3.5.7. Grafički sustav

Najvažniji element grafičkog sustava je GRAFIČKA KARTICA. To je elektronički uređaj koji se najčešće kao kartica preko utora (slot-a) uključuje u konfiguraciju PC računala. Osnovni elektronički sklop grafičke kartice je grafički procesor - GPU (Graphics Processing Unit) koji je zadužen da osigura vizualizaciju aktivnosti nekakve programske potpore ili korisnika na zaslonu monitora. Otuda ponekad i naziv VPU (Visual Processing Unit). Modernija i jeftinija rješenje sadrže manje moćne GPU u sastavu čipseta računala ili samog mikroprocesora. Analogno zadaćama, osnovni dijelovi grafičke kartice su.

             1. video upravljač - veza prema U / I sabirnici
             2. ROM karakter generator
             3. Video RAM memorija
             4. Generator video-RGBI signala (signali slike i intenziteta)
             5. Generator signala sinkronizacije (HSYN i VSYN) monitora

Generator RGBI i sinkronizacijskog signala tvore sklop upravljanja i monitorske kontrole i u sebi pored ostalog sadrži sklopove pretvorbe digitalnih podataka u analogne signale (D/A pretvorba - DAC) i tablicu boja (palette) na temelju koje se iz digitalnog zapisa određuje boja. Podaci o tablici boja i broju elemenata slike (rezoluciji) čuvaju se u video BIOS-u.

Sve sklopove video upravljač povezuje preko interne video sabirnice. Skuplje kartice mogu sadržavati i druge uređaje kao TV birač kanala, VHS i SVHS video izlaz i slično. Naravno sve su to port-ovi koji pripadaju video kartici.

U osnovi mogu da rade s dvije skupine modova rada:

             I. tekst modovi
            II. grafički modovi

Tekst mod prikazuje samo karaktere koje daje karakter generator i obično je to prikaz karaktera u mreži od 80 stupaca i 25 redova. Grupa karaktera istog stila naziva se FONT. Broj stupaca i redaka može se povećati ili smanjiti u ovisnosti o mogućnostima kartice. Izgled samog fonta upisan je u ROM-u kartice, a o njegovom iscrtavanju na zaslonu brine grafički procesor.

Grafički mod je zahtjevniji, jer finije dijeli prikaz na ekranu (rezolucija prikaza je od 320×200 elemenata slike pa naviše) i može praviti tekst karaktere promjenjive po obliku i veličini (vektorski-skalabilni fontovi). Može se prihvatiti tumačenje da je prikaz na ekranu podijeljen na grafičku i tekstualnu sliku koje se mogu po potrebi i istovremeno prikazati. Današnje kartice u suštini nemaju odvojene tekstualne i grafičke funkcije, već se tekst mod rada emulira uz pomoć sofisticiranih video-elektronskih sklopova. Otuda i mogućnost skalabilnosti fontova - izmjena veličine slova po nahođenju. Dakle, tekst mod u izvornom obliku gotovo više ne postoji jer ga uspješno 'glumi' grafičko okruženje. ROM karakter generator nije više od velikog značaja. Koristiti će se najčešće prilikom generiranja prikaza glede podešavanja postavki BIOSA-a.

Sadržaji slika čuvaju se u video memoriji (VRAM), obično bržoj od radne memorije, mada jeftinije verzije u istu svrhu koriste DRAM memoriju kakva se koristi za radnu memoriju. Organizacija korištenja navedenih vrsta memorija nije ista.

Slika* 3.5.18 Shema grafičke kartice s DRAM i VRAM memorijom. ( + / - )

Podaci kod kartica s DRAM memorijom izmjenjuju se između monitorske kontrole, memorije i grafičkog procesora ili ubrzivača preko interne video sabirnice kartice, dok se kod VRAM navedeni sklopovi vezani slijedno čime je omogućeno da je VRAM istovremeno s jedne strane spojen na monitorsku kontrolu a s druge strane na grafički procesor. Napredna verzija DRAM za grafičke kartice je GDDR tip memorije, specijalno razvijen tip memorije koji se odlikuje velikom propusnošću i tehnološki je slična DDR memorijama za RAM računala i pomalo potiskuje VRAM koji je skup i složen.

D/A pretvornik ima zadaću pretvaranje binarnog zapisa u analogni signal s kojim se kontrolira boja i svjetlina pojedinih piksela na monitoru. Česti naziv za isti je DAC (Digital-to-Analog Converter), a kako se uz njega nalazi i logika koja upravlja RGB paletom boja za koju vrijednosti čita iz video memorije česta je oznaka i RAMDAC. HV oznaka ukazuje da iz istog sklopa izlaze i signali za nadzor otklona snopa elektrona unutar katodne cijevi monitora po horizontali i po vertikali.

