Hardware y Software Gráfico
J.A. Gutierrez <spd@daphne.cps.unizar.es>
GIGA, http://giga.cps.unizar.es
Dispositivos gráficos de salida: Monitores
El tubo de rayos catódicos.
En el campo de la
informática gráfica se pueden encontrar diferentes dispositivos de salida;
desde los que permiten obtener representaciones en soporte físico (impresoras,
p.e.) hasta sofisticados sistemas de "inmersión" capaces de generar
todo un entorno de realidad virtual alrededor del usuario.
Por el momento nos
concentraremos en los dispositivos de salida a vídeo, por ser los mas comunes y
por constituir la base de otros muchos sistemas de visualización.
La tecnología en la que
aún están basados la mayor parte de los monitores es el tubo de rayos catódicos
(CRT); aunque parece estar siendo desplazada por la tecnología de cuarzo
líquido (LCD).
Un CRT básicamente consiste
en un tubo de vacío en cuyo interior un cátodo de metal calentado mediante un
filamento por el que circula corriente eléctrica. El calor propicia el
desprendimiento de electrones del cátodo; estos electrones, cargados
negativamente, atraviesan diferentes dispositivos de enfoque y aceleración, y
mediante los adecuados sistemas de control de deflexión son dirigidos a
diferentes puntos del otro externo del tubo. En este extremo se encuentra la
pantalla, recubierta internamente de fósforo, fósforo que al recibir el impacto
de los electrones absorbe su energía, transformándola parcialmente en calor y
utilizando el resto para elevar sus propios electrones a niveles superiores de
excitación. Poco tiempo después estos electrones "excitados" vuelven
a su estado original, desprendiendo el exceso de energía en forma de fotones;
que es lo que produce el punto de la imagen visible.
Así pues, este punto de
luz desaparece en el momento en que el fósforo vuelve a su estado de reposo; el
tiempo en que esto tarda en ocurrir define una de las propiedades mas
importantes para diferenciar entre dos fósforos: la persistencia, que se define
como el tiempo que tarda en disminuir la luz emitida por la pantalla a un
décimo de su intensidad inicial. Valores típicos son de 10 a 60 microsegundos.
Por lo tanto, si
deseamos mantener una imagen visible en el CRT deberemos re-generarla a una
velocidad superior a la que tarda en desaparecer de la pantalla. Los fósforos
de menor persistencia serán mas adecuados para animación; mientras que para
mostrar imágenes estáticas puede ser suficiente un monitor más
"lento".
Otra propiedad
importante de los tubos es su resolución, generalmente definida simplemente
como el máximo número de puntos luminosos que se pueden diferenciar. Dado que
la luminosidad de un punto decae desde el centro hacia su periferia, se
considera que dos puntos son diferentes cuando su separación es mayor del
diámetro en el que el punto tiene aproximadamente el 60% de la luminosidad del
centro del mismo. Es fácil encontrar monitores que soportan hasta 1280x1024; a
partir de esta resolución se suele hablar de sistemas de alta definición.
También caracteriza a un
tubo su "relación de aspecto", o relación entre la resolución horizontal
y la vertical. La mas frecuente es de 4:3, aunque empiezan a aparecer
relaciones "panorámicas" o 16:9, más apropiadas p.e. para cine en
alta definición.
Monitores de barrido.
En el tipo de monitor
con CRT más utilizado el haz de electrones recorre la punto por punto en
dirección longitudinal y línea por línea en dirección vertical, variando su
intensidad en cada punto de acuerdo con la luminosidad correspondiente al punto
de la imagen correspondiente que se pretende representar. La intensidad de cada
uno de estos puntos de imagen, conocidos como "pixels", debe estar
almacenada en la memoria del ordenador (a la memoria encargada de contener esta
información se le denomina búfer de pantalla o frame buffer); si p.e. para
representar la intensidad de un pixel se utilizan 24 bits, para una pantalla de
1024 x 1024 se necesitan 3 Mb de memoria.
