05. Graphische Systeme - Professur Graphische Datenverarbeitung

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Graphische Datenverarbeitung
Graphische Systeme
Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Goethe-Universität, Frankfurt
Übersicht
1. Graphische Systeme
Einführung - Grundstrukturen
Interaktive Systeme
2. Anzeigesysteme – elektrooptische Wandler
3. Videosignale
4. Videoprozessoren
Grundaufgaben
Die Farbtabelle (color lookup table)
5. Bildspeicher
6. Bildbearbeitungsprozessoren
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
2
SS 2001
Übersicht (Fortsetzung)
7. Zusammenfassung
8. Glossar
9. Weitere Informationen
10. Ausblick – Nächste Schritte
Rendering – Grundaufgaben
3
SS 2001
Graphische Systeme
Ableitung aus dem Strukturmodell
System hier: Daten und Informationen
verarbeitende Einheit, bestehend aus
Hardware und Software
Graphisches System:
dient der Erzeugung, Eingabe, Bearbeitung,
Speicherung, Übertragung, Ausgabe
bildhafter Information
4
SS 2001
Bildrepräsentationen in
Arbeitsplatzsystemen (Workstations)
oder PCs
statische
Modelle
dynamische
Modelle
K
Symbolisch
Graphik
Animation
K
Geometrie & Merkmal
Digitales
Bild
Digitalvideo
K
Diskret, Quantisiert
Video
K
Elektrisch (optisch)
Reiz
K
Optisch
(unmittelbar wahrnehmbar)
5
SS 2001
Die elementaren Speicher
K
Szenengraph
Displaylist
K
Bildspeicher
K
Magnetband (Betacam,
VHS, S-VHS, ...)
unüblich in
Workstations and PCs
K
Graphik
Animation
Digitales
Bild
Digitalvideo
Analogvideo
Reiz
Abstraktionsniveau
Rechenleistung
6
SS 2001
Die elementaren Verarbeitungseinheiten
eines Graphiksubsystems
Szenengraph, Displaylist
Graphik
Animation
Digitales
Bild
Digitalvideo
K
Graphikbearbeitung
K
Rendering
5. Bildspeicher
6. Bildbearbeitung
4. Videoprozessor
3. Video- signale
2. Display (Anzeige)
meist externer Monitor
optischer Reiz
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SS 2001
2. Anzeigesysteme
elektrooptische Wandler
Elektrooptische Wandler
Refresh-Typen
verlangen periodische
Auffrischung
Wie?
Wie oft?
Speichertypen
Elektrooptische Wandlung
Impliziert Speicherung der
Bildinformation: „Bildspeicher
integriert“
Beispiele:
• Drucker: sehr viele verschiedene
Ausführungen: Tinte, Elektrostatik, ...
• Plasmadisplays
• AC-DünnfilmElektroluminiszenz
• Speicherröhre (obsolet)
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SS 2001
2. Anzeigesysteme
Elektrooptische Wandler
Refresh-Typen
sequentiell
pixelsequentiell
Rasterscan:
Fernsehprinzip
Kathodenstrahlröhre (CRT)
Speichertypen
simultan
andere
Sequentialisierungen
Aktive Flüssigkristallanzeigen
- kaligraphische CRTs
- einzelne Farbauszüge
z.B. in Filmbelichtern
9
SS 2001
Bildfeldzerlegung: Raster Scan
(nach dem Fernsehprinzip)
1.
Zeile
2.
Zeile
3.
Zeile
i.
Zeile
n-1. Zeile
n.
Zeile
10
SS 2001
Bildfeldzerlegung: Raster Scan
wirkliche Zeilenlage
1.
Zeile
2.
Zeile
3.
Zeile
i.
Zeile
n-1. Zeile
n.
Zeile
11
SS 2001
Kalligraphisches Display
(nur noch historische Bedeutung)
Auch Vektor- oder Stroke
Display
mit Refresh oder
Speicherröhre
Einfarbig (oder wenige Farben)
Serie von (x,y)
Koordinatenpaaren werden
durch Geradénstücke
verbunden
Draw (x,y)
Move (x,y)
12
SS 2001
Kathodenstrahlröhre (CRT)
+ hohe Auflösung
+ einfache Adressierung
kalligraphisch (x, y) und
Zeilendarstellung möglich
+ volle Farbtüchtigkeit
+ niedriger Preis bei hoher
Zuverlässigkeit.
