PC World 1/2001

autor: Joel Strauch

Cesta do hlbín grafickej karty
"Obraz reality zložený z jednotiek a núl"

Grafická karta: súčasť počítača, väčšinou prídavná karta, ktorá má na starosti grafické spracovanie a výstup údajov z počítača na monitor. Grafická karta je jedna z najdôležitejších súčastí PC a jej hlavnou úlohou je meniť jednotky a nuly dvojkovej sústavy na obraz, ktorý možno prezentovať na monitore.

Ideálna grafická karta ?!
Trh s grafickými kartami zažíva boom: každý druhý mesiac se objavujú nové grafické čipy, pridávajú sa nové 3D funkcie so stále viac ohromujúcimi obrázkami. Aj napriek tomu, je naozaj potrebné zabezpečiť si novú kartu? A ak áno, akú?
Moderné hry sú fotorealistickými umeleckými dielami. Veď práve herný trh urobil boom v počítačovej oblasti, v ktorej sa roky nič nedialo. Teraz sú stále nové grafické čipy, nové 3D funkcie, všetko je ešte realistickejšie, ešte plastickejšie, ešte rýchlejšie, ešte lepšie. Ponuka je neprehladná. Väčšinou stojíme pred otázkou: je opät potrebné inovovať grafickú kartu? Alebo počkať pár mesiacov na úplne novú generáciu? Kvalita 3D karty sa prejavuje práve pri hrách, ktoré vyžadujú najvyšší výkon. Takto prichádza k preťažovaniu nielen starších, ale aj najmodernejších základných desiek.

Hneď na začiatok si povedzme niekoľko základných údajov:
Grafické karty zaisťujú všetky 2D a 3D výpočty a renderovanie a preberajú tieto zložité úlohy od procesora, čím mu uľahčujú prácu. Takmer všetky moderné grafické karty sa pripájajú do slotu AGP (Accelerated Graphics Port) a na karte majú 8 MB vlastnej pamäte. Možnosti najmodernejších grafických kariet sa dajú naplno využiť iba v najzložitejších 3D hrách a v najvyspelejšom počítačovon designe. Revolúcia grafických kariet napreduje veľkou rýchlosťou. Každý rok sa posunie generácia grafických kariet o krok vpred.
Obrazy, ktoré vidíte na monitore, musia podstúpiť zložitú cestu vnútrom PC. Ak má používaná aplikácia vytvoriť obraz, vyšle požiadavku o pomoc do časti operačného systému, ktorá je spojená s grafickou kartou (označuje sa ako ovládač grafického rozhrania - graphics driver interface). Grafický ovládač je software, ktorý pôsobí ako prostredník medzi OS a grafickou kartou, vypočuje príkazy systému alebo spustenej aplikácie, vezme digitálne údaje a preloží ich do formátu, ktorý dokáže grafická karta spracovať. Ovládač potom vyšle digitálne údaje v novom formáte na renderovanie grafickej karte. Ak bolo vaše PC vyrobené po roku 1998, putujú údaje ku karte cez slot na "motherboarde" nazývaný AGP. (Staršie PC tento AGP slot nemajú a ich grafické karty se pripájajú prostredníctvom štandartného PCI slotu.)
Prvá zastávka, kde sa údaje na karte zdržia, je vyrovnávacia pamäť (buď priamo na karte alebo v systémovej pamäti). Hneď nato procesor karty (graphic processing unit - GPU) premení digitálne údaje na pixely, súbory farebných bodov, z ktorých sa skladá celý výsledný obraz, ktorý nakoniec uvidíte na monitore. Karta vytvára obrovské množstvo takýchto pixelov: ak máte nastavené rozlíšenie obrazovky 1 024 x 768 bodov, musí grafická karta na vykreslenie jednej obrazovky vypočítať farbu a vyrobiť udaje pre 786 432 pixelov (bodov). Tento proces naviac opakuje 50 až 160 krát za sekundu.

