Blog Educacional/LANA: PLACA DE VÍDEO

O que é uma placa de vídeo

A placa de vídeo, também chamada de placa gráfica ou acelerador gráfico, é o elemento do computador encarregado de converter os dados digitais a serem exibidos em dados gráficos exploráveis por um monitor ou outro dispositivo de exibição.
A função da placa de vídeo era inicialmente o envio de pixels gráficos para uma tela e algumas manipulação gráficas simples, como o deslocar o cursor do mouse, traçar linhas, traçar polígonos, entre outras. .....

Como se apresentam as placas de vídeo 3D

Hoje em dia, as placas de vídeo recentes vêm equipadas com processadores especializados para cálculo de quadros gráficos mais complexos em 3D. O principal componente de uma placa vídeo é o processador gráfico (GPU - Graphical Processing Unit), que constitui o núcleo da placa de vídeo e é encarregado de processar as imagens em função da resolução e profundidade de codificação selecionada. O GPU é um processador especializado com instruções para o processamento da imagem, principalmente em 3D. Devido à temperatura que pode atingir, o processador gráfico pode ter um radiador e um ventilador.
Além do GPU, há a memória de vídeo, encarregada de conservar as imagens tratadas pelo processador gráfico antes da exibição; quanto maior for a quantidade da memória de vídeo, melhor a placa de vídeo poderá gerenciar as texturas durante a exibição de imagens em 3D.
Chamamos de frame buffer, a memória que armazena e transfere dados de um quadro de imagem para a tela do computador. Ela designa a parte da memória de vídeo que serve para armazenar as imagens antes de exibição. As placas de vídeo são tributárias do tipo de memória utilizado na placa, porque o seu tempo de resposta é determinante para a velocidade de exibição das imagens, bem como a quantidade de memória, jogando com o número e a resolução das imagens que podem ser armazenadas no frame proteção.
Há ainda o RAMDAC (Random Access Memory Digital-Analog Converter - Conversor Digital-Analógico de Memória de Acesso Aleatório), que permite converter imagens digitais armazenadas no frame de proteção em sinais analógicos enviados ao monitor. A frequência do RAMDAC determina as taxas de atualização (número de imagens por segundo, expresso em Hertz) que a placa de vídeo pode suportar. Por fim, a placa de vídeo possui o BIOS de vídeo, que contêm os parâmetros da placa, principalmente os modos gráficos que o adaptador pode suportar, e a interface, tipo de barramento utilizado para conectar a placa de vídeo à placa-mãe.
O canal AGP foi previsto para aceitar débitos consideráveis de dados, necessários para a exibição de um vídeo ou sequências em 3D. O barramento PCI Express possui melhor desempenho do que o canal AGP e, hoje, podemos dizer que o substituiu.

Quais são as interfaces

Existem vários tipos de interfaces de placas de vídeo. A mais utilizada é a interface VGA padrão, que possui um conector VGA com 15 pinos (Mini SubD, composto de três séries de cinco pinos), geralmente de cor azul, permitindo a conexão de telas CRT. Este tipo de interface permite enviar à tela três sinais analógicos que correspondem aos componentes vermelho, azul e verde da imagem.
Também existem os tipos DVI (Digital Video interface), presente em certas placas de vídeo e utilizado para envio de dados digitais para as diversas telas compatíveis com esta interface, o que evita a conversão de dados digitais em analógicos e vice-versa; e a interface S-Vídeo, que equipa a maioria das placas de vídeo e permite visualizar em uma televisão o mesmo que se vê no computador. Por esta razão, ela é frequentemente chamada de TV-out (saída de TV).

Como são as placas aceleradoras 3D

Placa de vídeo 3D

A função de uma placa de vídeo 3D, é auxiliar o processador na exibição de imagens tridimensionais. Uma imagem em três dimensões é formada por inúmeros polígonos, sobre os quais são aplicadas texturas. Para apresentar a imagem de uma mesa em 3D, por exemplo, seja num jogo ou programa gráfico, é preciso que o programa mantenha na memória, a localização dos vários polígonos que compõe a mesa, juntamente com as texturas que serão aplicados sobre eles. Também é necessário calcular a posição exata de cada polígono na imagem, os pontos de iluminação e as partes da imagem que não são visíveis.