La velocidad a que se
realiza este barrido (evidentemente, relacionada con la persistencia del
fósforo) suele darse como característica del monitor; tanto en la forma de
frecuencia de barrido vertical (para toda la imagen), que suele oscilar entre
los 50 y los 80 Hz y la frecuencia de barrido horizontal (para cada línea) que
suele ser del orden de los 40 KHz. Por lo general, una frecuencia mas alta, por
lo general, es conveniente para disminuir la fatiga visual, y necesaria cuando
se desea generar imágenes a gran velocidad (p.e. pares de imágenes
estereoscópicas en tiempo real a velocidades de refresco tales que el ojo no
distinga "parpadeos").
En algunos monitores realiza
el barrido vertical en dos fases, en la primera se recorren las líneas impares,
y en la segunda las pares. De esta forma se consigue una frecuencia aparente
doble de la real (aparente en el sentido de que cada imagen se genera en la
mitad de tiempo, aunque, evidentemente la imagen contenga la mitad de la
información de la real). Este sistema se utiliza en los televisores domésticos,
lo que puede aprovecharse también para conseguir una mayor suavidad en las
animaciones generadas por ordenador: Efectivamente, en lugar de generar una
imagen cada p.e. 1/60 segundo, se genera la mitad de la imagen cada 1/120
segundo, con lo que el tiempo de cálculo es el mismo y el movimiento más
continuo.
Monitores de trazado aleatorio o
vectoriales
En este sistema, actualmente
menos utilizado, el haz de electrones en lugar de recorrer la pantalla a base
de pixels, traza una serie de segmentos correspondientes a las líneas de la
imagen que se pretende representar.
Así, la imagen está
definida en memoria como una sucesión de instrucciones de trazado y movimiento
aleatorio; y esta serie de instrucciones son ejecutadas por el haz de
electrones un mínimo de 30 veces por segundo. Los sistemas vectoriales de alta
calidad pueden llegar a manejar imágenes con 100.000 líneas; cuando la imagen
tiene muy pocas líneas se introduce un retraso entre redibujados, ya que de
otra forma se podría llegar a quemar el fósforo.
Monitores CRT en color
Los monitores CRT en
color utilizan una combinación de fósforos que emiten luz con colores distintos,
colores básicos que combinados producen la sensación de los colores del
espectro que se deseen.
Estos monitores utiliza
principalmente la técnica de la "máscara de sombra". Partiendo de un
tubo con tres fósforos que emiten, para cada punto, luz roja, verde y azul, y
con tres cañones de electrones, los tres haces de electrones se enfocan y se
hacen coincidir sobre la máscara, que contiene una serie de orificios alineados
con los patrones de punto de fósforo. Cuando los tres haces pasan por un
orificio activan el triángulo correspondiente, que se ve como un punto de
color.
La intensidad de cada
haz se controla independientemente, y por lo general se considera que con una
resolución de 8 bits para cada uno (24 en total, por lo tanto), es decir, 256
niveles de voltaje por cañón para un total de 256 al cubo (16 Millones) de
colores, se obtiene "color real" (haciendo referencia a la
incapacidad del ojo humano de distinguir diferencias al aumentar la cantidad de
niveles por componente).
Monitores de cuarzo líquido (LCD)
Los monitores de cuarzo
líquido utilizan dos placas de cristal que contienen cada una un polarizador de
luz girado 90 grados una respecto a la otra. Estas placas prensan el cuarzo
liquido (con estructura cristalina, pero con moléculas capaces de fluir como en
estado líquido). En una de las placas se crean líneas verticales de conductores
transparentes, y en la otra, horizontales. La intersección de las líneas define
los pixels, de forma que cuando existe voltaje ambos conductores en ambos
conductores las moléculas se alinean y la luz que atraviesa el cristal no gira
y por lo tanto no atraviesa el segundo cristal.
Cuando la luz se genera
mediante un transistor en cada pixel, se habla de pantallas LCD de matriz
activa, siendo esta la tecnología más utilizada en la actualidad.