Vysielanie údajov na monitor
Zatiaľ však pixely nie sú schpné vyfarbiť obrazovku. Potom ako sú údaje pre všetky časti obrázku prekonvertované na pixely, sú odoslané opäť do vyrovnávacej pamäte. Väčšina CRT monitorov prijíma iba analógové signály. A tu začína práca pre D/A prevodník pamäte RAM (RAMDAC), ktorý obsahuje grafická karta. RAMDAC mení digitálne údaje každého pixelu na červené, zelené a modré analógové signály, s ktorých pomocou vám monitor ukáže obraz. Čím rýchlejší RAMDAC je, tým vyššie rozlíšenie dokáže grafická karta zajistiť a tým rýchlejšie obnovuje obraz. (Niektoré CRT monitory a väčšina LCD displejov akceptujú digitálne signály; také displeje vyžadujú špeciálne karty bez RAMDAC.)
Monitor vykresluje obraz po riadkoch, a aby grafická karta sprostredkovala ilúziu pohybu, musí behom každej sekundy vytvoriť obrovské množstvo pixelov, ktoré mnohokrát zaplnia obrazovku. Predajcovia udávajú rýchlosť karty v počtoch pixelov za sekundu a nazývajú ju "fill rate"; pri moderných grafických kartách sa pohybuje v gigapixeloch za sekundu. Čím vyšší je "fill rate", tým vyšší je aj "frame rate" (alebo obnovovacia frekvencia udávajúca koľkokrát za sekundu sa obnoví celá obrazovka). Ilúziu plynulého pohybu pre ľudské oko vytvára rýchlosť 30 obrázkov za sekundu a vyššia (obnovovacia frekvencia televizie a videa). Ak zvýšite rozlíšenie (niektoré karty podporujú až 2 048 x 1 536 pixelov), zvýšite samozrejme aj pracovné zaťaženie karty, ktorá je nútená vytvárať väčšie množstvo pixelov. Podobne, ak zvýšite počet farieb prepnutím zo 16-bitového farebného režimu na "truecolorových" 32 bitov, je i práca grafickej karty zložitejšia. Na väčší obrázok je potrebných viacc pixelov, a tak sa môže - ak zaťaýženie dosiahne maximálnu kapacitu produkcie údajov GPU a RAMDAC - znížiť obnovovaciu frekvenciu.

Problémy 3D
Bežné 2D obrazy sú renderované vertikálne a horizontálne, ako keď malujete na list papiera. Ak sa majú na dvojrozmernom povrchu (váš monitor) vytvoriť realistickejšie 3D objekty, je potrebné, aby karta zvládla ešte ďalšiu vec: dojem hĺbky. Keď farebné pixely alebo body zoskupí do blokov 2D grafiky, polygónov vytieňovaných po stranách textúrou, tak aby vznikla ilúzia hĺbky - vzniknú 3D objekty. Väčšina ľudí sa s 3D objektami stretáva pri hraní počítačových hier, ale 3D využíva aj mnoho ďalších aplikácií, počnúc CAD a končiac programami pre 3D modelovanie. Vytváranie polygónov je pre kartu omnoho náročnejšie, než jednoduché přidelovanie farieb jednotlivým pixelom. Moderné GPU však disponujú vyšším výpočetným výkonom, než aký sme mali k dispozícii pred pár rokmi pri CPU, a tak si aj zo zložitými výpočtami dokážu poradiť v reálnom čase.
Grafické karty používajú hromadu trikov včlenených do ich firmwaru a ovladačov, ktoré im pomáhajú renderovať 3D perspektívu v dvojrozmernom prostredí a oklamať oči pozerajúcich sa, tak aby si mysleli, že polygóny zobrazené na plochej obrazovke monitoru majú hĺbku. Podľa druhu karty sa o niektoré z týchto prvkov stará GPU, zatiaľčo iné má prostredníctvom grafického ovládača pod palcom CPU vášho počítača.
Tu sú najznámejšie triky:
- Hardwarová transformácia a osvetlenie zaisťujú umiestnenie polygónov a svetelné efekty.
- Bump mapping zaisťuje hladký alebo drsný vzhľad textúry polygónov, čo prispieva k dojmu hĺbky.
- Antialiasing potlačuje v kreslených obrazoch zubatosť diagonálnych čiar.
- MIP mapping zabraňuje karte, aby vykreslovala detailne polygonovú textúru na "vzdialených" objektoch (napr. zem v leteckých simulátoroch, keď letíte v cestovnej výške), kým sa nepriblížite, čo šetří výkon.
Okrem grafického ovládača riadi všetky ostatné aspekty procesu 3D renderovania software nazvaný Application Programming Interface (API), a to v bežnom jazyku, ktorému grafická karta (alebo jej ovládač) rozumie. Existuje niekoľko konkurenčných programov API, ku ktorým patrí Direct3D (súčasť programu Direct X) od Microsoftu, OpenGL a tiež GLide API od 3dfx pre ich vlastné karty. Väčšina grafických kariet je vytvorených tak, aby mohli pri renderovaní pracovať s viac ako jedným API.

Inštalácia grafickej karty AGP vo Windows 95/98
Windows 98 podporujú protokol AGP priamo od výrobcu, zatiaľčo Windows 95 nie. Podľa Microsoftu by sa zvlášť pri verzii Win 95 zvládajúcej USB nemali vyskytovať žiadne problémy, ak máte nainštalované potrebné súbory a ovládače. Vo Windows 95, je potrebné, aby ste si nainštalovali prídavný program USBSUPP.EXE, pretože tento windowsovský pomocný program integruje pamäťový manažér pre karty AGP. Pred výmenou grafickej karty najprv odinštalujte zo systému všetky jej ovládače. Pred inštaláciou ovládača musíte nainštalovať čo najnovšiu verziu Direct X. Potom nainštalujte ovládač grafickej karty AGP, ktorý nainštaluje štandartný ovládač AGP VGARTD.VXD. Pri prípadných problémoch skontrolujte či máte kartu v slote AGP zasunutú až nadoraz (čierny monitor).

