background image

A. Myśliński – materiały pomocnicze do wykładu ASK 
 

 

1

Wykład 13 

Elementy grafiki komputerowej  

 
Grafika  komputerowa
  -    dział  informatyki  zajmujący  się  tworzeniem  obrazów  obiektów 
rzeczywistych i wyimaginowanych, za pomocą komputera.  
 

 

Narodziła  się  pod  koniec  lat  pięćdziesiątych.  Jej  pionierzy  zaczynali  realizować  swoje 
projekty  na  bardzo  kosztownych  i  trudnych  w  obsłudze  maszynach.  Jednak  ogromne 
sukcesy  jakie  odnosili  realizatorzy  tego  kierunku,  spowodowały,  że  grono 
zainteresowanych  tą  dziedziną  wciąż  powiększało  się.  Do  pracy  nad  nowymi 
możliwościami  i  wykorzystaniem  grafiki  komputerowej  w  różnych  dziedzinach 
zawodowych,  mobilizowały  nie  tylko  fundusze  wpływające  na  ten  cel,  ale  również 
szerokie  zainteresowanie  przeróżnych  instytucji.  Dzięki  dynamicznemu  rozwojowi 
elektroniki,  w  latach  80-tych,  grafika  była  już  dostępna  dla  większej  rzeszy 
użytkowników komputerów domowych.  

 
 
Zastosowania grafiki komputerowej  
 

 

Tradycyjne  metody  prezentacji  danych  (np.  wykresy  lub  prosta  animacja  dla  potrzeb 
filmów rysunkowych, 

 

gry komputerowe, 

 

oprogramowanie interakcyjne do realizacji systemów okien, 

 

prace edytorskie, 

 

prezentacja wyników złożonych obliczeń i eksperymentów naukowych, 

 

systemy projektowania, 

 

reklamy, 

 

przemysł rozrywkowy 

 

symulacja  sztucznej  rzeczywistości  (virtual  reality);  w  efekcie  uzyskiwana  jest  iluzja 
trójwymiarowego świata. Stosowane środki obejmują: 

 

rzutowanie obrazów stereoskopowych bezpośrednio do oczu obserwatora, 

 

dane  o  położeniu  obserwatora  rejestrowane  za  pomocą  czujników 
przyłączonych do różnych części ciała, co umożliwia interakcyjną współpracę 
z systemem. 

 

Zastosowania sztucznej rzeczywistości: medycyna, nauka, technika, rozrywka. 

 
1. Podsystem wyświetlania obrazu  
 
System graficzny komputera PC  

 

stanowi część systemu wejścia – wyjścia umożliwiającą interakcję z użytkownikiem  

 

jest sterowany za pośrednictwem sterownika programowego systemu operacyjnego  

 

jest  zwykle  wyposażony  w  specjalizowane  układy  przetwarzania  obrazów,  pamięci 
obrazu, konwerter analogowo- cyfrowy  

 

współpracuje  z  zewnętrznym  urządzeniem  wyświetlającym  VDU  (Video  Display 
Unit) np. monitorem ekranowym CRT lub LCD 

 

background image

A. Myśliński – materiały pomocnicze do wykładu ASK 
 

 

2

 

Rys Algorytmy grafiki komputerowej  

 

Tryby pracy systemu graficznego  
 

 

Tryb  tekstowy  –  wartościom  poszczególnych  bajtów  pamięci  są  przypisane 
określone  symbole  alfanumeryczne  wyświetlane  na  ekranie  wg  tzw.    tablicy 
kodowej (np. kod ASCII)  

o

 

Proste systemy terminali, rozwinięci koncepcji dalekopisu  

o

 

Realizacja  sprzętowa  –  układy  EEPROM  z  zapisem  wyglądu  poszczególnych 
znaków alfanumerycznych  

o

 

Realizacja  programowa  –  wstępne  określenie  kształtu  znaków  w  pamięci 
obrazu lub całkowita symulacja w systemie okien  

 

Tryb  graficzny  –  obraz  jest  zbudowany  z  punktów  (pikseli),  których  parametry  są 
określane przez zawartość od jednego do kilku bajtów tzw. pamięci obrazu  

o

 

Dominujący  sposób  realizacji  interfejsu  użytkownika  we  współczesnych 
systemach operacyjnych  

o

 

Komputer  buduje  w  pamięci  mapę  reprezentującą  wszystkie  punkty  obrazu, 
które mają być wyświetlone na ekranie  

o

 

