Test & techniek

Kijk toch eens! (Deel 1)

Ik zie — dus heb ik een notebook met een videosubsysteem in het bezit. Dit bijzonder complexe systeem binnenin de notebook zorgt er namelijk voor dat er op het liquid crystal display ook werkelijk beeld verschijnt. Het klinkt simpel, maar toch is het een technisch meesterwerkje, dat we in twee delen uitgebreid en goed willen uitleggen.

Jörg Wester

ATI’s Rage Mobility M1 heeft 8 MB SDRAM op zijn board  geïntegreerd. Het model ‘M’  heeft 4 MB, model ‘P’ heeft extern  videogeheugen nodig, dat de notebook- fabrikant op het moederbord zet. Een 64 bit  bus verbindt de (vierkante) controller uit  ATI’s fabricage met de vier  (rechthoekige) SDRAM-modules.

De taken van het videosubsysteem
Rendering	Renderen = maken. In dit verband wordt de berekening van 3D-scènes bedoeld, waarbij de grafische controller van verlichting, nevel, schaduw, texturen etc. een tweedimensionale projectie van een driedimensionale scène maakt.
Dithering	Dient voor de schijnbare verhoging van het aantal kleurgradaties, doordat primaire kleuren zo op een klein pixelblok worden verdeeld, dat het oog het als een tussenkleur waarneemt.
Setup-engine	Aanduiding voor dat deel van de grafische controller, dat het ‘draadmodel’ van een 3D-scène berekent.
Trilineair filteren	Verhindert bij de beelduitvoer de trapvorming van schuin lopende lijnen/texturen op de rechthoekmatrix van de display.
Anti-aliasing	Randen worden gladgestreken door fijne kleurschakeringen.
SBS	Side Band Signaling, een technologie die bij de AGP wordt gebruikt en de doorvoer op de AGP verhoogt: extra besturingslijnen zorgen ervoor dat de stuursignalen niet via de datalijnen geleid hoeven te worden. Hiermee kan de grafische doorvoer ten alle tijde over de totale bandbreedte van het 32 bit datapad beschikken.
Anisotroop filteren	‘Levende’ texturen, bijvoorbeeld huid, dat al naargelang de beweging van een oppervlak meegevormd wordt.
Specular Lighting	Een verstrooide lichtreflectie, die op een glanzend (reflecterend) oppervlak valt.
Bump-mapping	Een textuur, die de illusie van een voelbare oppervlaktestructuur biedt (sinaasappel etc.)
Sprite-anti-aliasing	Anti-aliasing van een afgebakend object (sprites), b.v. 32 x 32 pixels, 256 x 256 pixels.
Diffuse shading	Shading beschrijft de structuur, in dit geval een diffuus, niet reflecterend oppervlak met schaduw- resp. kleurverloop. In plaats van een homogeen zwart vlak wordt de plaats waarop de schaduw valt, doorschijnend getekend.
Anisotrope filtering	Deze filtertechniek zorgt ervoor dat texturen ook onder scherpe kijkhoeken aanschouwelijk en teksten erop leesbaar blijven.
3D-alphablending	Alphablending maakt het mogelijk een attribuut zichtbaar, deels zichtbaar of onzichtbaar weer te geven.
Gammacorrectie	Past met een exponentiële functie de kathodestraal zo aan, dat een verdubbeling van de luminantie op het beeldscherm subjectief met de verdubbeling van de helderheidsgewaarwording van het menselijke oog overeenkomt.
Vertex- en table-fog	Afstandsafhankelijk neveleffect aan de hand van een tabel of aan de hand van afzonderlijke elementen (vertex) van een polygoon.
Reflectie- en environment-mapping	Beschrijving van de oppervlaktestructuur. Het hangt hiervan af hoe licht gereflecteerd wordt, of andere objecten worden gespiegeld of juist een schaduw werpen.
Textuur-morphing	Verandering met vloeiende overgangen tussen twee texturen.
Adaptieve flikkerfilters	Het filteren van de twee halve deelbeelden van een PAL- of NTSC-televisiebeeld.
Tweevoudige oversampling	Twee naast elkaar gelegen pixels worden door het vaststellen van een gemiddelde tot een pixel samengevat. Is nodig bij de vergelijking van gegevens.
Verticale over- en underscan-filters	Filtering (scalering), die een passende weergave mogelijk maakt. Overscan is de gebruikelijke weergave bij tv, d.w.z. bij een beeldvullende weergave zonder rand; underscan is een volledig beeld, maar met rand.

