docComputergraphik I Inhalt – Lernziele 4. Eingabegeräte
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Computergraphik I Inhalt – Lernziele 4. Eingabegeräte
Inhalt – Lernziele Datenfluß Datenflußin inder der Computergraphik Computergraphikund undbei bei der derBilderzeugung Bilderzeugungverstehen verstehen Typische TypischeEingabegeräte Eingabegeräteund und deren derenFunktionalität Funktionalitätkennen kennen Typische TypischeAusgabegeräte Ausgabegeräteund und deren derenFunktionalität Funktionalitätkennen kennen Aufbau Aufbauund undFunktionen Funktionender der Graphikkarte Graphikkartekennen kennen 1. 1.Prozeß Prozeßder derBildentstehung Bildentstehung 2. 2.Graphik-System Graphik-System 3. Graphik-Hardware 3. Graphik-Hardware 4. 4.Eingabegeräte Eingabegeräte Scanner Scanner Joystick Joystick Trackball/Maus Trackball/Maus Computergraphik I 5. 5.Ausgabegeräte Ausgabegeräte Drucker Drucker Tintenstrahldrucker Tintenstrahldrucker Laserdrucker Laserdrucker Dr. Marcel Götze Monitor Monitor Aufbau Aufbau CRT-Monitore CRT-Monitore Plasmadisplays Plasmadisplays LC-Displays LC-Displays Vorlesung von Dr. Stefan Schlechtweg Sommersemester 2007 6. 6.Graphikkarten Graphikkarten 7. 7.Graphikprozessoren Graphikprozessoren Vertex-Shader Vertex-Shader Pixel-Shader Pixel-Shader Graphikhardware 2 1. Prozeß der Bildgenerierung Modell 3D-Geometrien Transformationen Materialeigenschaften Lichtquellen Beobachter 2. Graphik-System Geometrie-Subsystem Vereinf. Repräsentation Eingefärbte Polygone, Strecken, Punkte Beobachter-orientiert Benutzerinteraktion Prozessor Framebuffer Raster-Subsystem 2D-Rasterbild Graphik-Hardware 3. 3 Scanner Datentablett 3D-Scanner 3D-Digitalisierer Computer (Graphikkarte) Framebuffer: Teil des VideoRAM von Computern, Bildspeicher, enthält digitale Kopie des Monitorbildes, 4 4. Eingabegeräte Graphik-Hardware (Peripheriegeräte) Eingabegeräte Speicher Signale aus der Umgebung müssen in Daten umgewandelt werden, die der Computer versteht Dabei typischerweise Analog-DigitalWandlung Häufige Eingabegeräte Ausgabegeräte Monitor (Raster / Vektor) Plotter Drucker – – – – – – Interaktionsgeräte Joystick Trackball / Maus 3D-Maus Datenhandschuh Datenanzug ... 5 Scanner Kameras Tastatur Maus Bewegungssensoren … 6 4. Eingabegeräte 4. Eingabegeräte 4.1. Scanner 4.1.1. Trommelscanner 4.1. Scanner Eingabe von Bild-Daten dabei Analog-Digital-Wandlung Arten von Scannern: http://www.scp.de/scanner_tr ommel_d.0.html – high-end Trommelscanner, auch für reflektierende Bilder und Folien, 35mm Dia bis hin zu 16ft x 20in Material, hohe Auflösung (10,000dpi+) – Dokumentscanner, für OCR und document management – Flachbettscanner – Folien-/Diascanner mit Durchlicht – Handscanner 7 4. Eingabegeräte © D. Jackèl, Uni Rostock 8 4. Eingabegeräte 4.1. Scanner 4.1.2. Flachbettscanner 4.2. Joystick digital: – Schaltkontakte je Richtung – keine Feststellung der Druckstärke analog – Potentiometer – Messung • Ausrichtungswinkel • Druckstärke • Beschleunigung oft ForceFeedback © D. Jackèl, Uni Rostock © D. Jackèl, Uni Rostock 9 4. Eingabegeräte 10 4. Eingabegeräte 4.2. Trackball/Maus (mechanisch) 4.3. Trackball/Maus (optisch) © D. Jackèl, Uni Rostock Funktionsprinzip Abhängig von der RotationsRichtung treibt ein Gummiball zwei Lochrasterscheiben an, die im Winkel von 90 Grad versetzt angeordnet sind. Die Lochrasterscheiben wirken als Unterbrecher zweier Lichtschranken und erzeugen Spannungsimpulse. Zwei Zähler registrieren die Anzahl dieser Impulse und bestimmen damit die relative Änderung der BildschirmCursor-Position. (Die Maus funktioniert in der gleichen Weise). 