Устройство современного 3D ускорителя

Видеокарта, как и материнская плата, представляет собой очень сложное устройство, но меньших размеров и с небольшим количеством разъёмов. Размеры видеокарт примерно зависят от того класса, к которому они относятся, так как имеют схематические решения различной сложности: карты начального – Low-End – класса имеют длину около 15-18 см, Middle-End – в среднем 20 см, а длина High-End достигает 25-27 см. Конечно, это не регламентированное требование, а результат того обстоятельства, что мощные контроллеры требуют более сложного набора сопутствующих компонентов. Печатная плата видеоадаптера состоит из нескольких слоев, каждый из которых содержит тонкие токопроводящие дорожки, компоненты видеокарты устанавливаются только на верхних слоях: лицевой и обратной. И ни в коем случае нельзя делать дополнительные отверстия на плате – прецеденты были, и не один раз, – видеокарта сразу же выйдет из строя. С каждой стороны плата покрыта диэлектрическим лаком и усеяна множеством мелких элементов (резисторы, конденсаторы), так что обращаться с видеоадаптером необходимо аккуратно, чтобы не повредить эти элементы.

Все дорожки на плате объединяют между собой графическое ядро (GPU – графический процессор, видеоядро), видеопамять, раздельные подсистемы питания ядра и памяти (иногда и разъём для дополнительного питания – в случае мощной видеокарты), интерфейсный разъём для подключения к материнской плате, а также разъёмы для подключения мониторов и телевизора.

Основные компоненты видеокарты: ядро(1), память (2), подсистема питания (3), интерфейс PCI-E (4), разъёмы DVI (5) и ТВ-выход (6)

Ключевым компонентом любой современной видеокарты является графический процессор, который занимается расчётами выводимой на экран информации и трёхмерных сцен. В зависимости от того, какой GPU положен в основу видеокарты, определяются её характеристики: поддержка тех или иных технологий визуализации и рендеринга, тип памяти и ширина её шины.

Графическое ядро представляет собой припаянный к плате чип, в большинстве случаев без защитной крышки, кристалл которого содержит сотни миллионов транзисторов (даже в несколько раз больше, чем у центральных процессоров). Каждый такой чип состоит из вычислительных блоков, контроллеров шины и памяти, блоков для вывода видеоинформации (RAMDAC). Вся эта структура определяется архитектурой ядра, которая сперва разрабатывается для самого мощного видеоадаптера в семействе-поколении, например: G70, G80 – NVIDIA, R580, R600 – AMD. Затем «топовое» ядро упрощается для менее производительных решений методом исключения определённых блоков. Случаи разработки принципиально новых ядер для среднего и нижнего уровня рынка довольно редки.

Для того чтобы удалось разместить всё больше и больше транзисторов в кристалле ядра, используются новые, более тонкие техпроцессы, благодаря которым уменьшаются размеры элементов и повышается рабочая частота чипа. На данный момент графические процессоры производятся по 90, 80 и 65 нм технологическим нормам. В сравнении с концом 90-х годов и началом 2000-х, когда доминировал техпроцесс 250-220 нм, современное производство без каких-либо оговорок можно считать настоящим прорывом, тем более что на носу уже техпроцесс 45 нм.

Сжатие видео.

Очевидно, что сжатие видео нужно для уменьшения объема цифровых видео файлов, предназначенных для хранения, при этом желательно максимально сохранить качество оригинала. Различают сжатие обычное в режиме реального времени, симметричное или асимметричное, с потерей качества или без потери, сжатие видео потока или покадровое сжатие.

Сжатие обычное (в режиме реального времени). Термин real-time (реальное время) имеет много толкований. Применительно к сжатию данных используется его прямое значение, т. е. работа в реальном времени. Многие системы оцифровывают видео и одновременно сжимают его, иногда параллельно совершая и обратный процесс декомпрессии и воспроизведения. Для качественного выполнения этих операций требуются очень мощные специальные процессоры, поэтому большинство плат ввода/вывода видео для PC бытового класса не способны оперировать с полнометражным видео и часто пропускают кадры.

Недостаточная частота кадров является одной из основных проблем для видео на PC. При производительности ниже 24 кадров/с видео перестает быть плавным, что нарушает комфортность восприятия. К тому же, пропущенные кадры могут содержать необходимые данные по синхронизации звука и изображения.

Симметричное или асимметричное сжатие. Этот показатель связан с соотношением способов сжатия и декомпрессии видео. Симметричное сжатие предполагает возможность проиграть видеофрагмент с разрешением 640 на 470 при скорости в 30 кадров/с, если оцифровка и запись его выполнялась с теми же параметрами. Асимметричное сжатие - это процесс обработки одной секунды видео за значительно большее время. Степень асимметричности сжатия обычно задается в виде отношения. Так цифры 150:1 означают, что сжатие одной минуты видео занимает примерно 150 минут реального времени.