Als je je notebook inschakelt, zul je er waarschijnlijk niet lang bij stil staan dat de Windows-desktop na een paar seconden op je display verschijnt; begrijpelijk. Over dingen die vlekkeloos functioneren wordt maar zelden nagedacht. Maar toch: dat dit beeld daadwerkelijk op de LCD verschijnt, is een indrukwekkend technisch hoogstandje, dat ook voorwaarde is om de notebook te kunnen gebruiken.

We hebben het over het videosubsysteem en zijn gecompliceerde rekenprocessen binnen de behuizing van de notebook. Natuurlijk vinden we het fijn dat jullie dit allemaal als vanzelfsprekend ervaren, maar net als overal, kan ook hier gefundeerde achtergrond-kennis over het functioneren van dit systeem nuttig zijn. Zo kun je met die know-how bijvoorbeeld bij aankoop van je volgende notebook beter bepalen welke ‘plaatjesgenerator’ het apparaat moet bezitten.

ATI Technologies, Chips & Technologies (onderdeel van Intels afdeling voor grafische componenten), Trident Microsystems, NeoMagic Corporation en S3 zijn de toonaangevende fabrikanten van grafische chips voor notebooks.

Technisch gezien worden de videocapaciteiten van de notebook tot een van de onderdelen van het I/O-systeem — het in/uitvoer-systeem — gerekend. Ook de weergave van gegevens op het beeldscherm met behulp van het videosysteem behoort tot het uitvoerproces.

naar top

Het principe van beeldweergave

Chips & Technologies, een  dochteronderneming van Intel,  maakt een mobiele videoadapter  volgens de ‘Temporal Modulated  Energy Distribution (TMED)’  methode en zorgt voor True-color  beelden zonder dithering

Het principe van beeldweergave is op televisiebeeldschermen en op computermonitoren hetzelfde, of dat nou met behulp van kathodestraalbuizen of lcd’s is: de LCD-panels die in notebooks worden gebruikt, maken eveneens van een scantechniek gebruik. Maar in plaats van een elektronenstraal die over het scherm schiet, stuurt het videosubsysteem hier schakeltransistors aan. Deze zitten bij passieve matrix-displays aan de buitenste randen en sturen ieder een beeldlijn, respectievelijk kolom aan. Bij de actieve matrix displays zitten er drie van die schakeltransistors achter iedere pixel. Deze regelen de lichtdoorgang van elk gekleurd beeldpunt op het beeldoppervlak.

De pixels geven zelf echter geen licht. Integendeel, een lamp op de achtergrond verzorgt wit licht, dit licht gaat door filters in drie kleuren en wordt voor iedere afzonderlijke pixel op het beeldscherm getoond. Deze pixels worden door de transistors in- en uitgeschakeld.

naar top

Van DOS naar de 2D-versneller

Qua concept werkt een videosubsysteem tamelijk eenvoudig: de processor van de notebook geeft aan het systeem door wat het ‘weer moet geven’. Het videosubsysteem berekent vervolgens welke pixels op het beeldscherm moeten oplichten, met welke helderheid en in welke kleuren ze weergegeven moeten worden.

Hiervoor zijn veel berekeningen nodig, die in vroegere notebooks en desktops nog voor het grootste deel door de processor moesten worden uitgevoerd. Toen het op tekst georiënteerde DOS echter op grote schaal plaatsmaakte voor Windows, een grafisch gebaseerde weergave, werd de processor door het aantal grafische handelingen overbelast, waardoor hij in het begin bij het afhandelen van zijn eigenlijke taken werd afgeremd.

