Đề tài Vi xử lí đồ hoạ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐÀO TẠO QUỐC TẾ VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ──────── * ─────── ĐỀ TÀI: Vi xử lí đồ hoạ Sinh viên thực hiện: Cai Việt Hoàng Lớp VUW-IT 15 MSSV: 20168205 HÀ NỘI 12-2016 Cai Việt Hoàng - Đề tài: Vi xử lí đồ hoạ Cai Việt Hoàng - Đề tài: Vi xử lí đồ hoạ MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Trong năm đầu ngành công nghệ thông tin, máy vi tính xa xỉ, lạ mà người muốn dày công tìm hiểu Từ ý tưởng, tiến dần tới hãng máy tính bắt đầu hình thành Ban đầu, hệ máy tính vô đơn giản, yếu tố đồ hoạ không phức tạp, cầu kì nên chưa hình thành khái niệm card đồ hoạ Cho đến thiết bị bắt đầu chạy hệ điều hành có giao diện người dùng (interface), yếu tố đồ hoạ gắn kết với tảng hệ điều hành Từ card đồ hoạ đời Những ngày đầu phát triển card đồ hoạ, chúng vô đơn giản có thiết kế thô kệch, xử lí đồ hoạ khiêm tốn, chậm chạp Sau này, với phát triển máy tính cá nhân, card đồ hoạ dần hoàn thiện phát triển mạnh mẽ Chúng ta thấy gần máy tính cá nhân tích hợp card đồ hoạ Chúng ta tìm hiểu thiết bị vô quan trọng Mục đích, phạm vi, ý nghĩa đề tài - Mục đích: giới thiệu sơ lược card đồ hoạ (sự hình thành, phát triển - Phạm vi nghiên cứu: khuôn khổ lĩnh vực công nghệ thông tin - Ý nghĩa: giúp người đọc hiểu nắm công dụng, cách dùng card đồ hoạ Cai Việt Hoàng - Đề tài: Vi xử lí đồ hoạ MỤC LỤC MỞ ĐẦU NỘI DUNG I Sự hình thành, thành phần phát triển vi xử lí đồ hoạ Khái niệm vi xử lí đồ hoạ Phân loại giới thiệu số hãng sản xuất card đồ hoạ tiếng Thành phần vi xử lí đồ hoạ Ý nghĩa thông số card đồ hoạ Các kiểu kết nối phổ biến .11 Các hàm API đồ hoạ .12 Tản nhiệt vi xử lí đồ hoạ 12 Sự phát triển card đồ hoạ 13 II Nguyên lí hoạt động khả xử lí vi xử lí đồ hoạ 20 Nguyên lí chung .20 Khả ép xung 20 Các khả tiện ích card đồ hoạ 22 III Ứng dụng vi xử lí đồ hoạ thiết bị điện tử 33 Xử lý hình ảnh, hiệu ứng phim ảnh hoạt hình 33 Những lĩnh vực sử dụng GPU 33 Khả tính toán dấu chấm động cực lớn nhờ vào hỗ trợ GPU hệ thống ra-đa .34 CPU thay cho GPU không? 34 KẾT LUẬN CHUNG 35 Cai Việt Hoàng - Đề tài: Vi xử lí đồ hoạ NỘI DUNG I Sự hình thành, thành phần phát triển vi xử lí đồ hoạ Khái niệm vi xử lí đồ hoạ Card hình (VGA: Video Graphics Adaptor hay Video Graphics Card) gọi bo mạch đồ hoạ (Graphics Adapter), thiết bị đồ hoạ … thiết bị có nhiệm vụ xử lí thông tin hình ảnh máy tính, thông qua kết nối với hình (CRT, LCD …) để hiển thị hình ảnh cho người sử dụng giao tiếp với máy tính Bất kì máy tính nhân (Personal Computer) hay máy tính xách tay (Laptop) phải có card hình, chí nói thiết bị có xuất hình ảnh phải có chip điều khiển việc thường gọi card hình cho dễ hiểu Tên gọi phổ biến VGA (còn hiểu chuẩn kết nối phổ thông: Analog or D-Sub 15pin) Có nhiều cách phân biệt card phân biệt theo dạng vật lí, theo chip xử lí (GPU), theo cách giao tiếp với bo mạch chủ (Mainboard) PCI, AGP, PCI Express, MXM … theo hãng sản xuất thiết bị Phân loại giới thiệu số hãng sản xuất card đồ hoạ tiếng Để dễ phân biệt, thường phân biệt theo dạng vật lí: + Card gắn trực tiếp: loại card tích hợp bo mạch chủ (main) máy tính, cụ thể tích hợp vào CPU (CPU vi xử lí trung tâm, não điều khiển hoạt động máy tính) sử dụng sức mạnh CPU nhớ RAM (bộ nhớ tạm chứa thông tin ứng dụng chạy) để hỗ trợ giúp xử lý hình ảnh Chính mà việc