Apesar de um pouco complicado e extremamente trabalhoso, este processo nos recompensa com imagens tridimensionais virtualmente perfeitas. - Você poderia então perguntar: Existem muitos jogos tridimensionais que dispensam o uso de placas 3D, como o Doom, FX Fighter, Duke Nukem, Quake, etc., fora os programas gráficos. Qual é então a necessidade do uso de uma placa 3D?

A resposta é que, apesar do processador ser capaz de criar imagens tridimensionais, trabalhando sozinho ele não é capaz de gerar imagens de qualidade a grandes velocidades (como as demandadas por jogos) pois tais imagens exigem um número absurdo de cálculos. Para piorar ainda mais a situação, o processador tem que ao mesmo tempo executar inúmeras outras tarefas. Alguém então pensou: "E se criássemos um dispositivo para auxiliar o processador a criar imagens 3D perfeitas e em grande velocidade?" Daí surgiram as placas aceleradoras 3D, que possuem processadores dedicados, cuja função é unicamente processar as imagens, o que podem fazer com incrível rapidez, deixando o processador livre para executar outras tarefas. Com elas, é possível construir imagens tridimensionais com uma velocidade incrível. Vale lembrar que uma placa de vídeo 3D só melhora a imagem em aplicações que façam uso de imagens tridimensionais, em aplicativos 2D, a placa fica ociosa.

Como é feito o cálculo de uma imagem

O cálculo de uma cena em 3D é um processo que se decompõe em quatro etapas: o script:

aplicação dos elementos, a geometry: criação de objetos simples, o setup: corte em triângulos 2D e rendering: a renderização, ou seja, o preenchimento das texturas.
Assim, quanto mais a placa aceleradora 3D executa sozinha estas etapas, mais o processador central se livra destas tarefas, oferecendo imediata exibição. Os primeiros chips efetuavam apenas a renderização, deixando o processador tratar do resto. Em seguida, as placas passaram a possuir um mecanismo de configuração que executa as duas últimas etapas.
Na sequência, o Pentium II de 266 Mhz começou a executar as três primeiras etapas, calculando até 750 mil polígonos por segundo. Esse desenvolvimento aliviou a carga de trabalho sobre o processador....

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Como funciona o barramento

O tipo de barramento também é determinante. Enquanto o barramento AGP não traz nenhuma melhoria para a exibição em 2D, as placas que o utilizam, ao invés do barramento PCI, são muito mais eficazes. Isto é explicado pelo fato do barramento AGP estar conectado diretamente à memória RAM, o que resulta em uma banda larga muito maior do que o barramento PCI. Estes produtos de alta tecnologia exigem a mesma qualidade de fabricação dos processadores, bem como as gravações que vão de 0.35 µm a 0.25.
Para aumentar ainda mais a velocidade de cálculo 3D, é possível colocar várias placas de vídeo em um único computador. Isso é chamado de multi GPU. As placas são conectadas por um barramento específico, além do PCI Express. A arquitetura proposta pela nVIDIA é chamada de SLI, enquanto que o ATI chama esse método de crossfire (fogo cruzado). Ambas as arquiteturas não são, obviamente, compatíveis. .

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Glossário das funções aceleradoras 3D e 2D