11 Bewegliche Teile (Kugel, ...) durch einen optischen Sensor (CMOS) und einen Digitalen Signalprozessor (DSP) ersetzt Infrarot-Sensor emittiert rotes Licht unter die Maus und nimmt 1500 mal pro Sekunde ein hochaufgelöstes Bild auf. Bilder dann durch den DSP verglichen und in Bewegungen des Cursors umgesetzt image correlation processing mit 18 MIPS Vorteile – sanftere, genauere Bewegung – weniger anfällig gegenüber Verschmutzung – funktioniert auf fast allen Oberflächen 12 4. Eingabegeräte 5. Ausgabegeräte 4.4. Graphiktablett Stifteingabegerät für Graphikanwendungen Stift wird auf Tablett bewegt Tablett ermittelt Positionsdaten – – – – Dienen der Darstellung der Informationen in einer Form, die der Mensch verarbeiten kann Typische Ausgabegeräte Induktiv Stift erzeugt Magnetfeld Je nach Stärke wird Position durch Tablett ermittelt und An Rechner übermittelt Stiftstromversorgung: – Monitore – Drucker – Aktiv: Batterie oder Kabel – Passiv: Induktion Oft drucksensitiv Positionierung absolut Oft Kombination mit Display → TabletPC 13 14 5. Ausgabegeräte 5. Ausgabegeräte 5.1. Drucker 5.1.1. Tintenstrahldrucker 5.1. Drucker Tinte wird durch feine Düsen aufs Papier „gespritzt“. Funktionsprinzipien: Ausgabe von Text- und Bild-Daten auf Papier verschiedene Drucktechnologien → unterschiedliche Qualität der Ausgabe, unterschiedliche Anwendungs-bereiche heute gebräuchlich: – continuous flow: Tinte fließt ununterbrochen, wenn kein Bildpunkt erzeugt werden soll, wird der Tintenstrahl in eine Ablenkschale geleitet – Drop on demand: Tinte fließt nur, wenn ein Bildpunkt zu erzeugen ist – Nadeldrucker – Tintenstrahldrucker – Laserdrucker • Bubble Jet: Die sich in der Druckerdüse befindliche Tinte wird kurzzeitig stark erhitzt. Die Tinte verdampft lokal und bilder eine Gasblase, die die Tinte, die sich in der Düse befindet auf das Papier „schießt“. Wird das Heizelement abgeschaltet, schrumpft die Blase, es entsteht ein Unterdruck und Tinte wird aus dem Vorratsbehälter in den Druckkopf gesaugt. 15 5. Ausgabegeräte 16 5. Ausgabegeräte 5.1. Drucker 5.1.1. Tintenstrahldrucker 5.1. Drucker 5.1.2. Laserdrucker rotierende Trommel negativ geladen Laserstrahl baut beim Auftreffen die negative Ladung ab Toner (negativ geladen) kann nur an den entladenen Stellen haften Papier positiv geladen, Übertragung des Toners von der Trommel auf das Papier Toner durch Hitze (180°) und Druck auf dem Papier fixiert • piezoelektrisch: Tintenaustritt wird durch mechanische Verformung eines piezoelektrischen Wandlers erzwungen. Funktionsweise entspricht ansonsten dem eines Bubble Jet Druckers. © D. Jackèl, Uni Rostock 17 © D. Jackèl, Uni Rostock 18 5. Ausgabegeräte 5. Ausgabegeräte 5.1. Drucker 5.1.2. Laserdrucker 5.2. Monitore (Datensichtgeräte) Erweitern auf 4-Farb-Druck mit Cyan, Magenta, Yellow, Black Aufbringen der Farbauszüge nacheinander direkt auf das Papier oder nacheionander auf ein Zwischen-medium und dann gemeinsam auf das Papier historisch: Vektorbildschirme – 1950 Whirlwind Radar, Spiele bis Mitte 1980er Jahre Langsam veraltet: Kathodenstrahlröhren-Monitore (CRT) – übliche Auflösungen 640×480 bis 1600×1200 und größer – Monochrom-Monitore nur noch selten – üblich: 16bit oder 32bit Farbtiefe Standard heute: LCD- bzw. TFT-Displays Plasmadisplays für Spezialanwendungen und große Displayflächen 19 5. Ausgabegeräte 5. Ausgabegeräte 5.2. Monitore (Datensichtgeräte) 5.2.1. Funktionsweise (Rastermonitor) © D. Jackèl, Uni Rostock 20 5.2. Monitore (Datensichtgeräte) 5.2.2. Funktionsweise (Vektormonitor) 21 5. Ausgabegeräte © D. Jackèl, Uni Rostock 22 5. Ausgabegeräte 5.2. Monitore (Datensichtgeräte) 5.2.3. Aufbau Kathodenstrahlröhre 5.2. Monitore (Datensichtgeräte) 5.2.3. Aufbau Kathodenstrahlröhre (Delta-Bildröhre) © D. Jackèl, Uni Rostock © D. Jackèl, Uni Rostock 23 24 5. Ausgabegeräte 5. Ausgabegeräte 5.2. Monitore (Datensichtgeräte) 5.2.3. Aufbau Kathodenstrahlröhre (Trinitron-Bildröhre) 5.2. Monitore (Datensichtgeräte) 5.2.4. Vor-/Nachteile CRT-Displays Vorteile: – hohe Auflösung, – volle Farbtüchtigkeit, sehr guter Kontrast – niedriger Preis bei hoher Zuverlässigkeit. Nachteile: – – – – – © D. Jackèl, Uni Rostock schwer, sperrig hohe Leistungsaufnahme Flimmernd, verzerrend Analogtechnik Röntgenstrahlung 25 5. Ausgabegeräte 26 5. Ausgabegeräte 5.2. Monitore (Datensichtgeräte) 5.2.5. Plasmadisplays 5.2. Monitore (Datensichtgeräte) 5.2.6. Flüssigkristallanzeige (LCD) Grundlagen Flüssigkristalle: Wirkprinzip: Anlegen einer Hochspannung an ein Gas mit niedrigem Druck erzeugt Licht Plasmadisplay: Matrix kleiner „Leuchtzellen“ Anlegen einer Spannung: Ionisieren des Gases (Übergang zu Plasma) UV-Licht wird emittiert, bringt Phosphorschicht zum Leuchten Jede Zelle hat drei „Subzellen“ (RGB) – – – – 1888 vom Physiker Reinitzer entdeckt Organischen Moleküle mit Orientierungsordnung Form ist langgestreckt oder scheibenförmig Achsen sind einheitlich ausgerichtet. Einteilung der Flüssigkristalle je nach Ausrichtung: – nematische – smekmatische – cholesterinische fadenförmig schichtenförmig wendelförmig 27 5. Ausgabegeräte 5. Ausgabegeräte 5.2. Monitore (Datensichtgeräte) 5.2.6. Flüssigkristallanzeige (LCD) 5.2. Monitore (Datensichtgeräte) 5.2.6. Flüssigkristallanzeige (LCD) Aufbau Funktionsweise: – Verdrillter nematischer Flüssigkeitskristall (twisted nematic cells) – Zwei parallele Glasplatten, Abstand von 5-10 mm – Ausrichtung der Moleküle ohne angelegtes elektrisches Feld durch mikroskopisch feine Längsriffelung der Glasplatten – Glasplatten sind mit einem feinen Elektrodenmaterial bedampft • Material ist durchsichtig und leitend • Indiumzinnoxid (ITO indium tin oxide) 28 – unterschiedliche Menge der weißen Hintergrundbeleuchtung wird von einen aktiven Filter „durchgelassen“ – Farbe (RGB) durch Farbfilter – Ausrichtung der Moleküle ohne Spannung entlang der Rillen entsprechend den Polfiltern, Licht wird entlang der Moleküle „gedreht“, und daher durchgelassen – Bei angelegter Spannung wird Licht nicht „gedreht“ und aufgrund der Polfilter blockiert 29 30 5. Ausgabegeräte 5. Ausgabegeräte 5.2. Monitore (Datensichtgeräte) 5.2.6. Flüssigkristallanzeige (LCD) 5.2. Monitore (Datensichtgeräte) 5.2.6. Flüssigkristallanzeige (LCD) Vorteile – – – – – – Geringe Leistungsaufnahme, niedrige Betriebsspannung Flimmerfrei gute Kontrastwerte Digital Leicht, klein, notwendig für mobile Geräte Nachteile – – – – passive Arbeitsweise zusätzliche LQ sind für Farbe nötig. Geringer Betrachtungsbereich aufwendige Herstellung, teuer 31 5. Ausgabegeräte 32 6. Graphikkarten 5.2. Monitore (Datensichtgeräte) 5.2.6. weitere Möglichkeiten Videoprojektoren (Beamer) – verschiedene Techniken OLED (Organic