- schwer und sperrig
- hohe Leistungsaufnahme
(ca. 80 W)
- flimmert
- geometrische Verzerrungen
- Analogtechnik
-Röntgenstrahlung
ca. 80% Strahlleistungsverlust an der
Lochmaske
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SS 2001
Farbbildröhre
Lochmaskenröhre
Delta-Maske
ein Farbtripel
Elektronenstrahl
Lochmaskenröhre mit Delta-Anordnung des
Elektronenstrahlsystems und punktförmigem Phosphor.
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SS 2001
Lochmaskenröhre II
Streifenmaske
Trinitron
Inline-Anordnung des Elektronenstrahlsystems mit
streifenförmiger Anordnung des Phosphors.
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SS 2001
Phospor und Persistenz
(Nachleuchtdauer)
Nachleuchtdauer)
Beim Auftreffen von Elektronen auf die Phosphorschicht wird
Licht emmittiert (Floureszenz), nach dem Abschalten des EStrahls wird weiter Licht emmitiert (Phosphoreszenz).
Die Persistenz bestimmt, wie oft ein Bild regeneriert, d.h.
wiederholt werden muß, um ein flimmerfreies Bild zu erhalten.
Die wahrgenommene Helligkeit faällt nicht so steil ab wie die
Leuchtdichte
Kurze Nachleutdauer:
wenig Zeit zum
Bildaufbau
hohe Wiederholraten
Lange Nachleutdauer
Schlierenbildung
Geisterbilder
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SS 2001
Minimale Refreshraten
CFF Critical Fusion Frequency
Nach ISO 9241-3 bestimmt sich die Flimmergrenze für 95% der
Betrachter überschlägig unter near worst case Bedingungen
n
n
n
zu
schneller Phosphor (P31)
70o Sehwinkel
einheitlich weiß beschriebener Bildschirm
CFFSTANDARD = 34,9Hz +17,6Hz ⋅ log I + 1,65 ⋅ SDINTER
mit
I: mittlere Bildschirmhelligkeit in cd/m2
SDINTER : entnehme man folgender Tabelle
I / cd/m2
SDINTER
CFFStandard/Hz
25
5,71
68,9
50
5,28
73,5
100
5,78
79,6
200
6,63
86,3
400
8,29
94,4
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SS 2001
Wichtige Leistungsparameter eines
CRT-Monitors
Bildgröße: Diagonale meistens in inch
u Bildseitenverhältnis (aspect ratio):
u
4:3 oder 5:4 oder 16:9
pel Abstand 0,15 ... 0,40 mm
u Videobandbreite
u
Min. und Max. Horizontalfrequenz
u Min. und Max. Vertikalfrequenz
u
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SS 2001
CRT ist immer noch sehr
bedeutendes Anzeigensystem
Jedes neue Anzeigesystem muß sich an der
ausgereiften Entwicklung der CRT messen
lassen, die mit allen Vorteilen einer
vollständig beherrschten Technologie
eingesetzt wird.
Aktive Flüssigkristallanzeigen
(liquid cristal displays) LCDs
gewinnen an Bedeutung
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SS 2001
2.2. Flüssigkeitskristallanzeigen (LCD)
(Liquid Crystal Display),
seit 1970 in Bildanzeigesysteme eingesetzt
Grundlagen:
Flüssigkristalle wurden schon 1888 von Reinitzer entdeckt. Ihre
organischen Moleküle weisen eine Orientierungsordnung auf, wie sie für
Kristalle typisch ist. Ihre Form ist langgestreckt oder scheibenförmig.
Achsen sind einheitlich ausgerichtet. Eine Ausrichtung der Moleküle auf
eine der üblichen kristallinen Gitterstrukturen besteht jedoch nicht.
Einteilung der Flüssigkristalle je nach Ausrichtung:
• smekmatische
schichtenförmig
• nematische
fadenförmig
• cholesterinische
wendelförmig
20
SS 2001
Aufbau/
Aufbau/Funktionsweise
Verdrillter nematischer Flüssigkeitskristall (twisted nematic cells)
Flüssigkristallzellen werden mit zwei parallelen Glasplatten aufgebaut, die
sich im Abstand von 5-10 µm voneinander entfernt befinden und den
Flüssigkristall einschließen. Zur Ausrichtung der Moleküle ohne
angelegtes elektrisches Feld, werden die Glasplatten auf der Innenseite mit
mikroskopisch feinen
Längsriffelungen versehen.
Zusätzlich sind die Glasplatten mit einem feinen
Elektrodenmaterial bedampft,
das sowohl durchsichtig, als
auch leitend ist.
(Meist wird Indiumzinnoxid
(ITO indium tin oxid)
verwendet.