Grafičke kartice mogu biti integrirane s matičnom pločom (on-board), u sklopu kućišta mikroprocesora ili se kao samostalne kartice umeću u ISA (Industry Standard Architecture), PCI (Peripheral Component Interconnect), AGP (Accelerated Graphics Port) ili PCI-Express utore na matičnoj ploči. Zasebne grafičke kartice koje se umeću u utore matične ploče računala u pravilu koriste vlastitu memoriju glede obrade video prikaza, dok ostale navedene vrste koriste dio radne memorije računala za tu svrhu. Za aplikacije koje koriste obradu teksta i vrlo malo grafike zadovoljiti će grafička kartica na matičnoj ploči. No obrada slike ili videa je disciplina koja ukupnu cijenu računala može višestruko povećati, osobito kroz cijenu grafičke kartice. ISA i PCI grafičke kartice već poduže su povijest, a općeprihvaćeni PCI-Express koncept potisnuo je AGP rješenja.

Naravno, ako je slika sastavljena od više elemenata (veća rezolucija) i sadrži bogatiju tablicu boja, definirana je s više podataka te zauzima više memorije i sporije se iscrtava, te su zahtjevi za video memorijom ovisni o modu rada i iznose od nekoliko stotina kB do nekoliko GB, a i ugrađeni D/A pretvornici moraju raditi na većoj frekvenciji kako bi stigli obraditi veću količinu podataka. Grafički procesori (Graphic Processing Unit - GPU) koji se ugrađuju na grafičke kartice često si po broju ugrađenih elemenata 'moćniji' od mikroprocesora. Način obrade i pripreme slike za prikaz na ekranu različit je od proizvođača do proizvođača (ATI, nVidia, SiS ...), kao i skup instrukcija koje koriste. Spregu između operativnog sustava (OS) i same kartice čini set instrukcijskih programa, koji se nazivaju upravljački programi (driver). Kvalitetno napisani upravljački programi od velikog su značaja za učinkovit rad grafičke kartice. Ako upravljački programi ne mogu iskoristiti sve napredne mogućnosti GPU takvu grafičku karticu ne treba kupovati ako se računalo namjerava koristiti i za igre. Takva situacija može se dogoditi kada isti GPU koristi više proizvođača, dizajner i njegov proizvođač te njegovi partneri. Partneri će ponuditi jeftinije i pojednostavljene upravljačke programe, a originalni moćniji upravljački programi na njihovom karticama neće raditi. Dakle, plaća se pamet.

Sam prikaz slike sve više sliči na proces prikazivanja filmskih kadrova (scena), od kojih je svaki podijeljen na sićušne trokutiće (poligone) koji se zasebno bojaju. Kada se želi dobiti realistična slika s dojmom dubine, poligoni koji su 'bliži' iscrtavaju se veći a oni 'udaljeni' iscrtavaju se umanjeni. Metoda koja to omogućava naziva se 'Z-buffer'. Ako trokutić ima više detalja i što je manji, te ako ih se puno više koristi u izgradnji scene, slika je realističnija. A sama obrada slike kada se svi ovi poligoni sastave obuhvaća pojmove kao teksturiranje, perspektivna korekcija, spekularno osvjetljenje, bilinearno i trilinearno filtriranje, mip mape, bump mapping, multitexturing, antialiasing, pixel i vertex shaderi i puno drugih stvari koje su praktično izvedive samo posredstvom GPU. Moderne grafičke kartice mogu obraditi milijune poligona u sekundi, što im omogućava da na zaslonu ekrana dočaraju vrlo realističnu sliku. Aplikacije za obradu teksta (kao Word) ne traže zahtjevne GPU, ali ako su u pitanju igre, zahtjevi u dizajnu grafičkih kartica (i cijena) su strašni. Ali zato dinosaurusi izgledaju vrlo uvjerljivo. Smiju se, urliču i plaču. Više o osobitostima grafičke kartice je na stranici koja opisuje igranje.

Premosnicima na kartici određuju se početni parametri kartice i usklađuju s tipom monitora, te broj prekida i veličina memorije kartice. Uz karticu se isporučuje i programska potpora orijentirana prema važnijim svjetskim software-skim proizvodima (driver-i) koji omogućuju ispravan prikaz slike na zaslonu za korištenje DOS, Windows ili Linux aplikacija. PnP mogućnosti novih matičnih ploča i grafičkih kartica ovaj postupak postavljanja premosnika od strane korisnika isključuju.