Rozmiar pamięci potrzebnej do opisania wyglądu ekranu jest zależny od  

 

rozdzielczości ekranu – determinuje ilość pikseli tworzących obraz  

 

palety  barw  –  ilość    informacji  potrzebna  do  opisu  wyglądu 
pojedynczego piksela 

 

opcjonalnego  buforowania  obrazu  –  budowanie  następnego  kadru  w 
czasie wyświetlania bieżącego  

o

 

Reprezentacja barw  

 

Predefiniowana paleta kolorów  

 

Reprezentacja barw podstawowych (RGB, CMYK,HSV) 

 
System graficzny komputera tworzą  
 

 

Karta graficzna  (i/lub akcelerator graficzny)   

 

Monitor ekranowy  

 

Drukarka, 

 
 
2. Piksele. Rozdzielczość  

 

Piksel (ang. pixel – wyraz utworzony ze zbitki dwóch angielskich słów: picture+element) 
jest  to  najmniejszy  jednolity  (przedstawiający  konkretny  kolor,  patrz  subpiksel)  element 
obrazu  wyświetlanego  na  ekranie  (monitora  komputerowego,  telewizora  itp.), 
drukowanego  (dotyczy  technologii  druku  punktowego)  lub  uzyskiwanego  za  pomocą 
urządzeń przetwarzania obrazu (aparat cyfrowy, skaner). 

background image

A. Myśliński – materiały pomocnicze do wykładu ASK 
 

 

3

 

Jeden  piksel  w  odniesieniu  do  monitorów  to  bardzo  mały  kwadrat  (często  spotykana 
szerokość  boku  to  0,28  mm)  lub  prostokąt  widzialny  z  odległości  użytkowej  jako 
wypełniony jednolitym kolorem. Tryb pracy monitora, a konkretnie jego rozdzielczość to 
właśnie liczba pikseli jakie zawiera on w pionie i poziomie. 

Najczęstszym rozwiązaniem uzyskiwania różnych kolorów jest zastosowanie mieszania barw 
w  systemie  RGB,  dające  obraz  kolorowy  dzięki  syntezie  addytywnej.  Obraz  składa  się  z 
bardzo  dużej  liczby  pikseli,  których  kolory  mogą  być  niezależnie  zmieniane.  Każdy  piksel 
składa  się  z  trzech  tzw.  subpikseli,  świecących  w  kolorach:  czerwonym,  zielonym  i 
niebieskim  (zobacz  zdjęcie  obok).  Odpowiednie  sterowanie  intensywnościami  świecenia 
danych  subpikseli  powoduje  powstanie  wypadkowego  koloru  całego  piksela.  Kolorowi 
białemu  odpowiada  maksymalna  intensywność  świecenia  wszystkich  trzech  składowych, 
kolorowi czarnemu – wszystkie subpiksele wygaszone. 

Rozdzielczość ekranu - jeden z parametrów trybu wyświetlania, parametr określający liczbę 
pikseli obrazu wyświetlanych na ekranie w bieżącym trybie pracy monitora komputerowego, 
telewizora  a  także  każdego  innego  wyświetlacza,  którego  obraz  budowany  jest  z  pikseli. 
Rozdzielczość wyraża się w postaci liczby pikseli w poziomie i w pionie. 

Pojęcie  rozdzielczości  ekranu  jest  dość  mylące,  gdyż  tak  naprawdę  nie  jest  to  rozdzielczość 
wyświetlacza,  lecz  rozdzielczość  obrazu  na  tym  wyświetlaczu.  W  większości  urządzeń 
bieżący tryb wyświetlania można zmieniać skokowo wewnątrz określonego zakresu, którego 
granice,  jak  i  poszczególne  dostępne  rozdzielczości,  powiązane  są  z  budową  urządzenia 
wyświetlającego,  budową  karty  graficznej,  wielkością  pamięci  na  tej  karcie  oraz 
oprogramowaniem (sterownik karty, system operacyjny). 

Odczucie  zmiany  wielkości  obrazu  w  miarę  wzrostu  rozdzielczości  jest  wywołane  tym,  że 
zazwyczaj stałe elementy  interfejsu systemu operacyjnego, takie jak  ramki, ikonki itp., mają 
stałą wielkość w pikselach. 