Aparte de eso, la
representación de la información es similar a la de los monitores CRT de
barrido: también se utiliza el bufer de pantalla con la imagen formada por
pixels.
Software de gráficos.
Introducción
Según se ha visto, por
lo general vamos a necesitar una representación gráfica consistente en un
conjunto de pixels a partir de una idea de más alto nivel; como pueda ser la
descripción de la gráfica en términos de líneas, arcos, colores etc. o incluso
en términos de objetos tridimensionales, puntos de vista e iluminación.
El como llegar de estas
descripciones de alto nivel al conjunto de pixels final es algo de lo que las
diferentes partes del sistema se deberán encargar; por lo general el
programador dispone de una serie de librerías de programación gráfica que le
permiten escribir aplicaciones sin tener que llegar a conocer en detalle el
hardware sobre el que se ejecutará su código, y sin tener que reescribir de
cero miles de procedimientos que, además, distan de ser triviales. Ejemplos de
estas librerías podrían ser OpenGL de SGI y Direct3D de Microsoft.
Por lo general, estas
librerías permiten trabajar creando estructuras en un sistema de coordenadas
local, integrar estas estructuras en una escena más compleja que utiliza un sistema
de coordenadas global o "de mundo". De algún modo, el software
transformará estas coordenadas a unas coordenadas de dispositivo normalizado
(independiente de las características físicas del dispositivo real) y en un
último paso estas se ajustarán al rango de salida del dispositivo final.
Los bloques de
construcción básicos que ofrece una librería se conocen como
"primitivas" y pueden incluir desde un mínimo de líneas, círculos,
caracteres, etc. en dos dimensiones hasta mallas de polígonos tridimensionales,
definiciones de luces, etc.
Trazado de líneas
En general, para obtener
la representación como mapa de pixels a partir de una línea en dos dimensiones
es necesario seleccionar las posiciones de la pantalla que pertenecen al
trazado de la línea. Dado que estas posiciones se corresponden a pixels
localizados en posiciones fijas enteras lo máximo que se podrá conseguir es una
aproximación a los valores redondeados de las coordenadas de la línea. Esta aproximación
por lo general producirá un efecto de "escalonamiento"; efecto que
puede amortiguarse ajustando la intensidad de los pixels a lo largo de la
línea, según ser verá.
Para el caso de una
línea recta, por ejemplo, definida mediante
y = m x + b
donde
Dy= ( y2 - y1 )
Dx = ( x2 - x1 )
m = Dy / Dx
b = y1 - m x1
el muestrear el segmento
en los valores de x correspondientes a los pixels (aumentos unitarios de x,
p.e., para valores de pendiente menor o igual que uno) basta con incrementar y
en la pendiente a cada paso.
Un problema matemático
tan simple se complica toda vez que deseamos evitar las operaciones en coma
flotante, computacionalmente mucho mas lentas que las operaciones con enteros.
Tanto para segmentos rectilineos como para otras primitivas Bresenham
desarrolló un algoritmo que permite determinar las coordenadas de los pixels
utilizando sólo cálculos incrementales con enteros.
Si partimos de un punto
intermedio (xk , yk), la coordenada y siguiente correspondiente
a xk+1 podrá corresponder o bien a yk o a yk+1
Las distancias de ambas
opciones a la línea real d1 y d2 vendrán dadas por
d1 = y - yk
= m (xk
+ 1) + b – yk
d2 = yk
+ 1 - y = yk + 1 – m
(xk + 1) – b
y
d1 - d2
= 2 m (xk + 1) – 2 yk + 2 b – 1
sustituyendo m por su
valor definiendo pk como:
pk = Dx ( d1 - d2 ) = 2 Dy xk - 2 Dx yk + 2 Dy + Dx ( 2b-1 )
pk = Dx ( d1 - d2 ) = 2 Dy xk - 2 Dx yk + c
donde hemos sustituido 2 Dy + Dx
( 2b-1 ) por c como
constante.