Асимметричное сжатие обычно более удобно и эффективно для достижения качественного видео и оптимизации скорости его воспроизведения. К сожалению, при этом кодирование полнометражного ролика может занять слишком много времени, вот почему подобный процесс выполняют специализированные компании, куда отсылают исходный материал на кодирование (что увеличивает материальные и временные расходы на проект).

Сжатие с потерей или без потери качества. Как мы уже говорили, чем выше коэффициент сжатия, тем больше страдает качество видео. ВСЕ методы сжатия приводят к некоторой потере качества. Даже если это не заметно на глаз, всегда есть разница между исходным и сжатым материалом. Пока существует всего один алгоритм (разновидность Motion-JPEG для формата Kodak Photo CD), который выполняет сжатие без потерь, однако он оптимизирован только для фотоизображений и работает с коэффициентом 2:1.

Сжатие видео потока или покадровое сжатие. Это, возможно, наиболее обсуждаемая проблема цифрового видео. Покадровый метод подразумевает сжатие и хранение каждого видеокадра как отдельного изображения. Сжатие видео потока основано на следующей идее: не смотря на то, что изображение все время претерпевает изменения, задний план в большинстве

Видео сцен остается постоянным - отличный повод для соответствующей обработки и сжатия изображения. Создается исходный кадр, а каждый следующий сравнивается с предыдущим и последующим изображениями, а фиксируется лишь разница между ними. Этот метод позволяет существенно повысить коэффициент сжатия, практически сохранив при этом исходное качество. Однако в этом случае могут возникнуть трудности с покадровым монтажом видеоматериала, закодированного подобным образом.

Коэффициент сжатия. Этот показатель особенно важен для профессионалов, работающих с цифровым видео на компьютерах. Его ни в коем случае нельзя путать с коэффициентом асимметричности сжатия. Коэффициент сжатия - это цифровое выражение соотношения между объемом сжатого и исходного видеоматериала. Для примера, коэффициент 200:1 означает, что если принять объем полученного после компрессии ролика за единицу, то исходный оригинал занимал объем в 200 раз больший.

Обычно, чем выше коэффициент сжатия, тем хуже качество видео. Но многое, конечно, зависит от используемого алгоритма. Для MPEG сейчас стандартом считается соотношение 200:1, при этом сохраняется неплохое качество видео. Различные варианты Motion- JPEG работают с коэффициентами от 5:1 до 100:1, хотя даже при уровне в 20:1 уже трудно добиться нормального качества изображения. Кроме того, качество видео зависит не только от алгоритма сжатия (MPEG или Motion-JPEG), но и от параметров цифровой видеоплаты, конфигурации компьютера и даже от программного обеспечения (к этим вопросам мы вернемся чуть позже в сравнительном обзоре видеоплат).

Форматы видеофайлов.

3GPP (3rd Generation Partnership Project) - стандарт индустриального формата мультимедия файлов, разработанный для использования в мобильных сетях третьего поколения (3G). Основная область применения 3GPP - это обмен данными между устройствами типа PDA или мобильными телефонами. Формат поддерживает видео, аудио, текстовые и потоковые данные упакованные в .3gp файл. Установив необходимые компоненты, вы получите возможность просматривать файлы в этом формате, включая переданные или присланные по электронной почте с беспроводных устройств или мобильных устройств.

3GPP2- продолжение развития технологии 3GPP.

ASF (Advanced Streaming Format) - формат Windows Media. Основан на MPEG-4, оптимизирован для передачи видео с низким и средним битрейтом в интернет.

AVI (Audio/Video Interleaved) - стандарт видео файла разработанный Microsoft, в котором аудио и видео данные чередуются между собой и при воспроизведении участок звуковой дорожки синхронизируется с видеофрагментом. Широкое распространение формат AVI получил после выхода Video for Windows для Windows 3.1 в ноябре 1992 года. AVI является специальным случаем формата RIFF. Аудио и видео последовательности в AVI файле не содержат временных меток и не создают индексы. Данные упорядочиваются во времени последовательно, согласно их порядку в AVI файле. Приложение (видеоплеер) должно отображать кадры видеопоследовательности и аудиопоток согласно частоте кадров и частоте дискретизации соответственно, указанных в заголовке файла.