Uobičajena VGA/SVGA grafička kartica ima 15 pinski priključak na pročelju kartice za povezivanje monitora na karticu. Dodatni priključci mogu postojati za već spomenute moguće dopune kartice. Sve veću ulogu ima DVI (Digital Visual Interface) 29 pinski priključak preko kojeg se prema monitoru može proslijediti već navedeni analogni (RGB) signal ili digitalni signal bez posredovanja D/A pretvornika ili oba. Naravno, monitori moraju imati sposobnost odabira, prihvata i obrade jednog od navedenih signala u svrhu prikaza slike na zaslonu. Još jedan mali detalj za ljubitelje igara. PCI-Express standard u potpunosti je sabirnica glede načina pristupa grafičkoj kartici i ostalim uređajima, što znači da se može koristiti dvije ili više međusobno povezanih grafičkih kartica istovremeno. Pojedini proizvođači Chipset-a i matičnih ploča ugrađuju dva ili više utora za grafičku karticu objedinjena posebnom tehnologijom za zajednički rad više grafičkih kartica i dominiraju dva slična rješenja SLI (Scalable Link Interface) ili Crossfire. Uz procesore s više jezgri osigurava se poprilična 'igračka snaga'.

Da bi prikazana slika primjereno izgledala na monitoru, važan faktor je REZOLUCIJA i DUBINA BOJA. Pod pojmom REZOLUCIJA treba razlikovati radnu rezoluciju i maksimalnu (nativnu) rezoluciju monitora i grafičke kartice. Ako monitor može prikazati sliku najveće rezolucije 640×480 pixel-a, od grafička kartica koja može generirati sliku rezolucije do 2048×1536 pixel-a ne može se očekivati rezultat bolji od prvotnog navedenog. Kod CRT sustava dobro je izabrati monitor koji ima nativnu rezoluciju istovjetnu najvećoj rezoluciji grafičke kartice ili veću. Tada je fizički broj pixel-a (trioda) monitora koji sudjeluju u prikazu jednog elementa slike veći i prikaz slike je kvalitetniji. Kod LCD monitora tehnološki proces njihove izrade uvjetuje da je prikaz slike najprihvatljiviji kad se rezolucija prikazane slike podudara s nativnom rezolucijom monitora (native resolution), jer je u protivnom slika 'razmazana'. Nativna rezolucija LCD monitora je fizički broj pixel-a po horizontali i vertikali ugrađen prilikom izrade monitora. To znači da za različite dimenzije monitora treba izabrati korisniku najprihvatljiviju nativnu rezoluciju. Nije dobro izabrati LCD monitor dijagonale 15" kojemu je nativna rezolucija 1600×1200 je su slova u Windows-ima toliko sitna da je vrlo zamorno raditi. Na ovaj detalj treba paziti i prilikom nabave LCD monitora ili projektora.

DUBINA BOJA je broj nijansi pojedine boje koji se može ostvariti i koju u osnovi omogućava grafička kartica. Svaki pixel, odnosno RGB trioda, može svijetliti različitom intenzitetom boje, pa kako je sve digitalizirano raspon boja definira s brojem bit-a raspoloživih za svaki piksel (bpp - bits per pixel) i kad se broj bit-a pomnoži s brojem piksel-a slike dobije se minimalna veličina video međuspreme grafičke kartice. GPU kartice obrađuje dubinu boja prema slijedećem:

              8 bpp = 256 boja
             16 bpp = 64K boja (65536) = High Color (Medium)
             24 bpp = 16.7M boja = True Color (Highest)
             32 bpp = 16.7M boja = True Color + 8 bit ALPHA CHANNEL

Alfa kanal omogućava korekciju boja susjednih pixel-a kada element slike ne 'pada' u potpunosti na triodu monitora, već je malo izmaknut. Tada se radi korekcija boja između susjednih pixel-a. Ovo ima veliki značaj u profesionalnoj obradi fotografija. Imajući u vidu navedeno može se izračunati veličina međuspreme :

Ako se još uzme u obzir da je opće načelo rada moderne grafičke kartice da jednu sliku prikazuje dok drugu priprema navedene vrijednosti treba pomnožiti s dva, a ako se koristi dvokanalni sustav prikaza slike (dva VGA izlaza) tada navedene vrijednosti treba pomnožiti sa četiri.

Osim navedenog grafičkoj kartici i njenom GPU glede obrade i UBRZAVANJA prikaza jedinične slike treba doturiti priličan broj informacija, osobito ako se bavi teksturama i 'trokutićima'. Stoga se nameće ozbiljan problem 'dotura' podataka na većim rezolucijama što je u izravnoj vezi s propusnom moći sabirnica računalnog sustava i brzinom dohvata s uređaja za pohranu podataka. Dakle, kriteriji za cjelokupni sustav se zaoštravaju, a komparativno tome i cijena. Jedan mali neizgledni detalj često se zaboravlja - KOMPATIBILNOST. 100% kompatibilnost s DOS operativnim sustavom, odnosno DOS aplikacijama, te podrška za EGA, CGA i MDA standarde te VESA BIOS proširenja za rezolucije veće od 640×480. Za PCI-Express grafičke kartice od značaja je i AGP kompatibilnost. Što navedeno u praksi znači? Stara knjigovodstvena aplikacija pisana za MS-DOS okruženje imati će 'jadan' prikaz na monitoru ako ga grafička kartica ne zna dobro 'rastumačiti'.