Aquí ya se ve que el
signo de pk indica si la distancia d1 es mayor o menor que d2,
y por tanto, si se habrá de elegir y k+1 o yk.
Desarrollando, se llega
a la expresión de pk+1 como
p k+1 = pk + 2 Dy - 2 Dx (y k+1 - yk)
donde (y k+1 - yk) solo puede valer 0 o 1 dependiendo del signo de pk; con lo que tenemos que el incremento
simplemente toma un valor constante u otro (y por lo tanto, se elige un valor
de y u otro) en función de la decisión anterior, partiendo de
p0 = 2 Dy - Dx
Antialiasing
Para reducir el efecto
de escalonamiento se suele recurrir, como ya se ha comentado, a variaciones en
la intensidad de los pixels a lo largo de la línea. La forma de determinar esa
intensidad, por lo general, se basa en un sobre-muestreo; es decir, se supone
cada pixel formado por una malla de subpixels, y la línea, se supone de grosor
finito de un pixel (por oposición a la línea ideal sin anchura). De esta forma
se puede calcular el grado de "cobertura" de cada pixel por parte de
la línea. Este cálculo se puede hacer por simple enumeración de subpixels por
los que pasa la línea, o bien dando más peso a los subpixels mas próximos al centro
del pixel. La forma de realizar esto último suele consistir en la aplicación de
una función de filtro simétrica tipo rectángulo, cono o campana de Gauss.
Otras primitivas.
Aparte del trazado de líneas,
otras primitivas importantes como conceptos pueden ser:
·
Caracteres
·
Transformaciones
(giros, escalas, distorsiones)
·
Atributos de
las primitivas (tipo de línea, color)
·
Llenado de
áreas, es decir, el considerar un área cerrada de un color sólido. Conviene
notar que algo que a primera vista puede parecer sencillo, como el llenar un
polígono de determinado color, en la practica resulta también complicado,
recurriéndose sobre todo a dos tipos de algoritmos:
1: Recorrido de todas las líneas de pixels de
la pantalla buscando intersecciones con los límites del polígono.
Esto suele conllevar abundantes cálculos.
2: Procedimientos recursivos a partir de un
punto. Se comienza en un punto y se repite a partir de todos sus vecinos a no
ser que se encuentre una condición de frontera.
·
Algoritmos de
recorte de líneas: Por lo general, una vez transformadas las coordenadas de las
líneas será necesario determinar que partes de las líneas son visibles dada una
ventana de visualización.
Primitivas 3D
Veamos algunas primitivas
típicas, en este caso de OpenGL, con objeto de tener una idea mas clara del
tipo de programación necesaria para trabajar con librerías gráficas.
Atributos de primitivas:
Tamaño de puntos - void glPointSize(GLfloat size)
Anchura de líneas - void glLineWidth(GLfloat width)
Modo de Polígonos -
glPolygonMode(GL_FRONT, GL_FILL)
glPolygonMode(GL_BACK, GL_LINE)
define que los polígonos seran "llenos" vistos por delante y formados por líneas ("huecos") por detrás.
Vértices:
Posición - void glVertex3dv( const GLdouble *v )
Normales - void glNormal3fv( const GLfloat *v )
Polígonos:
Por lo general se definen mediante secuencias de vértices, aunque lo mas utilizado con diferencia son simplemente los triángulos. De hecho por lo general cualquier primitiva 3D compleja es descompuesta en triángulos de forma transparente al programador.
Ejemplo de polígono:
glBegin (GL_POLYGON);
glNormal3fv(n0);
glVertex3fv(v0);
glNormal3fv(n1);
glVertex3fv(v1);
glNormal3fv(n2);
glVertex3fv(v2);
glNormal3fv(n3);
glVertex3fv(v3);
glEnd();
Aunque como hemos dicho
la descomposición puede ser realizada por el sistema, por lo general es mas
recomendable, desde el punto de vista de la eficiencia, que sea el programador
el que efectúe manualmente dicha descomposición; ya que por lo general llegara
a mejores resultados que una descomposición automática.
