Современные графические технологии

Шейдер.

Это программа, используемая в трёхмерной графике для определения окончательных параметров объекта или изображения. Она может включать в себя произвольной сложности описание поглощения и рассеяния света, наложения текстуры, отражение и преломление, затенение, смещение поверхности и эффекты пост-обработки.

Вершинные шейдеры (Vertex Shader) работают с вершинами объектов (как известно, 3D-объекты моделируются при помощи треугольников и многоугольников), то есть позволяют менять свойства 3D-объекта посредством выполнения соответствующей программы. Наиболее яркий пример – моделирование воды или анимация травы и листьев.

Пиксельные шейдеры (Pixel Shader) работают с каждым пикселем изображения, позволяя посредством программы менять его параметры (цвет и глубину). Самый распространённый пример – попиксельное освещение или различные постобработки кадра. Например, в знаменитой серии гонок Need For Speed – это Motion Blur. Косвенно о том, насколько современна видеокарта, можно судить по версии пиксельных и вершинных шейдеров, которые она поддерживает.

HDR.

Технология рендеринга в широком динамическом диапазоне, или HDR (High Dynamic Range), в применении к 3D-графике позволяет избавиться от существенного недостатка метода RGB-описания цвета – низкого динамического диапазона (LDR).

Динамический диапазон – это отношение максимальной интенсивности к минимальной, то есть самой яркой точки к самой тусклой. Человеческий глаз способен различать яркости, различающиеся на 14 порядков (в 100 млрд. раз), но ввиду особенностей зрения в один момент времени мы можем различать лишь четыре порядка (10 000 раз). Например, входя в тёмную комнату, человек вначале не видит вообще ничего, а по прошествии некоторого времени уже может уверенно различать предметы. Для связки же видеокарта-монитор характерным динамическим диапазоном является 100:1, это и есть LDR, в котором каждый цвет описывается 8 битами (256 градациями яркости). Понятно, что изменить монитор нельзя, но вот дать на него полную информацию о цвете, пусть даже и избыточную, вполне можно. Для этого цвет и интенсивность описываются числами с плавающей точкой с точностью 16 или 32 бита.

Антиалиасинг.

Антиалиасинг (Anti-aliasing, AA) – это технология, использующаяся в обработке изображений с целью сделать границы кривых линий более гладкими, убирая «зубцы», возникающие на краях объектов. Основной принцип сглаживания – использование возможностей устройства вывода для показа оттенков цвета, которым нарисована кривая. В этом случае пиксели, соседние с граничным пикселем изображения принимают промежуточное значение между цветом изображения и цветом фона, создавая градиент и размывая границу. То есть, активируя сглаживание, мы получаем более качественную картинку без бросающейся в глаза «лесенки» на прямых гранях. Чем выше степень сглаживания (от 2х до 32х), тем более качественная картинка получится, но и тем больше упадёт производительность, поэтому нужно подбирать компромиссный вариант.

Анизотропная фильтрация.

Анизотропная фильтрация, АФ (Anisotropic Filtering, AF) – это метод улучшения качества изображения текстур на поверхностях, находящихся далеко и наклонённых сильно относительно «камеры» в трёхмерной графике. Так же как би- и три-линейная фильтрация, анизотропная фильтрация позволяет устранять эффект ступенчатости на таких поверхностях, но при этом вносит меньше размытия и поэтому сохраняет большую детальность изображения. Для каждого пикселя изображения задаётся цвет. При регулировании уровня анизотропной фильтрации указывается количество фрагментов (текселей) удалённой текстуры, участвующему в формировании цвета пикселя. При настройке АФ 2х – это 16 текселей, 4х – 32, 8х – 64, 16х – 128. Чем их больше, тем более чёткой и качественной будет картинка, но тем сильнее будет падать производительность. В большинстве случаев достаточно уровня АФ 8х, разница с 16х будет видна только на очень больших игровых пространствах. Следует отметить, что лишь в поколении G80 (GeForce 8800) Nvidia смогла добиться такого же качества анизотропии, как у видеокарт ATI. Нельзя сказать, что это отставание сильно бросалось в глаза – оно было заметно на статичных картинках, но в динамике, не имея возможности вглядываться в изображение, заметить отличия сложно.

DirectX.

Как известно, поддержку шейдеров принёс DirectX 8 и видеокарты, реализующие эти возможности: семейство GeForce 3, затем и 4 (за исключением МХ-версий). Шейдерная модель 1.0 имела большое количество ограничений ввиду малой возможной длины программы и доступного числа команд. Несколько поправила положение ATI, выпустив очень удачный графический процессор R200 (Radeon 8500 и др.) с поддержкой DirectX 8.1 и шейдеров версии 1.4. Ещё большую гибкость в написании кода (более длинные шейдеры, расширенный набор команд) получили программисты с выходом DirectX 9.0 (шейдерная модель 2.0). Кроме того, значительно облегчился процесс программирования, так как появился удобный инструмент – очень похожий на Си язык High-level shader language (HLSL). Первым ускорителем, обеспечившим аппаратную поддержку этого API, стал R300 и видеокарты семейства Radeon 9xxx на графическом процессоре R5xx (а долгожителя 9800 можно приобрести до сих пор). Затем вышли ускорители Nvidia NV30 (GeForce серии FX) и, позднее, ATI R400, значительно расширив возможности программирования, введя поддержку DirectX 9.0 a и b соответственно с шейдерной моделью 2+. А современные карты на базе графических процессоров R5xx и NV4x/G70 обеспечивают поддержку DirectX 9.0c и шейдерной модели 3.0 с возможностью написания ещё более длинных шейдеров, динамических переходов в них и т. д.

