin Bilder zu speichern die aus Pixel (Texel) bestehen, und dann 3D-Objekte mit dieser Textur einzuhüllen um eine realistischere Darstellung der Objekte zu erreichen
Tri-linear filtering Die trilineare Filterung basiert auf dem Prinzip der bilinearen Filterung, besteht darin den Mittelwert zwischen zwei bilinearen Filterungen zu erstellen.
Z-buffer Teil des Speichers der die Distanz von jedem Pixel zum Objektiv speichert. Wenn die Objekte am Bildschirm wiedergegeben werden, muss die rendering engine die versteckten Oberflächen unterdrücken.
Z-buffering Das Unterdrücken der versteckten Oberflächen durch die im Z-buffer gespeicherten Werte

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  • Meinungen der Gemeinschaft und Merkmale der Graphikkarten auf Kioskea

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