Dla  telewizorów  analogowych  rozdzielczość  jest  związana  z  przepustowością  sygnału 
luminancji  i  jest  określany  w  "liniach",  jako  największa  liczba  naprzemiennych  białych  i 
czarnych pionowych pasków, które mogą być wyświetlone wszerz ekranu bez nakładania się 
na  siebie.  Czasami  linie  są  liczone  na  szerokości  równej  wysokości  obrazu  zamiast  na  całej 
szerokości.  To  powoduje  powstanie  dwóch  miar  rozdzielczości  poziomej,  co  może 
powodować  nieporozumienia.  Rozdzielczość  pionowa,  podobnie  jak  w  urządzeniach 
cyfrowych, jest liczbą poziomych linii na obrazie. 

Obecnie  standardowymi  rozdzielczościami  są  640×480  (VGA,  Video  Graphics  Array), 
800×600  (SVGA,  Super  VGA)  oraz  1024×768  (XGA/XVGA,  eXtended  czyli  rozszerzona). 
Niektórzy  użytkownicy,  szczególnie  programów  CAD  oraz  gracze,  używają  rozdzielczości 
1600×1200  (UXGA,  Ultra-eXtended)  lub  wyższych,  jeżeli  mają  odpowiedni  sprzęt.  Kiedy 
rozdzielczość  wyświetlania  jest  zbyt  duża  w  stosunku  do  możliwości  monitora  lub 
wyświetlacza,  niektóre  systemy  tworzą  wirtualny  ekran,  który  może  być  przewijany  "pod" 
fizycznym ekranem. 

Dla  telewizji  cyfrowej  i  HDTV,  typowe  rozdzielczości  pionowe  to  720  lub  1080  linii.  Co 
ciekawe, telewizory obsługujące  HD 720 mają podwyższoną rozdzielczość do 768 linii albo 
większej, choć nie 1080. 

background image

A. Myśliński – materiały pomocnicze do wykładu ASK 
 

 

4

W  profesjonalnych  zastosowaniach  kinowych  używane  są  częściej  rozdzielczości  typu  2K 
16:9 (2048x1152), 2K 2:1 (2048x1024), 3K 16:9 (3072x1728), 3K 2:1 (3072x1536), 4K 16:9 
(4096x2304), 4K 2:1 (4096x2048) itd. 

Rozdzielczość 640×480, wprowadzona przez IBM PS/2 VGA i MCGA (MultiColor Graphics 
Array), zintegrowane karty graficzne, stała się standardem od 1990 do 1997 roku, częściowo 
dzięki  swoim  proporcjom  4:3.  800×600  była  standardową  rozdzielczością  od  roku  1998  do 
chwili obecnej, ale 1024×768 szybko staje się nowym standardem rozdzielczości, szczególnie 
ż

e również zachowuje proporcje 4:3. Wiele stron internetowych i produktów multimedialnych 

jest  zaprojektowanych  dla  rozdzielczości  1024×768.  Większość  współczesnych  gier,  takich 
jak  SimCity  4,  wypuszczonych  w  erze  128-bitowych  kart  graficznych,  w  ogóle  nie  pozwala 
na  używanie  rozdzielczości  640×480.  Windows  XP  zostało  zaprojektowane  do  pracy  w 
rozdzielczości  co  najmniej  800×600  (ale  jest  możliwa  praca  w  trybie  640×480).  Aktualnie 
monitory  CRT  z  rozdzielczością  800x600  są  rzadko  spotykane,  a  te  z  wyższą  (1024x768, 
1280x1024  i  1600x1200)  są  powoli  wypierane  przez  panoramiczne  monitory  LCD  19" 
(natywna rozdzielczość 1440x900) i 22" (1680x1050), aczkolwiek dużą popularnością cieszą 
się także LCD 20" (1600x1200). 

Uznaje  się,  że  dla  monitorów  15"  i  17"  (381  mm  i  432  mm)  rozdzielczość  1024×768  jest 
standardem,  natomiast  dla  monitorów  19"  zaleca  się  1280×1024.  Dobre  monitory  21"  (533 
mm)  zazwyczaj  potrafią  wyświetlać  obraz  w  rozdzielczości  1800×1440.  Są  także  szerokie 
monitory 24" (610 mm), które często będą w stanie pracować w rozdzielczości poziomej 2048 
pikseli lub większej. 

3. Grafika rastrowa i wektorowa  
 
Grafika  Wektorowa
  -  sposób  opisu  obrazu  oparty  na  formułach  matematycznych.  W 
przeciwieństwie do tradycyjnej grafiki bitmapowej (opierającej się na zapamiętywaniu koloru 
i  położenia  pojedynczych  pikseli),  grafika  wektorowa  zachowuje  informacje  o  tworzących 
kształty obiektów liniach oraz krzywych - włączając ich położenie oraz barwę. 
 