Výber grafickej karty
Od prvých dní existencie počítačov kompatibilných s PC používajú výrobcovia PC grafické karty k tomu, aby urýchlili proces zobrazovania. Pri prvých PC mali tieto karty uľahčiť prácu CPU, keď bolo treba renderovať každú postavu v "textovom" prostredí DOSu. S nástupom operačných systémov s grafickým užívateľským rozhraním (GUI), a tiež 3D hier sa stalo renderovanie omnoho zložitejším a grafické karty zaujali preto významnejšie miesto.
Trh s grafickými kartami sa rýchlo rozvíjal a na jeho čele sa v oblasti 3D kariet so svojimi grafickými akcelerátormi Voodoo usadila firma 3dfx. Časom ale na pozicie 3dfx zaútočili ďalšie firmy; nakoniec im trón vytrhla spoločnosť nVidia so svojimi GeForce (momentálne jediný rad grafických čipov licencovaných pre iných výrobcov). Kým oba obri v aréne grafických kariet stále bojujú o zvrchovanosť, začínajú vystrkovať rožky ďalšie spoločnosti. ATI, dlhodobo silný súper na trhu lacných grafických kariet, sa v poslednej dobe pridala do krúžku vyvolených, a to s novým radom kariet s posílnenou GPU, nazvanou Radeon. Každý predajce prichádza s novým GPU čipom aspoň razza rok. Ostatné spoločnosti, ako je Matrox, SiS a S3, súperia na stredných a nižších úrovniach trhu.
Väčšina moderných grafických kariet pracuje s najmenej 32 MB videopamäti. Také karty slušne renderujú plochú 2D grafiku kancelárskych aplikácií a webových prehliadačov, ale vyniknú keď príde na 3D hry. Karty, ktoré využívajú čipy GeForce2 od nVidie, pracujú s rýchlejšou pamäťou Double Data Rate SDRAM. Táto pamäť dokáže počítať dvakrát rýchlejšie, premieňa údaje pri každom "ťuknutí" hodín pamäte dvakrát. Najdokonalejšie karty disponujú minimálne 64 MB videopamäti, najvýkonnejšími GPU čipmi a najdokonalejšími možnosťami 3D renderovania. Takéto silné karty vyprodukujú za sekundu niekoľko gigapixelov. Ponúkajú veľa vymožeností: hardwarovú transformáciu a osvetlenie, ktorá môže pri hrách s ich podporou, zrýchliť obnovovaciu frekvenciu a celoplošný antialiasing, ktorý vyčistí nižšie a stredné rozlíšenia.
Všetky PC sa dodávajú so základným grafickým vybavením: môžu obsahovať karty s čipmi minulej generácie (napr. 3dfx Voodoo3, Matrox Millennium G200 alebo nVidia TNT2), alebo sú vybavené niektorou z lacnejších kariet (3D Rage Pro od ATI, Voodoo4 od 3dfx alebo nVidia GeForce2 MX). Bežné kancelárske pécéčka sa musia uspokojiť s grafikou integrovanou na "doske", ktorá plne postačuje na bežné aplikácie, ale nie je určená pre hranie hier a niekedy sa neznesie s ďalšou grafickou kartou alebo akcelerátorom.
Integrované grafické čipy, vstavané do motherboardu počítača, sú najmenej vhodnou možnosťou pre ľudí, ktorí chcú používať 3D aplikáce. V PC s integrovanou grafikou väčšinou nájdete horšie grafické procesory a minimálnu videopamäť (4 až 8 MB), ktorej časť môže byť naviac zdielaná s normálnou systémovou pamäťou. Toto zdielanie pamäte síce umožňuje výrobcom PC predávať nové počítače za nižšie ceny, ale pri práci s náročnejšími grafickými programami väčšinou dochádza k značnému spomaleniu.
Medzi ďalšie dôležité prvky, ktoré môžete na grafickej karte nájsť, patria vstup a výstup pre video (povinná výbava pre editáciu videa), pripojenie k televízoru alebo videorekordéru; DVD akcelerátor (na urýchlenie a optimalizáciu prehrávania DVD videa), DVI výstup pre digitálne vizuálne rozhranie, ktoré používajú CRT monitory a niektoré ploché displeje, a na niektorých kartách nájdeme aj vývod pre druhý monitor.