Osnovne postavke koje se na grafičkoj kartici mogu podesiti su:

• Gamma - korekcija svjetloće srednjih tonova boja unutar zadanog raspona nivoa za crno i bijelo (promjena oblika krivulje boja).
• Brightness - promjena svjetloće svih boja linearnim promjenom prema bijelom ili crnom nivou (promjena ishodišta krivulje boja).
• Contrast - promjena svjetloće bijelog nivoa prema zadanom crnom nivou (promjena nagiba krivulje boja).

Upravljački programi grafičkih kartica, ako su valjalo napisani, imaju mogućnost podešavanja ovih parametara. Naredna slika prikazuje različite postavke tonova boja u odnosu na podrazumne postavke, te kako promjene opisuje krivulja boja.

Slika* 3.5.19 Podešavanje boja slike.

Da bi gleda prikaza slike sve bilo usklađeno, moraju se u operativni sustav upisati valjale postavke za monitor, koje dođu uz njegov upravljački program. Slikovite promijene u spektru boja nastale s ovim promjenama prikazane su sa slikama u lijevom kvadratu s bojama. Najbolje je kada je krivulja boja linearna. No ima situacija kada prikaz slike nije dobar, osobito ako su u pitanju igre, kada njihov grafički generator slike daje tamnije prikaze jer je prilagođen za neku određenu vrstu grafičke kartice, kao na primjer za grafičke sklopove igračih konzola. Tada pomaže ova korekcija, osobito 'gamma' korekcija. Aplikacije za obradu fotografije, gledanje DVD snimaka i slično najčešće imaju svoje korekcije koje djeluju unutar 'prozora' aplikacije i ne mijenjaju postavke sustava u cjelini. Dobra programska potpora za obradu fotografija ima mogućnost da krivulje boja pisača i monitora uskladi tako da se slika otisne upravo onako kako se vidi u programu za obradu fotografija. Naravno, u operativni sustav moraju se upisati valjale postavke za pisač. Dakle, za kvalitetan i usklađen nadzor slike sustava treba imati valjane upravljačke programe grafičke kartice, monitora i pisača.

Važan parametar je frekvencija osvježavanja slike na monitoru koja se kreće od 50 Hz pa čak do 200 Hz, ovisno o radnoj rezoluciji prikaza slike na monitoru. To je broj slika koji će se u jedinici vremena prikazati na monitoru. Televizija ima 2×25 slika, jedna se slika ponavlja dva puta jer dinamičke promijene nisu tako brze. Iako oko ne registrira treperenje od 50 Hz, registrira ga ljudski mozak što dovodi do glavobolje i zamora nakon dužeg rada, te je dobro da ova frekvencija bude barem 75 Hz. I u tom pogledu treba uskladiti monitor s grafičkom karticom, jer je monitor taj u kojeg se gleda cijeli dan i na kojem se 'gube oči'. Mogućnosti monitora trebale bi biti malo moćnije od mogućnosti grafičke kartice. Zbog silnih pomoćnih izbornika moderne programske potpore, koji korisni radni prostor aplikacije u priličnoj mjeri smanje, dobro je imati CRT monitor dijagonale 19" ili više ili LCD monitor dijagonale 21" ili više, koji će naravno zadovoljiti grafičku karticu po pitanju radne rezolucije slike.

Kako je PC računalo sve više usmjereno na multimedijske sadržaje i njihovu obradu, osim rasta programske potpore u tu svrhu, proizvođači grafičkih kartica dodaju im nove osobitosti, kao sklopovsko dekodiranje MPEG2 i MPEG4 sadržaja i svih formata DTV/HDTV dekodiranja glede učinkovitog prikaza DVB sadržaja te sadržaja kodiranih za potrebe kućnog kina. Glede podrške za HDMI (High-Definition Multimedia Interface) sučelje grafička kartica mora znati proslijediti i audio sadržaje za slanje video i audio sadržaja TV uređaju na primjer. Ako se instalira potpuna programska podrška za audio podršku od proizvođača audio kartica (ili ugrađenog čipa na matičnoj ploči) nije potrebno nadopunjavati grafičke upravljačke programe s audio sadržajima koji dolaze uz programsku podršku grafičke kartice. HDMI sučelje postaje sve rašireniji standard za multimedijsku primjenu.