Transformaciones geométricas:
Como es sabido, todas
las operaciones de posicionado de primitivas en una escena, modificación de las
mismas y proyección sobre el plano se lleva a cabo mediante operaciones con
matrices; por lo que todas las librerías gráficas ofrecen facilidades para
trabajar con este tipo de datos. Conviene notar que todos los productos de
matrices se llevan a cabo internamente en la librería (o en el sistema gráfico,
en el caso más general), y por lo tanto los resultados numéricos no tienen por
que estar disponibles para el programador.
Ejemplos de estas
transformaciones son:
Matriz de rotación –
void glRotatef( GLfloat angle, GLfloat x, GLfloat y, GLfloat z )
Matriz de traslación –
void void glTranslatef( GLfloat x, GLfloat y, GLfloat z )
Matriz de escalado –
void glScalef( GLfloat x, GLfloat y, GLfloat z )
Matriz de proyección (perspectiva) –
void glFrustum( GLdouble left,
GLdouble right,
GLdouble bottom,
GLdouble top,
GLdouble near,
GLdouble far )
Otro tipo de primitivas
necesarias son las fuentes de luz:
void glLightfv(GLenum light, GLenum pname, TYPEparam);
donde se dispone de las
típicas fuentes ambientales (GL_AMBIENT), difusas (GL_DIFFUSE) y especulares
(GL_SPECULAR), así como luces tipo "spot" definidas por su cono
luminoso y las funciones de atenuación
con la distancia.
Controladores Gráficos y
Aceleradoras 3D
Conceptos
Si se piensa en la
cantidad de bits necesarios para describir la imagen de pixels, y que se debe
acceder a estos del orden de 60 veces por segundo, se comprende que el uso de
memoria convencional no es suficiente en cuanto a velocidad. Por esta razón se
utilizan dispositivos especiales con memoria dedicada al sistema de vídeo, y,
por lo general, con coprocesadores específicos dedicados a manejar estos datos;
descargando en lo posible a la unidad central de todo el proceso gráfico.
Por ejemplo, para el
caso de OpenGL, la librería puede estar implementada de forma que el propio
código de la librería (ejecutado en la CPU) realice todos los cálculos
necesarios, o simplemente puede consistir en una capa de enlace con los
coprocesadores de OpenGL capaces de interpretar directamente estas
instrucciones y realizar las operaciones en los procesadores diseñados a medida
a tal fin.
Curiosamente, con el
incremento de la capacidad de cálculo de CPU de los sistemas de hoy en día; en
algunos casos, sobre todo dependiendo del tamaño de los datos a manejar (es
decir, para volúmenes pequeños de datos) algunos sistemas sin coprocesadores
gráficos específicos puede resultar más rápida que otra que los tenga. Esto es
debido a que por lo general la CPU tiene que alimentar de comandos OpenGL
(simplificando, la geometría de la escena) al subsistema gráfico a través de
una "tubería", si la CPU tiene más capacidad de enviar información
que el acelerador de procesarla y así vaciar la tubería, la CPU pasa a modo de
espera, lo que causa que el proceso que esta en la CPU tenga que estar
continuamente parando y re-arrancando.
Veamos algunos conceptos
que necesarios para comprender como funcionan estos "coprocesadores"
o aceleradores gráficos:
Bufer de pantalla
Como se ha mencionado
anteriormente la información de cada imagen se almacena en memoria en forma de
matriz de pixels RGB. Esto significa que cada pixel tiene asignada en esa
matriz una cantidad de bits que en buena medida definirán las capacidades del
hardware gráfico.
Un sistema básico típico
de hoy en día asignará 8 bits para cada componente de color, dando así la
impresión de "color real" como ya se ha dicho anteriormente.