Grafika  rastrowa  -  obrazy  tworzone  są  z  położonych  regularnie,  obok  siebie  pikseli. 
Posiadają one różne kolory lub odcienie jasności. Tworzone w ten sposób obrazy zwykło się 
nazywać mapami bitowymi (potocznie-bitmapami).  
 

 

Mapa  bitowa  (bit  map)  -  sposób  zapamiętania  obrazu  przy  wykorzystaniu  pikseli 
ułożonych  w  rzędy  i  kolumny.  Każdy  piksel  a  właściwie  informacja  o  jego  kolorze 
może zostać zapisana za pomocą określonej liczby bitów; wartość 1 oznacza czerń lub 
kolor,  wartość  0  biel  (brak  koloru).  W  zależności  od  liczby  kolorów  jakie  możemy 
wykorzystać  w  mapie  bitowej,  rozróżniamy  mapy:  1-bitowe,  8-bitowe,  16-bitowe,  24-
bitowe  i  32-bitowe.  Mapy  1-bitowe  to  mapy  czarno-białe,  natomiast  w  mapach  8-
bitowych  (28)  na  jeden  piksel  przypada  256  kolorów,  w  16-bitowych  (216)  65  536 
kolorów, w 24-bitowych (224) 16777216 kolorów itd.  

 

Liczba  pikseli  użytych  do  odwzorowania  obrazu  w  komputerze  zależy  od  jego 
rozdzielczości. Pojęcie to określa liczbę pikseli przypadającą na jednostkę powierzchni. 
Im  wyższa  jest  rozdzielczość  obrazka,  tym  większy  jest  jego  plik.  Na  objętość  zbioru 
graficznego  istotny  wpływ  ma  również  ilość  możliwych  do  zapamiętania  kolorów.  Im 
więcej kolorów tym większa objętość. Do zapamiętania wystąpień 16 777 216 kolorów 
na  tej  samej  powierzchni  trzeba  użyć  większej  ilości  bitów  niż  do  zapamiętania  256 
kolorów.  

background image

A. Myśliński – materiały pomocnicze do wykładu ASK 
 

 

5

 

Do wstępnego oszacowania wielkości pliku możemy posłużyć się prostym wzorem:  
Wp = ilość pikseli w pionie* ilość pikseli w poziomie* ilość kolorów  

  
Atrybuty grafiki rastrowej  
 

 

Przetwarzanie map bitowych wymaga odpowiedniej ilości pamięci RAM w komputerze. 
W przypadku obrazów rastrowych liczba pikseli przypadająca na jednostkę powierzchni 
jest  wielkością  stałą  (rozdzielczość),  dlatego  tez  przy  powiększeniu  mapy  bitowej 
występuje  efekt  powiększenia  piksela.  W  praktyce  objawia  się  to  widocznymi  na 
ekranie  monitora  lub  wydruku  schodkami,  stąd  jakość  obrazu  nie  jest  najlepsza. 
Występująca wtedy utrata ostrości obrazu map bitowych jest ich podstawową wadą.  

 

Inną  wadą  jest  brak  możliwości  operowania  na  fragmentach  obrazu.  Grafikę  rastrową 
można  przyrównać  do  obrazka  namalowanego  farbkami.  Zmiana  barwy  dowolnego 
fragmentu polega na nałożeniu pędzelkiem innego koloru. Nie można tutaj zmienić np. 
kształtu namalowanego  obiektu przez jego modelowanie, a jedynie przez namalowanie 
w  jego  miejsce  nowego.  Po  odpowiednim  powiększeniu  obrazu  widać  pojedyncze 
kwadratowe  punkty,  z  których  zbudowany  jest  cały  obraz.  Zwiększenie  mapy  bitowej 
powoduje,  że  zwiększane  są  także  te  punkty,  przez  co  linie  i  krawędzie  stają  się 
postrzępione.  

 
4. Karty graficzne  
Karta graficzna – karta rozszerzeń komputera generująca sygnał dla ekranu monitora.  
 
Podstawowym zadaniem karty graficznej jest  

 

przechowywanie informacji o tym jak powinien wyglądać obraz na ekranie monitora  

 

odbiór i przetwarzanie otrzymywanych od komputera informacji o obrazie  

 

odpowiednie  wyświetlanie  tegoż  obrazu  za  pośrednictwem  monitora  (sterowanie 
monitorem)  

 

 

Pierwsze karty  graficzne potrafiły jedynie wyświetlać znaki alfabetu łacińskiego ze 
zdefiniowanego  w  pamięci  karty  generatora  znaków  -  tryb  tekstowy.    Kolejna 
generacja  kart  graficznych  potrafiła  już  wyświetlać  w  odpowiednim  kolorze 
poszczególne punkty (piksele) - tryb graficzny. 