Light-Emitting Diode) – organischer Halbleiter 3D Monitore E-Paper – papierähnlicher Kunststoff, elektrisch leitend, – Beschichtung e-Ink, elektrisch veränderbare Pigmente 33 34 6. Graphikkarten 6. Graphikkarten Hauptproblem bei den alten VGA-Systemen: Geschwindigkeit Videospeicher – CPU mußte die Graphikberechnungen durchführen – hoher Datentransfer über den Bus zur Graphikkarte – Speicherarchitektur (DRAM): kein gleichzeitiger Lese- und Schreibzugriff, d.h. RAMDAC mußte mit dem Auslesen warten, wenn die CPU in den Speicher geschrieben hat und umgekehrt Lösung: Einführen spezieller GPUs auf modernen Graphikkarten – CPU schickt Zeichenbefehle, GPU berechnet die Pixel und damit den Inhalt des Bildspeichers – GPU schneller, entlastet die CPU – Weniger Datentransfer auf dem Systembus 35 – =Framebuffer, üblicherweise auf der Graphikkarte platziert – neue Speichertechnologien können eingesetzt werden, die die Nachteile des „normalen“ Hauptspeichers umgehen: • VRAM (Video RAM): gleichzeitige Lese- und Schreibzugriffe, weniger häufiger Refresh • EDO RAM: höhere Bandbreite, höhere Taktung • ... – Information im Framebuffer: Bitmap, die dann auf den Bildschirm übertragen wird – Gesonderte Speicherung der drei Grundfarben R, G, B oder Arbeit mit Farbpaletten – Nicht genutzte Speicherbereiche werden auf modernen Karten als Cache oder Sonderspeicher verwendet. 36 6. Graphikkarten 6. Graphikkarten RAMDAC 3D-Beschleunigung – – – – – – Random Access Memory Digital Analog Converter Liest den Inhalt des Framebuffers Konvertiert die digitalen Informationen in analoge Signale Sendet die Signale an den Monitor ein DAC für jede der drei Grundfarben Konvertierung: Nutzung einer Lookup-Tabelle, die die digitalen Signale in Spannungslevel übersetzt – RAMDAC „diktiert“ Refresh-Raten und Anzahl der verfügbaren Farben – im Prinzip: Übernahme weiterer Berechnungen durch den Graphikchip, um die CPU zu entlasten • Transformationen • Beleuchtung • Texturierung – Die neueste Generation vom Graphikkarten erlaubt eine freie Programmierung der Rendering-Pipeline 37 • Pixelshader • Vertexshader • Multitexturing (z.B. Detailmapping) • ... 38 7. Graphikprozessoren 7. Graphikprozessoren 7.1. Graphikprozessor und seine Umgebung Grafikprozessoren sehr komplexe Chips Transistoranzahl höher als bei modernen CPUs CPUs bestehen zudem zu großem Teil aus internen Cachespeichern Grafik-Chips Transistoren (Mio) Nvidia NV30 125 ATI R300 107 CPUs Intel Pentium 4 (Northwood) 55 AMD Athlon XP (Thoroughbred) 37,5 39 7. Graphikprozessoren 7. Graphikprozessoren 7.2. Vertex-Shader 7.3. Pixel-Shader Programme die auf den Eingabevertices ausgeführt werden Ersetzen “normale” (fixed function) Transformation und Beleuchtung der Vertices Erzeugen von Spezialeffekten ohne die CPU zu belasten, z. B. Fisheye-Verzerrung 40 Programme die auf Pixeln (“Fragmenten”) ausgeführt werden Ersetzen oder ergänzen Texturierung Erzeugen von Spezialeffekten ohne die CPU zu belasten, z. B. generierte Bumpmap Wellen-Verzerrungen 41 prozedurale Textur 42 Video: „Locomotion“ 1989 Pacific Data Images (PDI) – Gegründet 1980 – Zunächst Fernsehen, Werbung, Musikvideos (u.a. Michael Jackson „Black and White“) – Spezialgebiet dann: Morphing in Filmproduktionen wie Batman Forever, The Arrival, Terminator 2, The Abyss, … – 2000 Vereiningung mit Dreamworks zu PDI/Dreamworks – 2001: Shrek 43
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