Om de processor te ontlasten, moesten de beelden op een nieuwe manier worden berekend — de ontwikkelaars kwamen met de ‘grafische versneller’. Deze aanpak integreert een speciale processor in de chipset van het videosysteem, die alle berekeningen doorvoert en hiervoor gebruik kan maken van een eigen geheugen.

Zonder de 2D-versnellers zouden grafische gebruikersinterfaces als Windows, MacOS en OS/2 wel in kunnen pakken, omdat de processor dan alle berekeningen zou moeten uitvoeren. Voorbeeld: als er een dialoogvenster wordt geopend moet het besturingssysteem ervoor zorgen dat de grafische informatie die op deze plek staat, dus de desktop of het venster van de actieve applicatie, ergens wordt opgeslagen om na het sluiten van het dialoogvenster weer op dezelfde plaats te worden opgeborgen.

De CPU zou dit gedeelte dan uit het geheugen van de grafische kaart moeten lezen, naar het RAM schrijven en op deze plaats de nieuw geopende dialoogbox naar het geheugen van de grafische kaart schrijven. In plaats daarvan kan het besturingssysteem gewoon aan een 2D-grafische controller meedelen: “dialoogbox op plaats x, y met afmetingen a, b” en de grafische controller neemt het overige werk op zich.

Een ander voorbeeld voor 2D-versnelling: als een beeld niet in een venster past, moet het gedeelte dat daar buiten valt worden afgesneden (clipping). Via de software gaat dat als volgt: de CPU vergelijkt de lengte van iedere beeldlijn met de breedte van het venster, vult de beeldlijn in het venster tot aan de beeldrand met de pixels van het beeldbestand en kopieert de pixels die buiten het venster vallen naar een buffer (het volledige beeld blijft wel behouden voor het heen en weer schuiven - panning).

Een grafische controller neemt dit karwei niet alleen van de CPU over, maar doet dat ook nog eens een flink stuk sneller omdat het volgens een vast patroon gaat. Bovendien hoeven de gegevens, omdat ze in het lokale geheugen van de grafische kaart zitten, niet meer uit het werkgeheugen van de computer te worden gehaald — dat versnelt de beeldopbouw drastisch.

Het videosubsysteem bouwt het weer te geven beeld bit voor bit in het geheugen op (eigenlijk byte voor byte: bij high-color telkens twee, bij true-color telkens drie of vier bytes). Het videosysteem berekent voor iedere pixelpositie of er een pixel geactiveerd moet worden (van links boven op het beeldscherm naar rechts onder). Als dat het geval is, berekent het ook zijn kleur en helderheid. Als het hele beeld is opgebouwd, draagt het videosysteem deze kopie bit voor bit uit het videogeheugen aan de schakeling over, die het beeldscherm stuurt. In het geval van de kathodestraalmonitor is dat een RAMDAC (RAM = Random Access Memory, DAC = Digital Analog Convertor). Het converteert het beeld in het geheugen naar een analoog VGA-signaal.

Bij de buismonitor is de helderheid afhankelijk van de sterkte van de elektronenstraal. Iedere pixel van een LCD heeft daarentegen maar twee waardes, aan of uit, daarom wordt de helderheid pulserend geregeld. De transistor schakelt een aantal maal per seconde — te snel voor de waarneming van het oog — de pixel aan en uit. Als de pixel meer licht moet afgeven, wordt de aan-impuls langer dan de uit-impuls; bij een donkerdere pixel is de uit-impuls logischerwijze langer. Het beeld wordt meerdere keren per seconde opgebouwd. De frequentie waarmee dit gebeurt wordt aangeduid als refreshrate en opgegeven in hertz of Hz. In het videogeheugen wordt telkens de snelste RAM-techniek ingezet, die op dat moment beschikbaar is. Tegenwoordig is dat SDRAM of SGRAM (Synchronous Graphics Random Access Memory). SGRAM voor de video-controller heeft twee lijnen om te schrijven en te lezen, zodat de beeldinformatie al naar het RAM geschreven kan worden, hoewel het voorgaande beeld nog wordt uitgelezen.

naar top

Fascinerend: 3D

Het functionele samenspel van de componenten van de  grafische controller Rage Mobility  M1 van ATI is typisch voor huidige  grafische controllers die in notebooks  worden ingezet. Powermanagement  mag hier niet ontbreken.