21
SS 2001
Aufbau/
Aufbau/Funktionsweise
Die Außenseiten der Glasplatten sind mit Polarisationsschickten belegt,
die nur Licht in der Wellenebene des Polarisationsfilters durchlassen. Die
Wellenebenen des einen
Polarisators ist zu der
des gegenüberliegenden
um 90º verdreht. Infolge
der Riffelungen in beiden
Platten, die rechtwinklig
zueinander ausgerichtet
sind, werden die Achsen
der Flüssigkristallmoleküle
so beeinflußt, daß sich
diese gleichfalls im
rechten Winkel einstellen.
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SS 2001
Blickwinkelabhängigkeit
Für einen Lichtstrahl, der schräg durch das Display geht, verlängert sich
der Weg durch die Flüssigkristallschicht. Die kritisch abgestimmte
Schichtdicke der LCs, die zu
einer Polarisationsdrehung
von genau 90° führen soll,
gilt nur für senkrechten
Einfall.Die längere Wegstrecke beischrägem Einfall
führt zu einer anderen
Polarisationsrichtung und
damit zu unerwünschter
Transmission und somit zu
einem schlechteren Kontrast.
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SS 2001
Aufbau
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SS 2001
Bildpunkte (Pixel)
TFT (Thin Film Transistor)-Technik
Bei aktuellen Bildschirmen müssen mindestens 1024 × 768 × 3 ≈2,3
MPixel (pro Bildpunkt drei Pixel für die Grundfarben) schnell genug
angesteuert werden. Erst mit TFT (Thin Film Transistor)-Technik konnte
Lichtdurchlässigkeit jedes Pixels von einem eigenen Transistor als
Schalter gesteuert werden.
Pixel
Um Pixel zu erhalten bleibt eine der leitenden ITO-Schichten auf den
Substraten unverändert, die andere Schicht bildet dagegen ein Array aus
ITO-Rechtecken, an die jeweils ein TFT angeschlossen ist. Senkrechte
und waagrechte Leitungen verbinden die Transistoren. Die Maße der ITORechtecke bestimmen die Pixelgröße.
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SS 2001
Funktionsweise
Die gängigste Methode zur Herstellung des Arrays ist die Mit
Ätztechniken entsteht ein Streifenmuster aus schmalen Leiterbahnen,
meist aus Aluminium oder Tantal. Weitere Schichten aus isolierenden
Photolithographie. Materialien und verschieden
dotiertem amorphem
Silizium (a-Si) formen
den Dünnfilmtransistor.
Darüber kommt, senkrecht
zum ersten, ein zweites
Elektrodenmuster. Der
Transistor sitzt klein in
einer Ecke des Pixels, um
möglichst wenig Licht wegzunehmen. Den übrigen Platz nehmen kleine
Rechtecke (Pixel) aus ITO ein.
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SS 2001
Zeilen und Spalten
Die Zeilenelektroden sind mit dem Gate des
Transistors verbunden. Liegt Spannung am Gate,
dann schaltet der Transistor seine beiden anderen
Anschlüsse, Source und Drain, niederohmig durch.
Das Gate steuert den Widerstand zwischen Source
und Drain indirekt über ein elektrisches Feld. Als
einziger der drei Transistorelektroden ist Drain mit
der ITO-Schicht verbunden, den Anschluß bezeichnet
man deshalb auch als Bildpunktelektrod
Alle Gate-Anschlüsse der TFTs einer Reihe sind an derselben Zeilenleitung
angeschlossen, dadurch werden alle TFT-Schalter einer Zeile gleichzeitig geöffnet
und somit alle Pixel einer Zeile gleichzeitig aufgeladen. An den Spaltenleitungen
liegt die Bildinformation alsSpannungssignal an. Für die Ansteuerung des Displays
geben Zeilentreiber jeweils eine Zeile frei, während Spaltentreiber für
unterschiedliche Spannung sorgen.
Ein Panel-Timing-Controller synchronisiert die vertikale und horizontale Ansteuerung.
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SS 2001
Farben
Ein Bildpunkt setzt sich zusammen aus drei benachbarten Pixeln mit
rotem, grünem und blauem Farbfilter.