 

Nowoczesne  procesory  graficzne  udostępniają  wiele  funkcji  ułatwiających  i 
przyśpieszających  pracę  programów.  Możliwe  jest  narysowanie  odcinka,  trójkąta, 
wieloboku,  wypełnienie  ich  zadanym  kolorem  lub  wzorem,  tzw.  akceleracja  2D. 
Większość kart na rynku posiada również wbudowane funkcje ułatwiające tworzenie 
obrazu przestrzeni trójwymiarowej, tzw. akceleracja 3D.   

 

Niektóre karty graficzne posiadają zaawansowane algorytmy potrafiące na przykład 
wybrać tylko widoczne na ekranie elementy z przestrzeni. 

 
4.1 Budowa karty graficznej 
 
Współczesne karty graficznych  składają się z następujących elementów: 

 

Procesor  graficzny  (GPU)  -  odpowiedzialny  za  generowanie  obrazu  w  pamięci 
obrazu 

o

 

“rysuje” obraz poprzez wypełnianie odpowiednich komórek pamięci VRAM. 

o

 

architektura SIMD, brak skoków i pętli, bardzo duża wydajność arytmetyczna, 
wielopotokowość  

background image

A. Myśliński – materiały pomocnicze do wykładu ASK 
 

 

6

o

 

CPU nie jest w stanie generować obrazu z wymaganą prędkością  ze względu 
na  specyficzny  charakter  algorytmów  generowania  obrazu  i  zbyt  dużą  liczbę  
danych. 

o

 

jest  to  wyspecjalizowany  układ  scalony,  zwany  także  akceleratorem.  Na 
żą

danie drivera ( sterownika programowego) potrafi on wykonać podstawowe i 

najczęściej  używane  operacje  graficzne,  np.:  kreślenie  odcinków,  rysowanie 
prostokątów,  wypełnianie  i  kopiowanie  obszarów,  co  przyspiesza  nie  tylko 
działanie  programów  użytkowych,  ale  także-a  może  przede  wszystkim-
graficznych  interfejsów  użytkownika  (  Windows).  W  praktyce  nierzadko 
zdarza  się,  że  akcelerator  działa  tylko  w  niektórych  wyższych  trybach,  zaś  w 
trybach  o  gorszych  parametrach  karta  działa  jako  tzw.  bufor  ramki  (  frame 
buffer)-  wszystkie  operacje  graficzne  wykonuje  główny  procesor  komputera. 
Obraz jest wyświetlany dopiero wtedy, gdy cały jest już narysowany. 

 

Pamięć obrazu - VideoRAM, bufor ramki (ang. framebuffer) - przechowuje cyfrowe 
dane o obrazie 

o

 

Pamięć o dostępie sekwencyjnym  

o

 

Rodzaje pamięci  

 

Pamięć  graficzna  jest  najczęściej  widoczna  w  systemie  jako  jeden 
ciągły  obszar  (  linear  frame  buffer).  Procesor  może  zatem  przesyłać 
obrazy za pomocą normalnego odwołania do pamięci.  

 

Dawniej  najczęściej  spotykanym  jest  DRAM.  Pamięć  taka  zwana  jest 
pamięcią  jednoportową,  ponieważ  zarówno  zapis,  jak  i  odczyt 
informacji dokonywany jest przez to samo wyprowadzenie układu. Gdy 
DRAM  pracuje  w  charakterze  pamięci  operacyjnej  komputera,  takie 
rozwiązanie  w  niczym  nie  przeszkadza.  Jednak  w  przypadku 
sterownika  graficznego  powoduje to konieczność dzielenia dostępu do 
pamięci  między  RAMDAC  i  procesorem,  co  zmniejsza  wydajność 
systemu.  

 

Aby  uniknąć  takich  konfliktów  dostępu  skonstruowano  pamięci 
dwuportowe,  których  najczęściej  spotykanym  typem  jest  VRAM 
(Video  Ram).  Pamięci  takie  mają  osobne  wejście  (dla  procesora)  i 
wyjście (dla przetwornika).  