3D grafika a budúcnosť
V posledných rokoch sa výrobcovia grafických kariet zamerali predovšetkým na 3D hry ako primárnu hnaciu silu pre vývoj kariet nových. Ale to sa zmení. Dobre informované zdroje tvrdia, že napríklad Microsoft chce do užívateľského prostredia začleniť viac 3D prvkov a neskôr vytvorial celé prostredie Windows v 3D. V tom okamihu bude potrebná 3D podpora graficke karty aj pre kancelárskych užívateľov.
Integrovaná grafika, pokračuje vo vývoji kvôli nižšej cene. Odvetvie výroby grafických kariet má pred sebou ešte dlhý život a bohatý vývoj, veď podľa odhadov bude možné vytvárať dokonalú fotorealistickú grafiku v reálnom čase až okolo roku 2010. A ďalších 10 alebo 20 rokov pravdepodobne potrvá, kým budú grafické karty tak výkonné, aby dokázali zvládnuť výpočty pre triliony pohybujúcich sa bodov, ktoré budú potrebné pri dokonalom stvárnení skutočného života.

3D funkcie, ktoré skutočne potrebujete
Ktoré funkcie naozaj potrebujete? Čo sa skrýva za jednotlivými výrazmi?
Vaša nová karta musí bezpodmienečne zvládať:
Alpha Blending, Color-Key, Dithering, Environment-Mapping, Fogging, Gourand Shading, Lens Flaring, Mip-Mapping, perspektívnu korektúru, tvorbu tieňov a Texture-Mapping.
Je dobré, ak vaša karta podporuje následujúce funkcie, pretože ich hry už využívajú alebo s nimi vývojári hier onedlho prídu.
32bitová farebná hĺbka: Trend ide v ústrety hrám, ktoré podporujú 32 bitov. Tak sa dajú priebehy farvy a svetlosti zobrazovať bez prechodov.
AGP-Texturing (Execute mode): V tomto móde môže grafický čip priamo vyčítať textúry z operačnej pamäte, bez toho, aby ich predtím musel transferovať do grafickej pamäte.
Bump Mapping: Získate naviac textúru s informáciami o tieňoch, ktoré sú v závislosti na zdroji svetla stále znova počítané.
Environment-Mapped Bump Mapping: Táto funkcia integrovaná v Direct X umožňuje realistické reflexie na nepokojných vodných plochách.
Full Screen Antialiasing: Ide o "vyhladzovanie" hrán objektov: vykonáva sa tak, že sa obrázok najprv vypočíta vo vyššom rozlíšení a potom prepočíta do rozlíšenia, v ktorom bude zobrazený, prípadne sa spočíta niekoľko mierne odlišných verzí obrazu, ktoré sa napokon "spriemerujú". V každom prípade to znamená výrazný (minimálne 50%) pokles výkonu FSAA. Význam má iba v prípade ak máte monitor, ktorý neumožňuje vysoké rozlíšenia a tým i jemný obraz (od 17" či 19" stráca, s ohľadom na výkon súčasných grafických kariet, zmysel).
Realtimové tieňovanie: To sa vo vašej karte stará o skutočnosti blízke 3D zobrazeniu. U súčasných grafických čipov musí procesor pre každý obraz vypočítať nový tieň. GeForce 256 od Nvidie a Napalm od 3Dfx podporujú vďaka spracovaniu geometrie realtimové tieňovanie bez strát.
Specular Highlights: Hladké povrchy s ním reflektujú zdroje svetla vo forme trblietania.
Stencil Buffer: S ním sú preskakované objekty, ktoré sú stále v popredí (napr. kokpit).
T-Buffer: T-Buffer spočíta z jemne posunutých uhlov náhľadu štyrikrát rovnaký obraz a vytvorí z toho obraz jediný. Výhody tejto metódy: perfektný antialiasing, motion blur (ostrosť pohybu, kde sú pohybujúce sa objekty zobrazované plynule, aby nepôsobili staticky) a hĺbka pole (jeden alebo viac objektov je zdôraznený cez farebnú hĺbku).
Texture Compression: V tejto funkcii je používaný algoritmus S3TC, ktorý vyvinula f. S3. Redukuje textúry až na šestinu pôvodnej veľkosti.
Texturové 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). Pre budúcnosť by mal maťgrafický čip najmenej 4 textúrové jednotky.
T&L (Transforming and Lighting): Procesor počítá pozíciu a svetlosť polygónov.
Trilineárne filtrovanie: Táto funkcia zaisťuje hladký prechod medzi textúrami jedného objektu.
Veľkosť textúr: 2 048 x 2 048 bodov: Textúry súčasných hier majú maximálnu veľkosť 256 x 256 pixelov. Nové hry prichádzajú s 2 048-bodovými textúrami.