Das Leuchtmittel selbst ist eine
schmale Leuchtstofflampe. die neben
etwas sichtbarem Licht vor allem ein
UV-Spektrum liefert. Erst die
Beschichtung an der Innenseite der
Glasröhre macht daraus sichtbares Licht. Um die Farbsättigung zu
erhöhen, wird die Beschichtung so gewählt, daß vor allem Licht in den
drei Grundfarben (rot, grün, blau) die Lampe verläßt. Eine flacher
Lichtleiter plus Diffuser-Scheibe verteilt das Licht der dünnen
Leuchtstofflampe (dünne Röhre oben) an der Seite
des Displays gleichmäßig über die gesamte Fläche.
Desktop-Displays sind mit bis zu vier Röhren bestückt, an jeder Seite
eine. Notebook-Displays begnügen sich dagegen i.d.R. mit zwei.
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SS 2001
Flüssigkeitskristallanzeigen (LCD)
Zusammenfassung
+ Geringe Leistungsaufnahme (25 W)
+ niedrige Betriebsspannung
+ flimmerfrei
+ gute Kontrastwerte
+ digital (keine digital-analog
Wandlung notwendig)
+ leicht
+ klein
+ notwendig für mobile Geräte
– passiver Arbeitsweise Anzeigeelemente
lassen Licht durch, oder reflektieren
es: zusätzliche LQ sind nötig.
– Geringer Betrachtungsbereich
– aufwendige Herstellung
– teuer
29
SS 2001
3. Videosignale
Verbindung zwischen
Animation Graphiksubsystem und
Monitor
Graphik
K
Digitales
Bild
Digitalvideo
3. Video
signale
digital
oder
K
analog (heute meist noch)
Timing orientiert sich
weitgehend an Anforderungen
der CRT
optischer Reiz
30
SS 2001
Prinzip Videosignal
einer Komponente der i-ten Zeile
1.
3.
Schwarzpegel
i.
n-1.
0V
Videosignal (Prinzip)
n.
0,7 V
(1,0 V)
Weißpegel
2.
31
SS 2001
Strahlrücklauf horizontal
BAS: Bildsignal mit Austastlücke und
Synchronsignal
horizontale Austastlücke
(blanking)
Synchronimpuls
Aktive Zeile
Phb=
(15 ... 30%) * 1/fhor
hintere
vordere Schwarzschulter
32
SS 2001
Strahlrücklauf vertikal
und zugehöriges Videosignal (Prinzip)
n. Zeile
1. Zeile
Vertikale
Austastlücke
(2 ... 10 %) * 1/fvert
33
SS 2001
Variante: Zwischenzeilenverfahren
des Standardfersehens
(interlace scanning) genau 1:2
1.
Zeile
2.
Zeile
3.
Zeile
1. Halbbild
n-1. Zeile
n.
Zeile
34
SS 2001
Das Zwischenzeilenverfahren
des Standardfersehens
(interlace scanning) genau 1:2
1.
Zeile
2.
Zeile
1. Halbbild
3.
Zeile
2. Halbbild
4.
Zeile
n-1. Zeile
n.
Zeile
Grund:
+ Halbierung der Bildwiederholfrequenz (Übertragungsbandbreite) und gleichzeitige Erfüllung der Refreshbedingungen
- Zwischenzeilenbewegung (interline motion)
- Zeilenflimmern bei horizontalen Linien
35
SS 2001
Analoge Videosignalnormen und -standards
u
Fernsehen: (INTERLACED)
n
n
n
RS 170 (EIA 1957) und RS 170A (1981)
RS 343 (EIA 1969)
CCIR è ITU-R für Übertragungs-, Studio- und
Austauschstandards:
u
u
u
n
u
Timing: 625/50 und 525/60 Basisstandards
Komponenten: RGB, YCBCR
Composite PAL, SECAM, NTSC
Wurden anfangs auch in der CG eingesetzt
Höhere Auflösungen è „Wildwuchs“
Seit 1988 versucht die VESA (Video Elektronics
Standards Association) Normen weltweit zu etablieren.