Of het allemaal nog niet gecompliceerd genoeg lijkt, moet er ook nog met drie andere dingen rekening worden gehouden. Ten eerste wordt het beeld een paar keer per seconde opgebouwd en ten tweede moet, als er videofilms op het beeldscherm worden weergegeven, ieder beeld geheel opnieuw worden berekend en opgebouwd. Ten derde is het zojuist beschreven proces alleen van toepassing op tweedimensionale weergaven.

Als er een driedimensionaal beeld wordt weergegeven, zoals bij een spel of een hoogwaardige applicatie zoals CAD/ CAM, worden de zaken nog gecompliceerder. Bij dit type graphics moet ieder beeld in drie assen worden berekend; niet alleen horizontaal en verticaal. De beeldinformatie van de extra dimensie, de z-as, moet worden opgeslagen.

Driedimensionale grafische versnellers hebben een extreem complexe interne structuur. Ze hebben de taak, omvangrijke ruimtelijke scènes te berekenen en dan weer tweedimensionaal om te rekenen — er wordt immers op een plat vlak, de display, weergegeven. Als een object bijvoorbeeld bedekt wordt door een object dat daarvoor ligt, dan hoeven de pixels in het bedekte gedeelte helemaal niet te worden berekend.

Het wordt in 3D-grafische subsystemen aan de zogenaamde ‘grafische engine’ van de chipset overgelaten om dit vast te stellen. Deze bevat uitbreidingen, die snellere berekeningen en de rendering van de driehoeken en polygonen leveren, waaruit de gecompliceerde grafische structuren zijn samengesteld. Een 3D-scenario is dus samengesteld uit een aantal driedimensionale figuren, die op hun beurt uit veelhoeken (polygonen) bestaan, die wederom uit driehoeken zijn opgebouwd.

Om de verbazingwekkende levensechte indruk te realiseren, die typisch is voor 3D-graphics, is het belangrijk een scène goed te ‘belichten’. Als de zon bijvoorbeeld links boven staat, zullen de rechter zijden van het object in het donker liggen — en ook de schaduwen vallen naar rechts.

Er is een groot aantal berekeningen nodig als een scène met nevel of regen bedekt moet worden, omdat voor ieder pixel de transparantiegraad moet worden vastgesteld — het is immers niet helemaal bedekt, maar schijnt nog door. De pixels die verder naar achter in de scène liggen worden meer afgezwakt dan de pixels die verder naar voren liggen.

Complexe vormen worden vaak uit eenvoudigere basisvormen opgebouwd en vervolgens met een oppervlak of een patroon — in pc-termen zijn dat de zogenaamde texturen — overtrokken. De wereld bestaat immers niet uit gladde, eenkleurige oppervlakken, maar toont de toeschouwer een groot aantal structuren — van steen tot metaal, van rauhfaserbehang tot en met het schapenvel.

Hiervoor zijn textuurberekeningen nodig. Tijdens die berekeningen wordt informatie over de hoedanigheid van het oppervlak uitgewerkt en op een weer te geven object losgelaten, nadat dit werd getekend en opgeslagen. Hiervoor is echter veel videogeheugen nodig en notebooks moeten het vanwege energiebesparing met minder videogeheugen stellen dan de grafische controllers in desktop-computers.

naar top

Tot slot

De volgende keer zullen we op dit onderwerp verder gaan, we zullen dan het raffinement van de controllers, de RAM DAC, AGP en de PCI-bus bespreken.

naar top