 

Pojawiły  się  również  inne  dwuportowe  pamięci  dla  kart  graficznych 
nazwane WRAM ( Window RAM ), różniące się od VRAM sposobem 
dostępu, nieco większą szybkością. Obecnie takie układy  raczej nie są 
już  stosowane.  Nie  stosuje  się  już  także  układów  SDRAM.  Wszystkie 
układy  wyparło  DDRAM,  charakteryzujące  się  pracą  z  podwójną 
częstotliwością.  

 

Dawniej stosowano układy z 2,4,8,16 MB RAM na karcie. Obecnie za 
niezbędne minimum uważa się 64 MB. Wynika to z ciągłego postępu w 
dziedzinie modelowania obrazów. Oczywiście przy pracy w edytorach 
tekstu,  bazach  danych  czy  arkuszach  kalkulacyjnych,  w  zupełności 
wystarcza  32  MB,  ale  producenci  kart  graficznych  tworzą  swoje 
najnowsze podzespoły dla graczy oraz profesjonalistów. 

 

Pamięć  ROM  -  pamięć  przechowująca  dane  (np.  dane  generatora  znaków)  lub 
firmware karty graficznej, obecnie realizowana jako pamięć EEPROM (flash) 

 

DAC  -  przetwornik  C/A  (ang.  Digital-to-Analog  Converter)  -  odpowiedzialny  za 
przekształcenie  cyfrowych  danych  z  pamięci  obrazu  na  sygnał  sterujący  dla 
monitora analogowego; w przypadku kart wyłącznie z wyjściem cyfrowym DAC nie 
stosuje się 

background image

A. Myśliński – materiały pomocnicze do wykładu ASK 
 

 

7

o

 

Odpowiednio  zaprogramowany,  w  celu  ustawienia  parametrów  właściwego 
trybu  graficznego,  odczytuje  on  zawarte  w  pamięci  karty  bajty  opisujące 
kolory  poszczególnych  pikseli  (to  w  trybach  graficznych;  w  trybach 
tekstowych  z  pamięci  czytane  są  kody  znaków  oraz  ich  atrybuty-kolor, 
migotanie, itp., a informacja o ich wyglądzie pochodzi z generatora znaków ). 
Na podstawie odczytanych informacji RAMDAC generuje sygnały elektryczne 
sterujące monitorem.  

 

 

Interfejs  do  systemu  komputerowego  -  umożliwia  wymianę  danych  i  sterowanie 
kartą graficzną - zazwyczaj PCI, AGP, PCI-Express 

 

Interfejs  na  slocie  karty  graficznej  -  zazwyczaj  P&D,  DFP,  VGA,  DVI,  HDMI, 
DisplayPort  

 

wiele z kart graficznych posiada także: 

o

 

Framegrabber  -  układ  zamieniający  zewnętrzny,  analogowy  sygnał  wideo  na 
postać cyfrową 

o

 

Procesor  wideo  -  układ  wspomagający  dekodowanie  i  przetwarzanie 
strumieniowych danych  wideo; w najnowszych konstrukcjach zintegrowany z 
procesorem graficznym. 

 

Po włożeniu nowej karty w slot AGP lub PCI nie ma potrzeby przestawiania żadnych zworek, 
gdyż wszystko jest robione automatycznie. Wszystko to powoduje że obecne karty graficzne 
są  szybsze  i  mogą  być  wyposażone  w  procesory  już  nie  tylko  32-,  ale  64-  i  128-bitowe,  bo 
istnieje  już  możliwość  szybkiego  przesyłania  dużej  liczby  danych  pomiędzy  procesorem  i 
sterownikiem.  Nawet  najlepsza  karta  graficzna  nie  zadziała  dobrze  bez  odpowiednich 
sterowników.  System  operacyjny  nie  mając  zainstalowanych  odpowiednich  sterowników 
pozwoli karcie graficznej tylko na pracę w podstawowych trybach.  

4.2 Zasada działania karty graficznej  
 
Sposób  wyświetlania  obrazu  na  ekranie  monitora  najprościej  można  przedstawić  w 
następujący sposób:  

 

procesor zapisuje dane o obrazie w pamięci RAM karty,  

 

sterownik  zainstalowany  na  karcie  powoduje  przesłanie  zawartości  pamięci  RAM  do  
przetwornika DAC, 

 

sterownik DAC przetwarza dane cyfrowe na sygnał analogowy i przesyła go do  

 

monitora. 

 
Komunikacja karty graficznej z komputerem PC następuje poprzez jedną z czterech magistral: 

 

ISA (pierwsze karty graficzne),  

 

Vesa Local Bus Vesa Local Bus (niektóre systemy z procesorem 486),  

 

PCI (dziś powszechnie stosowane) oraz najnowszą   

 

AGP (dziś powszechnie stosowane) .  