Ahora bien, en sistemas
con un mayor numero de bits por pixels, el sistema dispone de espacio
adicional, espacio que es posible utilizar para por ejemplo almacenar una
segunda imagen (casos de visión estereoscópica o animación por doble bufer),
mapas de profundidad o "Z bufer" o capas auxiliares (para detalles
auxiliares, como p.e. cursores)
Z Bufer
Es fácil encontrarse,
sobre todo en revistas sobre juegos, descripciones del Z Bufer como algo que
sigue la pista a cada polígono de la escena y es capaz de realizar
comparaciones sobre que polígonos están más próximos al observador, permitiendo
que no se dibujen los que están ocultos por otros.
Esta descripción es
incorrecta, ya que en realidad todo lo que hace el Z Bufer es comparaciones de
pixels. Para cada pixel de la pantalla podemos imaginar que trazamos un rayo
hacia la escena. Este rayo puede llegar al fondo o bien chocar con algún
polígono; en este caso el color del polígono será el que determine lo que se ve
en la pantalla.
El sistema gráfico
convierte cada polígono a medida que es definido a puntos; el punto se compara
con el valor correspondiente almacenado en el Z bufer, si resulta estar más
próximo su color pasa a ser el elegido, y el valor del Z Bufer se reemplaza con
su profundidad.
Conviene tener en cuenta
que las comparaciones serán más precisas cuantos mas bits se puedan utilizar
para codificar los valores de profundidad, por ejemplo, para escenas definidas
con precisión de milímetros en las que existen objetos distantes p.e. un
kilometro, no es suficiente con un Z Bufer de 16 bits, debiéndose recurrir al
menos a 32 bits.
Otro uso frecuente del Z Bufer es el
cálculo de mapas de profundidad a partir de una fuente luminosa local con
objeto de determinar que objetos quedan oscurecidos por la sombra arrojada por
objetos más próximos a la fuente luminosa.
Mapeado de texturas
Una forma muy común de
mejora la apariencia de una imagen sintética consiste en la aplicación de una
imagen real (fotográfica) sobre la superficie que se pretende representar.
Podemos pensar por ejemplo en la definición de una fachada de un edificio. El
modelo real debería incluir millones de polígonos para reflejar no solo la
complejidad del la geometría básica (portales, ventanas, etc.) si no todo tipo
de imperfecciones, abolladuras, etc.; por no mencionar la descripción precisa
de cada uno de los materiales. El reemplazar esto por un simple plano con la
foto de un edificio real pegada simplifica enormemente la escena, y los
resultados son por lo general muy buenos.
La forma de realizar
esta aplicación consiste en hacer corresponder a cada punto del polígono un
punto de la textura.
Hay varios puntos a
tener en cuenta: Este mapeado deberá realizarse de forma que se mantenga la
continuidad entre polígonos adyacentes. De otra forma se pierde la sensación de
realismo.
Al aplicar la textura,
no basta una simple aplicación lineal, ya que debe tenerse en cuenta la
corrección debida a la perspectiva.
El tamaño de la textura
será un compromiso entre la calidad de imagen deseada y la memoria disponible
para almacenarla. Dado que el acceso a los datos de la(s) texturas es continuo,
estas deberán estar almacenadas por lo general, en memoria rápida especialmente
destinada a tal fin.
Sombreado (Plano, Gouraud, Phong)
Como es bien sabido, en
aplicaciones de tiempo real la iluminación se calcula en los vértices de cada
polígono, debiendo determinarse la iluminación correspondiente a los puntos del
interior del mismo mediante técnicas de interpolación más o menos complejas.
El caso de la no
interpolación (sombreado plano) se corresponde a las hipótesis de que la luz
está a distancia infinita, el observador también, y que los polígonos pretenden
ser realmente polígonos planos, no una aproximación a superficies mas
complejas. Esto por lo general da unos resultados bastante pobres.
Gouraud mejora la cuestión
utilizando las normales, que deben estar definidas en cada vértice, para
determinar la intensidad de la iluminación en cada vértice, y esta se interpola
a lo largo de las aristas, y luego a lo largo de cada línea representada del
polígono. Ofrece resultados visualmente convincentes, pero no estrictamente
correctos.