MPEG (Motion Picture Expert Group) - Экспертная Группа по Подвижным изображениям, занимающаяся разработкой форматов MPEG. Эта группа определяет стандарты в цифровом видео, среди которых MPEG-1 - стандарт используемый в Видео компакт-дисках, MPEG-2 стандарт используемый на DVD и SVCD, DVB (цифровое телевидение), MPEG-4 стандарт используемый в потоковом видео и лежащий в основе таких технологий как DivX, XviD и 3ivx. Как формат, по сравнению с M-JPEG, этот стандарт обеспечивает сокращение общего объёма данных на 75-80% без потери визуального качества.

MPEG-1 - первый представитель семейства MPEG сжатия. Как стандарт был утверждён в 1992 году, как формат реализован в 1993 году. Рамер изображения в MPEG1 соответствует размеру CIF, поскольку в качестве носителя информации был выбран CD-диск, а на момент выхода стандарта CD-ROM приводы были односкоростными, получилось, что скорость видеопотока в формате MPEG-1 ограничена 150 Кб/с. В реальной жизни это вылилось в формат NTSC 352x240, 30 кадров в секунду и формат PAL/SECAM 352x288, 25 кадров в секунду. На основе формата сжатия MPEG-1 был разработан формат видео диска VideoCD (VCD).

MPEG-2 - этот стандарт был разработан для того, чтобы охватить широкий диапазон требований работы с видео: от "VHS качества" до различных HDTV "профилей". Скорости передачи данных могут варьироваться в пределах между 1.2 и 15 Mbps, что предствляет интерес использования MPEG-2 в передаче цифрового телевидения, включая HDTV контент, собственно для которого система и была задумана. Процесс кодирования видео очень сложен, но процесс получения декодированных данных вполне доступен. Алгоритм компрессии MPEG-2 используется в стандартах ATSC и DVB, а также на SuperVCD и DVD видео дисках. Стандарт утверждён в 1996 году. На возникновение и массовое распространение MPEG-2 повлияло три вещи - DVD, цифровое спутниковое телевидение и телевидение высокого разрешения - HDTV. MPEG-2 - это дальнейшее развитие стандарта MPEG-1. Помимо выросшего разрешения видеоизображения появилась возможность работать с блоками 8х8, 16х8 и 16х16, новые алгоритмы сжатия и удаления избыточной информации, изменяемая точность квантования сигнала

MPEG-3 - был разработан для HDTV приложений с параметрами - максимальное разрешение (1920*1080*30), скорость 20 - 40 Mbps. Он не давал принципиальных улучшений по сравнению с MPEG-2 (да и к тому же MPEG-2 стал широко использоваться в разных вариантах, в том числе и для HDTV). Стандарт не получил распростанения и "умер".

MPEG-4 - открытый стандарт определённый Рабочей Группой 11 (Motion Picture Expert Group) ISO в октябре 1998 года (дата первого проекта стандарта). Это по истине революционный стандарт для наступившей цифровой эры. MPEG-4 учитывает в себе согласованный диапазон требований выдвинутых представителями цифровой аудиовизуальной промышленности. С использованием нововведений, MPEG-4 предлагает лучшее сжатие, интерактивность, а через универсальный доступ к Интернет или через Беспроводный доступ к окружающим медиа ресурсам. Стандарт обеспечивает совместимость с другими важными стандартами, такими как H.263 и VRML. Стандарт MPEG-4 является, так сказать, шагом в сторону. Его основное предназначение (по мнению разработчиков) - передача достаточно качественного видео в средах (сетях) с относительно малой пропускной способностью. Основное нововведение в стандарте MPEG-4: в отличие от предыдущих стандартов, которые делили изображение при обработке на прямоугольники, MPEG-4 оперирует объектами произвольной формы. Это позволяет достичь большей степени компрессии при сопоставимом качестве, однако взамен требует заведомо более мощного процессора (от 400 Мгц и выше). Самая популярная на сегодняшний момент разновидность кодека – DivX.

VOB Files - DVD Video. Любой DVD фильм записан в так называемом VOB файле. Обычно VOB файлы содержат объединённые Dolby Digital аудио и MPEG-2 видео потоки.

WMV (Windows Media Video) - цифровой видео формат созданный и контролируемый компанией Microsoft©. WMV - это универсальное название комплексного технологиеческое решения, начавшегося с версии 7 (WMV7), в котором Micrrosoft использовала собственный формат кодирования MPEG-4 видео (и как это не удивительно не совместимого с другими MPEG-4 технологиями). Один из конкурентов форматов RealMedia, QuickTime(кодек Sorenson), XviD и DivX (первоначально основанный на взломанном WMV кодеке). Аудио данные кодируются в формат WMA.