36
SS 2001
Hauptparameter üblicher Videonormen
(VESA) quadratische Pixel, progressiv
Pixel Count
Resolution
640 x 350
640 x 400
720 x 400
640 x 480
4:3
800 x 600
4:3
Vertical
Refresh Rate
85 Hz
85 Hz
85 Hz
60 Hz
72 Hz
75 Hz
85 Hz
56 Hz
60 Hz
72 Hz
75 Hz
85 Hz
Horizontal
Frequency
37.9 KHz
37.9 KHz
37.9 KHz
31.5 KHz
37.9 KHz
37.5 KHz
43.3 KHz
35.1 KHz
37.9 KHz
48.1 KHz
46.9 KHz
53.7 KHz
Pixel Clock
Frequency
31.500 MHz
31.500 MHz
35.500 MHz
25.175 MHz
31.500 MHz
31.500 MHz
36.000 MHz
36.000 MHz
40.000 MHz
50.000 MHz
49.500 MHz
56.250 MHz
37
(VGA)
(SVGA)
SS 2001
(Fortsetzung)
Pixel Count
Resolution
1024 x 768
4:3
1152 x 864 4:3
1280 x 960
4:3
1280 x 1024
5:4
1600 x 1200
4:3
Vertical
Refresh Rate
43 Hz
60 Hz
70 Hz
75 Hz
85 Hz
75 Hz
60 Hz
85 Hz
60 Hz
75 Hz
85 Hz
60 Hz
65 Hz
70 Hz
75 Hz
85 Hz
Horizontal
Frequency
35.5 KHz
48.4 KHz
56.5 KHz
60.0 KHz
68.7 KHz
67.5 KHz
60.0 KHz
85.9 KHz
64.0 KHz
80.0 KHz
91.1 KHz
75.0 KHz
81.3 KHz
87.5 KHz
93.8 KHz
106.3 KHz
Pixel Clock
Frequency
44.900 MHz
65.000 MHz
75.000 MHz
78.750 MHz
94.500 MHz
108.000 MHz
108.000 MHz
148.500 MHz
108.000 MHz
135.000 MHz
157.500 MHz
162.000 MHz
175.500 MHz
189.000 MHz
202.500 MHz
229.500 MHz
38
XVGA
SUN
SXGA
UXGA
SS 2001
(Fortsetzung)
Pixel Count
Resolution
1792 x 1344
1856 x 1392
1920 x 1440
Vertical
Horizontal
Pixel Clock
Refresh Rate
60 Hz
75 Hz
60 Hz
75 Hz
60 Hz
75 Hz
Frequency
83.64 KHz
106.27 KHz
86.33 KHz
112.50 KHz
90.00 KHz
112.50 KH
Frequency
204.750 MHz
261.000 MHz
218.250 MHz
288.000 MHz
234.000 MHz
297.000 MHz
Verschiedene Behandlung der Synchronimpulse üblich
u HSYNC, VSYNC
2 Signalleitungen
u (Composite) SYNC
1 Signalleitung
u SYNC on GREEN
39
SS 2001
Wichtige andere VESA-Standards
VESA Display Data Channel (DDC)Specification
u VESA Extended Display Identification (EDID) Spec.
u VESA Video Signal Standard (VSIS) Specification
u VESA Monitor Timing Specifications (DMT)
u VESA Generalized Timing Formula Spec. (GTF)
u VESA Timing Defintion for LCD Monitors Spec.
u
40
SS 2001
Digitale Video-Interfaces
K Sind
zur Zeit in der Entwicklung
K VESA liefert häufig Referenzdaten:
K Beispiel eines Industriestandards
n
Digital Visual Interface, Rev. 1.0 von 1999
der
Digital Display Working Group
(Intel, SGI, Compaq, Fujitsu, HP, IBM, NEC)
spezifiziert: Architektur, Timing, Protokoll,
elektrische Anschlußbedingungen, Kabel und
Stecker
41
SS 2001
DVI-Architektur
T.M.D.S: Transition minimized differential system
über 24-polige Kupferleitung
enthält zwei Links, die für hohe Datenrraten
kombiniert betrieben werden
Zukünftige Entwicklung: Selektiver Refresh
42
SS 2001
DVI-Architektur II
43
SS 2001
DVI Performance
44
SS 2001
4. Der Videoprozessor
Grundaufgaben:
Graphik
Animation
Im Bildrefreshzyklus
u
Auslesen des Bildes aus dem
Bildspeicher
u
Serialisieren des Datenstroms
(optional Auslesen der CLUT)
Digitales
Bild
Digitalvideo
(DA-Wandlung)
u
Videoprozessor
3. Video
Erzeugung der Synchronimpulse
(opt. Externen Master SYNC
berücksichtigen: GENLOCK)
signale
HOHE TAKTRATEN
= Pixeltakt ... 300 MHz
optischer Reiz
45
SS 2001
Funktionale Ergänzungen
Die Farbtabelle
Color look-up table CLUT transformiert Bilspeicherinhalt in Output Pixel
Auch Color map oder Video look-up table genannt
u
Meist komponentenweise, z.B.