Phong interpola las
normales, con lo que los resultados son mucho mejores, pero mucho mas costosos
en cuanto a cálculo también. Por otra parte, el uso de texturas disminuye la
necesidad de tanta precisión, por lo que no es frecuente que el acelerador lo
incluya.
Antialiasing (en 3D)
La idea es la misma que
la vista para líneas en 2D: evitar que las aristas proyectadas presenten
"escalones". El efecto de aliasing es incluso peor en animaciones,
dado que mínimos cambios de posición pueden determinar efectos de aliasing
totalmente distintos, lo que produce la sensación de que "algo se
mueve" en los bordes de los objetos.
Un método primitivo
consiste en procesar la imagen final ya proyectada y examinar los pixels,
suavizando las diferencias entre pixels adyacentes. Es simple y rápido.
En un método mucho más
costoso se tomarán varias muestras (el concepto de "sub-pixels" otra
vez) para calcular el color final del pixel.
Y por último otro método
que puede resultar más costoso consiste en hacer "vibrar" la imagen
(mediante cambios mínimos de posición del punto de vista) y realizar una media
entre las imágenes calculadas. Es probablemente el que da mejores resultados,
pero también el más costoso.
Interpolación Mipmap de texturas
Un problema de las
texturas es que, cuando se utiliza una resolución de textura demasiado baja,
que resultaría adecuada p.e. para determinada distancia al observador, al ser
observada más de cerca, ofrece un aspecto totalmente irreconocible, ya que cada
pixel de textura se mapea a mas de un pixel de pantalla.
Para solucionar esto,
una posible técnica consiste en almacenar la textura a diferentes resoluciones
(por lo general, utilizando múltiplos de dos) y en función de la distancia
elegir dos de estas resoluciones e interpolar entre ellas. El tipo de
interpolación (bilineal, tri-lineal, quad-lineal) define la calidad de la
imagen obtenida.
Efectos de profundidad
Por lo general en la
vida real, los efectos atmosféricos causan que los objetos lejanos se vean de
forma diferente. Se puede pensar por ejemplo en una situación con niebla en la
que los objetos se van viendo cada vez mas ocultos hasta perderse en un fondo
blanco.
Por lo general este tipo
de efectos se puede conseguir utilizando la información almacenada en el Z
Bufer para añadir color en función de la distancia; con lo que se consiguen
efectos de gran realismo.
Transparencia
Anteriormente se ha
hablado de 3 componentes de color (RGB). Se puede considerar una cuarta (Alpha)
que determina la transparencia del punto.
De esta forma cada
vértice representado puede llevar un valor de transparencia asociado, valor que
se utiliza de forma que objetos con diferente nivel de transparencia puedan
representarse uno delante del otro, permitiendo que ambos sean parcialmente
visibles.
Por lo general es
conveniente que el programador defina los polígonos transparentes de forma que
estén ya ordenados en cuanto a profundidad respecto al observador. (Nótese por
la descripción del Z Bufer que no resulta posible en general utilizarlo para
evitar esta ordenación previa)
Ejemplos de hardware
Veremos a continuación
dos ejemplos de hardware gráfico:
Onyx2 Infinite Reality
Como vemos, el sistema
se compone de tres partes diferenciadas:
La "Geometry Engine"
(que se correspondería con los coprocesadores gráficos a los que antes nos
referíamos) se encarga de realizar transformaciones de vértices, iluminación,
recorte, proyección, etc., así como de realizar operaciones sobre pixels como
histogramas, convoluciones, escalado, etc., operaciones que se aplican tanto a
los pixels normales, como a las texturas o a fuentes de vídeo.
El "Raster
Manager" recibe todos los datos de triángulos, puntos y líneas ya
proyectados por la GE; estos datos deben ser recorridos línea por línea para
generar la información de pixels. Por su elevado grado de paralelismo, el RM
puede realizar todo tipo de operaciones de antialiasing (mediante sobre
muestreo), mapeado de texturas, etc. sin encontrar cuellos de botella.