 
Po  otrzymaniu  informacji  od  procesora  komputera  (CPU)  o  potrzebnej  grafice,  chip  karty 
graficznej przygotowuje ją, wspomagając się zainstalowaną na karcie pamięcią (w przypadku 
kart  AGP  do  przechowywania  tekstur  używana  jest  dodatkowo  pamięć  komputera).  Gdy 
obraz  jest  już  gotowy,  zapisywany  jest  w  obszarze  wydzielonym  w  pamięci  karty  w  postaci 
zbioru różnokolorowych punktów. Ten zbiór punktów nazywany jest ramką (frame), a obszar 
pamięci - buforem ramki (frame buffer).  

background image

A. Myśliński – materiały pomocnicze do wykładu ASK 
 

 

8

 
Z  bufora  ramki  dane  pobierane  są  punkt  po  punkcie  przez  układ  RAMDAC.  Ten  zamienia 
cyfrowo opisane punkty na analogowe impulsy prądu o napięciu zależnym od koloru punktu.  
Na ich podstawie powstaje obraz na monitorze. 
 
5. Monitory klasyczne i LCD  

Monitor  -  urządzenie  wyjściowe,  podłączone  do  komputera  będące  źródłem  światła, 
wyświetlające  na  własnym  ekranie  obraz  oglądany  z  drugiej  strony  przez  oglądającego. 
Wyróżnia  się  monitory  lampowe  (kineskopowe)  -  CRT,  monitory  oparte  na  ciekłych 
kryształach (LCD), oraz monitory plazmowe.  

5.1 Monitory CRT  
 

 

Rys. Budowa monitora CRT. 

 
 
 

background image

A. Myśliński – materiały pomocnicze do wykładu ASK 
 

 

9

 

 

Rys. Schemat blokowy monitora CRT. 

 
 
 
5.2 Monitory LCD   

 

 

background image

A. Myśliński – materiały pomocnicze do wykładu ASK 
 

 

10

 

 

 

 

 

Za ekranem znajduje się źródło światła, np. lampa fluorescencyjna. W zależności od wielkości 
panelu  LCD  liczba  lamp  fluorescencyjnych  waha  się  od  dwóch,  w  małych  monitorach 
piętnastocalowych,  do  ośmiu  w  wyświetlaczach  20-21-calowych.  W  coraz  popularniejszych 
panelach  siedemnastocalowych  montuje  się  zazwyczaj  cztery  lampy  fluorescencyjne,  które 
podświetlają matrycę LCD. Światło oświetlające panel od tyłu przechodzi najpierw przez tzw. 
dyfuzor, który zapewnia  równomierną jasność na  całej powierzchni wyświetlacza. Następnie 
ś

wiatło  przechodzi  przez  pierwszy  filtr  polaryzacyjny,  zespół  przezroczystych  elektrod 

sterujących  ułożeniem  cząsteczek  ciekłego  kryształu  oraz  warstwę  orientującą,  która  ma  za 
zadanie  ustawić  molekuły  ciekłego  kryształu  w  odpowiednim  (tzw.  spoczynkowym) 
położeniu. Znajdująca się bezpośrednio dalej warstwa ciekłego kryształu (np. bifenylu) skręca 
o 90° płaszczyznę polaryzacji światła.  

Ciekły  kryształ  (LC)  jest  substancją  organiczną  o  ciekłej  formie  i  krystalicznej  strukturze 
molekularnej.  Cząsteczki  w  kształcie  pręcików  (  rysunek  2)  normalnie  są  ustawione  w 
równoległych  rzędach.  Do  sterowania  nimi  używane  jest  pole  elektryczne.  W  zależności  od 
tego  czy  występuje  napięcie  prądu  lub  jego  braku  cząsteczki  kryształu  odpowiednio  się 
ustawiają,  co  powoduje  zmianę  polaryzacji  padającego  na  nią  światła  (odpowiednio  skręca 

background image

A. Myśliński – materiały pomocnicze do wykładu ASK 
 

 

11

początkową płaszczyznę polaryzacji światła lub pozostawić ją bez zmian).  