R‘ = CLUT (R)
G‘ = CLUT (G)
B‘ = CLUT (B)
u
Oder als indexed Color look-up
R‘ = CLUT (I)
G‘ = CLUT (I)
B‘ = CLUT (I)
I selten größer als 12 bit (Zykluszeit = 1/Pixelrate)
46
SS 2001
Die Farbtabelle
Nutzung
K Farbkorrektur:
Weißpunkt
Achtung: Quantisierung der Werte (8 Bit)
kann Probleme generieren (Graubalance)
u Farbgradationsveränderungen
u Einfache Animationen
u Bildmischfunktionen
u
Die Farbtabelle ist oft nur hardwarenah
zugreifbar!
47
SS 2001
Weitere Funktionalitäten des
Videoprozessors
K
K
K
K
K
K
Pixel- und Zeilenreplikation: Einfaches Zoom
Text-Font oder Zellen-lookup und sprites
„Blinken“
Verschiebung des Auslesestarts im Bildspeicher: Panning
Cursor Overlay
Optional: GenLock Funktionaltät (Externer SYNC)
Weitere Unterstützungen für Windowing-Syteme möglich,
z.B. verschiedene Modi für Windows wie Farbmodus,
Zoom Faktor, ...
48
SS 2001
Bildspeicher
Graphik
Digitales
Bild
Animation
Digitalvideo
Bildspeicher
Hauptfunktionen:
• Puffer: entkoppelt
Update und Refresh
ggf. Double oder Trple Buffer
• Integration und Synchronisation verschiedener
Medien in MM-Systemen
• Hilfsspeicher für
Renderingfunktionen:
• z-Buffer
• Alpha-Buffer
•Texturspeicher
• Additionsbuffer
• Hilfsspeicher für Windowsysteme und schnelle
Interaktionen
49
SS 2001
Übliche Organisationsformen
K
Indexed Color (pseudo-color):
üblich ein Byte/Pixel è 28=256 Farben
aus z.B 23x8 = 16,8 Mio. möglichen Farben durch look-up
tables (LUTs)
n
K
K
K
Z.B. Windows Palette:
20 Farben reserviert für Systemnutzen
6 „gleichabständige“ Werte für R,G,B è 216 Farben
20 verschiedene Grauwerte
High Color: 15 oder 16 Bit /Pixel
è 32768 oder 65536 verschiedene Farben
üblich 3x5Bits ggf für Grün 6 Bits
True Color:
24 Bit/Pixel = 16.777.216 Farben
Höhere Farbauflösungen: 12 (SGI)/16 Bits oder gar Float
mit 24 Bit Mantisse am API (OpenGL) intern zu
Berechnungen genutzt oder in Spezialanwendungen
50
SS 2001
Zwischenruf
Update und Refresh?
K
K
Refresh: Notwendige Auffrischung (auch des unveränderten) Bildschirminhalts bei punktförmiger Impulsanregung,
z.B. bei einer CRT
60 ... 100 Hz Bildfrequenz non-interlaced (< 16 ms)
erfolgt aus dem Bildspeicher zur Zeit für das vollständige
Bild = nichtselektiv!
Update: Aufbau eines veränderten Bildes
= Rendering eines aus dem Graphikspeicher
vollständig: Gesamtbild
n selektiv: nur Bildteile, z.B. Windows, Cursor, ...
Anforderungen: < 100-300 ms für interaktive Anwendungen
< 65 ms (ca. 15 Hz) für Bewegungskontinuität
n
51
SS 2001
Anforderungen an den Bildspeicher
u
Random-Access für den Renderer (Eingang)
Objekt nach Objekt, ggf. paralellisiert aber i.d.R. Pixel-lokal
oft R/W Zugriff nötig!
ggf. Mehrfachzugriff zum Bildaufbau auf ein Pixel
(z-Buffer, ...)
Pixel-sequentieller Lese-Zugriff für den
Videoprozessor (Ausgang) im Pixeltakt
... 300 Mpixel / sec. Zykluszeit: 3ns è
Parallelisierung notwendig
u Update und Refresh konkurieren um die Zugriffe
u Ggf. kommen spezielle RAMs = Video-RAMs zum
Einsatz: besitzen integriertes Schieberegister
u
52
SS 2001
Single-Buffering
Renderer
Videoorozessor
Bildaufbau sichtbar kann stark
störend sein (große Objekte)
beim Update i.d.R zunächst ein
CLEAR nötig
nicht geeignet für
Bewegtbildpräsentation
ggf. bei geringen Updateraten
oder bei Windows tolerierbar
Renderer und VP konkurieren um
den Bildspeicher - keine echte
Entkopplung
Gut geeignet für Tests
+ Minimaler Aufwand
53
SS 2001
Double-Buffering
Frame i, i+2, i+4, ...