Termo	Definição
Gráficos 2D	Mostra a representação de uma cena de acordo com 2 eixos de referência (x e y)
Gráficos 3D	Mostra a representação de uma cena de acordo com 3 eixos de referência (x, y e z)
Alpha blending	O mundo é composto de objetos opacos, translúcidos e transparentes. O alfa blending é uma maneira de acrescentar informações de transparência a objetos translúcidos. Isto é feito efetuando uma renderização dos polígonos através de máscaras cuja densidade é proporcional à transparência dos objetos. A cor do pixel que resulta é uma combinação da cor de primeiro plano e a cor de fundo. O alfa tem geralmente um valor compreendido entre 0 e 1 calculado da seguinte forma: novo pixel=(alfa)(cor do primeiro pixel)+(1-alfa)(cor do segundo pixel)
Alpha buffer	É um canal adicional para armazenar a informação de transparência (Vermelho-Verde-Azul-Transparente)
Anti-aliasing também chamado de anti serrilha	Técnica permitindo fazer aparecer os pixels com menos recortes
Bitmap	Imagem pixel por pixel
Bilinear filtering	Filtragem bilinear - permite fluidificar a passagem de um pixel de um lugar para outro (durante uma rotação, por exemplo)
BitBLT	É uma das funções de aceleração mais importantes, ela permite simplificar o deslocamento de um bloco de dados, considerando as particularidades da memória de vídeo. Ela pode, por exemplo, ser utilizada durante o deslocamento de uma janela
Blending	Combinação de duas imagens acrescentando-as bit por bit
Bus Mastering	Uma função do barramento PCI que permite receber informações diretamente da memória sem transitar pelo processador
Correção da perspectiva	Um método para fazer o mapeamento (envolvimento) com texturas (texture mapping). Ele considera o valor de Z para mapear os polígonos. Quando um objeto se afasta da objetiva, ele aparece menor em altura e em largura, a correção de perspectiva consiste em dizer que a taxa de mudança nos pixels da textura é proporcional à profundidade
Depth Cueing	Baixa a intensidade dos objetos que se afastam da objetiva
Dithering	Permite arquivar imagens de qualidade 24 bits em tampões menores (8 ou 16 bits). O dithering utiliza duas cores para criar uma só
Double buffering	Um método que utiliza dois tampões, um para a exibição e outro para o cálculo do retorno, assim, quando o retorno é feito, os dois tampões são trocados
Flat shading ou Constant shading	Sombreamento plano ou constante - atribui uma cor uniforme a um polígono. O objeto retornado aparece com facetas
Fog	Utiliza a função blending (mistura) para um objeto com uma cor fixa (quanto mais se afasta da objetiva, mais esta função é utilizada)
Gamma	As características de uma exibição que utiliza fósforos são não lineares. Uma pequena alteração da tensão para baixa cria uma mudança na exibição do brilho. Esta mesma mudança para mais elevada tensão não dará a mesma magnitude de brilho. A diferença entre o que é esperado e o que é medido chama-se Gamma
Gamma Correction	Antes de serem exibidos, os dados devem ser corrigidos para compensar a Gamma
Gouraud Shading	Algoritmo (com o nome do matemático francês que o inventou) que permite uma união das cores por interpolação. Ele atribui uma cor para cada pixel de um polígono baseando-se numa interpolação das suas espinhas. Ele simula a aparência de superfícies plásticas ou metálicas
Interpolação	Maneira matemática de regenerar informações ausentes ou danificadas. Quando se aumenta uma imagem, por exemplo, os pixels ausentes são regenerados por interpolação
Line Buffer	É um tampão feito para memorizar uma linha de vídeo
Lissage Phong	Algoritmo (com o nome de Phong Bui-Tong) permitindo a união das cores calculando a taxa de luz em vários pontos de uma superfície, e alterando a cor dos pixels em função do valor. É mais guloso em recursos do que o alisamento Gouraud
MIP Mapping	Texturas borradas – é uma palavra que provém do latim (Multum in Parvum) que significa 'vários num só'. Este método permite aplicar texturas de diferentes resoluções para objetos de uma mesma imagem, dependendo do seu tamanho e da sua distância. Isto permite por texturas de alta resolução quanto mais se aproximar de um objeto
Projeção	Transforma (reduzindo-o) um espaço em três dimensões para um em duas dimensões
Rasterisation	Transforma uma imagem em pixels
Resultado (Rendering)	Cria imagens realistas em uma tela utilizando modelos matemáticos para o alisamento, as cores, etc.
Rendering engine	Parte material ou software encarregado de calcular os primeiros 3D (geralmente, triângulos)
Tesselation ou facettisation	Tecelagem ou facetamento - aumento do número de picos de um objeto. O cálculo de gráficos em 3D pode ser dividido em três partes: facetamento, geometria e retorno. O facetamento é a parte que consiste em recortar uma superfície em formas menores, recortando-a (frequentemente em triângulos ou quadriláteros)
Texture Mapping	Consiste em armazenar imagens constituídas por pixels (texels) e, em seguida, envolver objetos em 3D com esta textura para obter uma representação mais realista dos objetos
Tri-linear filtering	É uma extensão do método de filtragem de textura bilinear – ele se baseia no princípio da filtragem bilinear, a filtragem trilinear consiste em fazer uma média de dois níveis da filtragem bilinear
Z-buffer	Parte da memória que armazena a distância de cada pixel na objetiva. Quando os objetos são enviados para a tela, o rendering engine deve remover as superfícies ocultas
Z-buffering	Exclui as faces ocultas utilizando os valores armazenados no Z-buffer