Aby  "pałeczkowate"  cząsteczki  ciekłego  kryształu  spowodowały  skręcanie  polaryzacji 
ś

wiatła,  muszą  zostać  najpierw  w  procesie  produkcyjnym  odpowiednio  przygotowane  - 

zorientowane  w  przestrzeni.  Substancję  ciekłokrystaliczną  umieszcza  się  w  kilku  milionach 
pojedynczych, niezależnych komórkach, tworzących łącznie matrycę pikseli np. o rozmiarach 
1024×768  punktów.  Wewnątrz  każdej  komórki  długie  "pałeczkowate"  molekuły  (rysunek  2) 
muszą  zostać  odpowiednio  ułożone.  Do  tego  celu  służą  tzw.  warstwy  orientujące.  W 
zależności  od  typu  wyświetlacza  LCD  i  technologii  jego  wykonania  wymuszają  one  albo 
równoległe,  albo  prostopadłe  w  stosunku  do  płaszczyzny  ekranu  położenie  cząsteczek. 
Wyświetlacze  ciekłokrystaliczne  wykorzystują  oba  aspekty  materii,  z  której  są  zbudowane: 
"ciekłość" i "kryształowość". Są ruchome - jak ciecze (przy odpowiedniej temperaturze), a ich 
molekuły układają się w tym samym kierunku - jak w kryształach.  

Są  również  podatne  na  pola  elektromagnetyczne,  które  powodują  ich  przewidywalne 
pozycjonowanie.  Ciekłe  kryształy  przewodzą  światło  w  jednym  kierunku,  co  sprawia,  że 
idealnie nadają się na wyświetlacze.  

Ś

wiatło  po  przejściu  przez  ciekły  kryształ  napotyka  na  swojej  drodze  drugi  filtr 

polaryzacyjny.  W  zależności  od  kąta  padania  światła  w  stosunku  do  osi  polaryzacji  filtra 
ś

wiatło wydostaje się z panela LCD, a użytkownik widzi jasny punkt na ekranie.  

Kolorowe  wyświetlacze  mają  dodatkową  warstwę,  w  skład  której  wchodzą  barwne  filtry  w 
trzech  kolorach  podstawowych:  czerwonym,  zielonym  lub  niebieskim  (RGB).  Każdej 
komórce  ekranu  odpowiadają  trzy  subpiksele  (zgrupowane  po  trzy  tworzą  jeden  punkt  - 
piksel),  każdemu  subpikselowi  przyporządkowany  jest  jeden  taki  filtr,  a  jak  wiadomo,  za 
pomocą  trzech  różnobarwnych  komórek  można  uzyskać  dowolny  kolor  piksela.  Taka  prosta 
konstrukcja  jest  wykorzystywana  zarówno  w  wyświetlaczach  DSTN  (Dual  Scan  Twisted 
Nematic) stosowanych w najtańszych wyświetlaczach LCD, jak i w pierwszej generacji paneli 
TFT (Thin Film Transistor).  

background image

A. Myśliński – materiały pomocnicze do wykładu ASK 
 

 

12

 

5.3 Inne typy monitorów  
 
5.3.1 Monitory plazmowe  

 

 

5.3.2 Monitory LED i OLED 

background image

A. Myśliński – materiały pomocnicze do wykładu ASK 
 

 

13

 

5.3.3 Monitor ThinCRT  

 

 

 
6. Akceleratory graficzne  
 

Akcelerator  graficzny 

(ang.  graphic  accelerator)  —  specjalizowany  układ  karty  graficznej, 

przyśpieszający  tworzenie  grafiki  płaskiej  (dwuwymiarowej,  2D)  lub  pseudo  przestrzennej 
(trójwymiarowej,  3D).  Najczęściej  przyśpieszane  operacje  graficzne  to  np.  wypełnianie 
obszaru jednolitym kolorem lub kopiowanie fragmentu obrazu w inne miejsce. 
 
 
Literatura:  
 
1)

 

S.H.A. Clarke, W sercu PC, Helion, Gliwice, 2003.  

background image

A. Myśliński – materiały pomocnicze do wykładu ASK 
 

 

14

2)

 

R.H.  Chen,  Liquid  Crystal  Displays:  Fundamental  Physics  and  Technology,  Wiley, 
2011.  

3)

 

R. Cohn, J. Russell, Video Cards, VSD, 2012.  

4)

 

A. Kwaśny, Od skanera do drukarki, Helion, Gliwice, 2000.  

5)

 

J.  Matulewski,  T.  Dzibak,  M.  Sylwestrzak,  R.  Płoszajczak,  Grafika.  Fizyka.  Metody 
numeryczne. Symulacje fizyczne z wizualizacją 3D, PWN, Warszawa, 2010.