Renderer
back
front
Videoprozessor
Bildspeicher wird verdoppelt
front: aus diesem Teil wird
das sichtbare Bild
ausgelesen
back: in diesen Teil wird
gerendert
i
Nach Abschluß des Updates ...
54
SS 2001
Double-Buffering
Frame i, i+2, i+4, ...
Renderer
back
front
Videoprozessor
i
55
SS 2001
Double-Buffering
Frame i+1, i+3, i+5, ...
Renderer
front
back
Videoprozessor
i+1
Swap des back und front Teils
z.B während eines
Vertical Retrace è unsichtbar
zunächst CLEAR des backbuffers ... dann neu rendern
Implementierung z.B. durch
Page Flipping: Spezielles Register
im Videoprozessor, das die
Startadresse zum Auslesen enthält
Blitting: Durch Spezialhardware
schnelles Kopieren in den
Front-bereich
56
SS 2001
Double-Buffering
Doppelter Aufwand
+ Keine Bildstörungen durch Update
èStandard für
Bewegtbildgenerierung
Renderer
front
Aber ggf. immer noch Probleme beim Load
Balancing; Beispiel: Monitor Refresh
60Hz è 16,7 ms
Rechenzeit Update Sichtbarer Update
<16,7 ms
è 60 frames/s
>16,7 ms
è 30 frames/s
>33,3 ms
è 20 frames/s
>50 ms
è 15 frames/s
>67,7ms
è 12 frames/s
è Swap während hor. Retrace (è Tearing)
è oder Triple Buffering
back
Videoprozessor
i+1
57
SS 2001
Triple-Buffering
Frame i, i+3, i+6, ...
Buffer 1: front
Buffer 2: back
Renderer
finish to render i+1
Buffer 3
Buffer 2
Buffer 1
Videoprozessor
Buffer 3: pending
clear; start to render i+2
i
58
SS 2001
Triple-Buffering
Frame i+1, i+4, i+7, ...
Buffer 1: pending
Renderer
Buffer 1
Buffer 3
Buffer 2
Buffer 2: front
Buffer 3: back
Videoprozessor
I+1
59
SS 2001
Triple-Buffering
Frame i, i+3, i+6, ...
Buffer 1: back
Renderer
Buffer 2: pending
Buffer 2
Buffer 1
Buffer 3
Videoprozessor
Buffer 3: front
I+2
60
SS 2001
Triple-Buffering
+ Optimiertes Load Balancing
Sichtbare Update Rate
≈ 1/ Rechenzeit für Update
Renderer
Buffer 2
Buffer 1
− dreifacher Aufwand gegenüber
Single Buffering
− verlängert die
System Response Time
Buffer 3
− wird noch selten durch HW
unterstützt
Videoprozessor
Theoretisch können noch weitere
Buffer genutzt werden und sinnvoll
sein (multi-buffering), insbesondere bei aufwandsmäßig stark
verschiedenen Update-Zeiten
I+2
61
SS 2001
Spezielle Ergänzungen
Overlay Plane
K üblich:
1..8 Bit + CLUT
oft 1 Bit für Angabe ob transparent oder opak
K Videoprozessor
überlagert diese Farben
über das im Bildspeicher stehende Bild
K Häufig genutzt für UI-Elemente: Cursor,
Menues, Highlighting
K Elemente in der Overlay-Plane können
verändert werden, ohne vollständigen
Bildspeicher-Update
62
SS 2001
Alpha Buffer
K Speichert
zusätzlich zur Farbe
„Transparenz“ des Pixels
auch „matte“ genannt
Pixel ist weder rot noch grün
Beispiel: 70% grün, 30% rot
Beim Rendering wird Überdeckungsinformation
(coverage) generiert: a-Channel
Beim Rendering des roten Dreiecks
p:= (r,g,b, α), α = [0,1] z.B. (1,0,0,0.3)
63
SS 2001
Grundlegende Annahmen
zum α-Wert
30%
50%
no overlap
total overlap
Fälle werden nicht berücksichtigt Annahme:
è Falsche Berechnung
proportional overlap
α-Wert liefert keine geometrischen Angaben
(1) Annahme: proportional overlap gilt !!!,
(2) Annahme: Gleichverteilung der Geometrie,
dann z.B.