El mapeado de texturas
se realiza por medio de la ya comentada técnica de MIPmapping; así mismo esta
unidad realiza los cálculos necesarios sobre la transparencia y los efectos de
profundidad.
El "Display
Generator" básicamente contiene los conversores Digital-Analógico, por lo
general generando mas de un canal de salida de vídeo; permitiendo el
re-muestreo de la señal de salida para adaptarlo a todo tipo de dispositivos de
vídeo.
La Onyx2 IR standard permite manejar
2.62 millones de pixels, para obtener p.e. una resolución de 1920 x 1200 o dos
salidas a 1280 x 1024.
La cantidad mínima de
bits por pixel en el bufer de pantalla es de 256 bits, con lo que se puede
llegar a utilizar salidas estereoscópicas en cuádruple bufer (dos por canal)
con 12 bits para color y 23 de Z Bufer.
Otros efectos que
permite conseguir pueden ser:
· Mapas de entorno
· Texturas volumétricas
· Antialiasing
· Luces locales (hasta 8)
· Sombras utilizando mapas de profundidad
· Texturas proyectadas (diapositivas) - Vídeo como textura
nvidia GeForce2 GTS
Esta tarjeta gráfica,
adecuada para ordenadores personales, orientada especialmente al mercado de
juegos, plantea una aproximación diferente, al englobar toda su funcionalidad
en un solo chip.
Su nombre significa
GigaTexel Shader (GTS), haciendo referencia a la capacidad de procesado de
texturas, ya que en cada ciclo de reloj las dos unidades de textura calculan
cuatro pixels, lo que nos da 1.6 Gtexels por segundo
Sus principales
características son:
- Geometría
(transformación e iluminación): 25 Millones pol./segundo
- Pixel shading:
Como se ha mencionado,
la interpolación de normales resulta muy costosa. Aquí la solución adoptada
consiste en la utilización de una textura suministrada por el programador que
contiene los valores de la normal para cada punto. Esto produce imágenes muy
realistas; y es posible utilizar esto también para aplicar las conocidas
técnicas de "bump-mapping", en las que por perturbaciones de la
normal se obtiene una apariencia de rugosidad en la superficie.
- Antialiasing por
Hardware. Se observa caída en las prestaciones a resoluciones superiores a 1024
x 768 debido a la influencia de la limitación de velocidad de acceso a memoria.
- Transferencia de
texturas y geometría por AGP - Compresión de texturas.
Con objeto de aprovechar
mejor la memoria destinada a texturas a costa de potencia de cálculo se utiliza
un sistema de compresión de las texturas en memoria capaz de reducirlas hasta
aproximadamente 1/8 de tamaño. Con los sistemas actuales, el ahorro de memoria
y de ancho de banda justifica esta medida.
- Bufer de pantalla: Se
usan 32 bits para el color y otros 32 para el Z Bufer con una configuración
standard, aunque es posible aumentar la cantidad de memoria del bufer de los 32
Mb hasta los 128 Mb
- Optimizado para OpenGL
y DirectX
Indice
Hardware y
Software
Dispositivos gráficos de salida: Monitores
El tubo de rayos catódicos.
Monitores de barrido.
Monitores de trazado aleatorio
o vectoriales
Monitores CRT en color
Monitores de cuarzo líquido
(LCD)
Software de gráficos.
Introducción
Trazado de líneas
Antialiasing:
Otras primitivas.
Primitivas 3D
Controladores Gráficos y
Aceleradoras 3D
Conceptos:
Bufer de pantalla:
Z Bufer
Mapeado de texturas
Sombreado (Plano, Gouraud,
Phong)
Antialiasing (en 3D)
Interpolación Mipmap de texturas
Efectos de profundidad
Transparencia
Ejemplos de hardware
Onyx2 Infinite Reality
nvidia GeForce2 GTS
Indice