Ускорение «физики».

Интересно, что для видеокарт на графических процессорах R5xx, поддерживающих шейдерную модель 3.0, уже выпущено программное обеспечение, позволяющее посредством использования графического процессора ускорять различные хорошо распараллеливающиеся задачи (расчёты задач гидродинамики, сейсмологии, медицины) – в 20–30 раз по сравнению с центральными процессорами. Любой владелец видеокарт Radeon X1xxx на графическом процессоре R5xx может скачать специальный клиент программы распределённых вычислений, предназначенный для выполнения расчётов силами графического процессора, и принять участие в программе исследования фолдинга белков (борьба с болезнями Альцгеймера, отдельными видами рака и др.). К сожалению для карт Nvidia поколений NV4x/G7x подобные возможности недоступны, в отличие от G8x.

Графические планшеты и электронные перья.

Графический планшет— это устройство для ввода рисунков от руки непосредственно в компьютер. Состоит из пера и плоского планшета, чувствительного к нажатию или близости пера. Также может прилагаться специальная мышь.

Графические планшеты применяются как для создания изображений на компьютере способом, максимально приближённым к тому, как создаются изображения на бумаге, так и для обычной работы с интерфейсами, не требующими относительного ввода (хотя ввод относительных перемещений с помощью планшета и возможен, он зачастую неудобен). Кроме того, их удобно использовать для переноса (отрисовки) уже готовых изображений в компьютер.

В современных планшетах основной рабочей частью является сеть из проводов (или печатных проводников), подобная той, что была в «Графаконах». Эта сетка имеет достаточно большой шаг (3—6 мм), но механизм регистрации положения пера позволяет получить шаг считывания информации намного меньше шага сетки (до 100 линий на мм).

По принципу работы и технологии есть разные типы планшетов. В электростатических планшетах регистрируется локальное изменение электрического потенциала сетки под пером. В электромагнитных перо излучает электромагнитные волны, а сетка служит приёмником. В обоих случаях на перо должно быть подано питание.

Фирма Wacom (англ.) создала технологию на основе электромагнитного резонанса, когда сетка и излучает, и принимает сигнал, а перо лишь отражает его. Поэтому в таком устройстве питание перу не нужно. Но при работе электромагнитных планшетов возможны помехи от излучающих устройств, в частности мониторов. На таком же принципе действия основаны некоторые тачпэды.

Также есть планшеты, в которых нажим пера улавливается за счёт пьезоэлектрического эффекта. При нажатии пера в пределах рабочей поверхности планшета, под которой проложена сетка из тончайших проводников, на пластине пьезоэлектрика возникает разность потенциалов, что позволяет определять координаты нужной точки. Такие планшеты вообще не требуют специального пера и позволяют чертить на рабочей поверхности планшета как на обычной чертёжной доске.

Кроме координат пера в современных графических планшетах также могут определяться давление пера на рабочую поверхность, наклон, направление и сила сжатия пера рукой.

Также в комплекте графических планшетов совместно с пером может поставляться мышь, которая, однако, работает не как обычная компьютерная мышь, а как особый вид пера. Такая мышь может работать только на планшете. Поскольку разрешение планшета гораздо выше, чем разрешение обычной компьютерной мыши, то использование связки мышь+планшет позволяет достичь значительно более высокой точности при вводе.

Световое перо (англ. light pen, также — стило́, англ. stylus) — один из инструментов ввода графических данных в компьютер, разновидность манипуляторов.

Внешне имеет вид шариковой ручки или карандаша, соединённого проводом с одним из портов ввода-вывода компьютера. Обычно на световом пере имеется одна или несколько кнопок, которые могут нажиматься рукой, удерживающей перо. Ввод данных с помощью светового пера заключается в прикосновениях или проведении линий пером по поверхности экрана монитора. В наконечнике пера устанавливается фотоэлемент, который регистрирует изменение яркости экрана в точке, с которой соприкасается перо, за счёт чего соответствующее программное обеспечение вычисляет позицию, «указываемую» пером на экране и может, в зависимости от необходимости, интерпретировать её тем или иным образом, обычно как указание на отображаемый на экране объект или как команду рисования. Кнопки используются аналогично кнопкам манипулятора типа «Мышь» — для выполнения дополнительных операций и включения дополнительных режимов.

Также световое перо может быть элементом дигитайзера (графического планшета). В этом случае пером пишут или рисуют не по экрану монитора, а по поверхности планшета.

Оцифровывающие устройства: планшетные сканеры,