gemeinsame Überdeckung α g= α A x α B
64
SS 2001
Flächengrößen und mögliche Farben
Farbe je nach
Region
Fläche
Überdeckung
weder-noch (1-αA) (1-αB) 0
nur A
αA(1-αB)
0,A
nur B
αB(1-αA)
0,B
beide
αA αB
0,A,B
Beim Rendering dieses Pixels können 4 verschiedene Fälle auftreten:
Reihenfolge des Renderns:
erst A dann B oder erst B dann A
Aus Sicht der Kamera:
A vor B oder B vor A
A over B
cP = α A (1 − α B )c A + α Aα B c A + α B (1 − α A )c B
first A :
first B :
B over A
cP = α A (1 − α B )c A + α Aα B c B + α B (1 − α A )c B
first A :
first B :
65
SS 2001
Verallgemeinerung
Wir untersuchen für die Quadrupel (weder A noch B, nur A, nur B, beide)
die möglichen Werte
Ziel:
cComp
= FA cA + FB cB
α Comp = FA α A + FB αB
FA, FB : Anteil des Pixels aus Bild A bzw. B
66
SS 2001
Verallgemeinerungen
Überlagerungsmöglichkeiten
Operation
(Interpretation)
Wert des
Quatupels
clear
FA
FB
(0, 0, 0, 0,)
0
0
A
(0, A, 0, A)
1
0
B
(0, 0, B, B)
0
1
A over B
(0, A, B, A)
1
1-αA
B over A
(0, A, B, B)
1-α B
1
A in B
(0, 0, 0, A)
αB
0
B in A
(0, 0, 0, B)
0
αA
A held out by B
(0, A, 0, 0)
1-α B
0
B held out by A
(0, 0, B, 0)
0
1-αA
A atop B
(0, 0, B, A)
αB
1-αA
B atop B
(0, A, 0, B)
1-α B
αA
A xor B
(0, A, B, 0)
1-α B
1-αA
Bild
67
SS 2001
Weitere Funktionsmöglichkeiten mit
dem α-Channel
K darken
K fade
K opaque
K fade
(A,t) plus fade (B, 1-t)
68
SS 2001
Stencil und Accumulation Buffer
69
SS 2001
Texturspeicher
70
SS 2001
Stereo Buffer
71
SS 2001
Zusammenfassung
Bildspeicher
K
K
K
K
Je flexibler organisierbar, umso vielfäliger ist der Nutzen: Für
verschiedene Anwendungen gilt jeweils eine anderes
Kosten/Nutzen-Verhältnis
Manche Architekturen erlauben es, Teile des
Hauptspeichers als Bildspeicher zu nutzen, z.B. SGI O2,
Neon Chip-Set è z.B. „beliebig“ großer Texturspeicher
Andere Architekturen spezialisieren den Speicher, z.B. SGI
InfiniteReality; vervielfältigen ggf. sogar Teile für
Parallelarbeit
Bildspeichergrößen von 256MByte und mehr sind in
Hochleistungs-Graphikrechnern keine Seltenheit
72
SS 2001
Glossar
Graphische Systeme
Szenengraph
Displaylist
Rendering
Anzeigesysteme (Display)
Refresh-Anzeigesysteme
Speicher-Anzeigesysteme
Kathodenstrahlröhre (Braunsche Röhre, CRT)
Lochmaske (-nröhre)
Delta Maske, Streifenmaske, Trinitron
73
SS 2001
Glossar (2)
Persistenz
Fluoreszenz, Phosphoreszenz
aspect ratio
pel
Horizonzalfrequenz
Vertikalfrequenz
Videobandbreite
(Aktive) Flüssigkristallanzeigen (LCD)
Bildfeldzerlegung
Raster-Scan-Prinzip
74
SS 2001
Glossar (3)
Zwischenzeilenenverfahren (Interlaced Scanning)
Kalligraphische Anzeige
Videosignale
Bildsignal mit Austastlücke BAS
Horizontale Austastlücke
Synchronimpuls
Schwarzschulter (- hintere, - vordere)
Farbtabelle (color lookup table)
Videoprozessoren
75
SS 2001
Glossar (4)
Bildspeicher
Bildbearbeitungsprozessoren
TFT (Thin Film Transistor)-Technik
Analoges Videosignal
Video Elektronics Standards Association VESA
HSYNC
VSYNC
Composite SYNC
SYNC on GREEN
Bild-Update
Bild-Refresh
76
SS 2001
Weitere Informationen
77
SS 2001
Ausblick – Nächste Schritte
K Bildbearbeitung
K Bildverarbeitung
K HW
und SW
Nächstes Kapitel
78
SS 2001

05. Graphische Systeme - Professur Graphische Datenverarbeitung

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