xử lý đồ họa card onboard thường không card rời cấp độ Bù lại, Card Onboard lại giúp giảm giá thành đáng kể cho máy tính Ngày nay, với công nghệ tiên tiến hệ CPU hệ mới, điển hình hàng Intel, sức mạnh Card Onboard gia tăng đáng kể Việc chơi game 3D hay xem phim HD việc mà xử lí đồ hoạ tích hợp hoàn toàn đảm đương Cai Việt Hoàng - Đề tài: Vi xử lí đồ hoạ - Card hình rời: card hình độc lập, giao tiếp với mainboard thông qua bus giao tiếp khe cắm mở rộng PCI, AGP, PCI Express hay MXM, có tính công việc card onboard card rời có đẩy đủ hẳn phận riêng để hoạt động độc lập, chuyên xử lý tất liệu hình ảnh Vì nên sãn phẩm có card rời cho hình ảnh đồ họa tốt với card onboard cấp độ Phân biệt dạng card hình phân biệt theo tên gọi Hiện đa số laptop có card hình rời dạng hàn dính mainboard thay nâng cấp nên thuộc dạng rời mà không rời Xét hiệu để xem card hình có phù hợp với công việc không, người ta thường chia card hình làm dòng bản: - Integrated Cards: card hình onboard hay gọi card share Trước card có hiệu thấp đáp ứng đủ cầu office web xem phim chơi game Gần với công nghệ từ Intel AMD nâng hiệu loại card lên ngang ngửa số loại card rời dòng thấp tầm trung khác, có khả chơi game online mượt xem phim FHD 4K dễ dàng Với hiệu tốt tích hợp sẵn CPU dạng card tiết kiệm chi phí bạn chưa cần hiệu đồ hoạ cao - Low-End Cards: card hình rời loại yếu phù hợp với dân văn phòng, chơi vài game đơn giản - Mid-Range Cards: dòng card phổ biến Việt Nam chi phí tầm – triệu Với dòng card bạn thoải mái chơi game online hay game 3D khác cấu hình thấp Về xem phim phim FHD 4K (tuỳ card) - Performance Cards: loại card tầm trung, phù hợp chơi game cấu hình trung bình - High-End Cards: card hình cao cấp chuyên nghiệp thường người dùng có nhu cầu cao game 3D đồ hoạ tối ưu Card đồ hoạ giá cao dành cho người dùng cao cấp Hiện thị trường có hai hãng sản xuất cho card đồ họa hãng Nvidia ADM Cả hãng sản xuất có danh tiếng sản phẩm họ có ưu khuyết điểm khó so sánh Tuy nhiên thị trường Việt Nam số lượng card rời Nvidia sử dụng máy tính có phần vượt trội so với AMD Cai Việt Hoàng - Đề tài: Vi xử lí đồ hoạ Thành phần vi xử lí đồ hoạ - Bộ xử lí đồ họa GPU: GPU phận tạo nên sức mạnh tính toán card hình rời, giống với CPU trung tâm máy tính NVIDIA AMD cố gắng chạy đua mắt GPU cao cấp có tốc độ xử lí nhanh, hao điện hỗ trợ ứng dụng GPGPU Song song với cấu trúc để có hiệu cao, vấn đề điện quan tâm cách làm giảm công suất tiêu thụ GPU công nghệ sản xuất ngày nhỏ 40nm, 32nm gần tiến hành sản xuất GPU với 28nm (trong năm sau thấy 14nm rồi) Mỗi đời GPU công nghệ khác hỗ trợ khác từ nhà sản xuất nên nói, tầm mức tiền bạn nên lấy GPU đời sau đời trước (tôi không nói hiệu cao chắn mặt công nghệ hay ho hơn, thời đại DirectX 12 Windows 10, mua card mà DirectX 12 tù tí, hehe) số GPU NVIDIA - Bộ nhớ card: thành phần thiếu card hình rời Bộ nhớ nhiều tốc độ cao hổ trợ nhiều cho liệu tính toán liệu chờ đưa hình Bộ nhớ Video nhanh GDDR5 Để hạ giá thành card hình, NVIDIA AMD có lại dùng nhớ Video cấp khác như: DDR2, GDDR, GDDR3 GDDR5 khác với DDR tốc độ xung nhịp tốc độ Thông thường card hình dùng nhớ Video GDDR5 có tốc độ 4000MHz hiểu tốc độ DDR 4000MHz tốc độ xung nhịp 1/4 tức 1000MHz Bên cạnh dung lượng nhớ tốc độ, cần quan tâm đến Bus nhớ Video Bus lớn tốt, 64-bit, 128-bit 256-bit Những card hình cao cấp NVIDIA thường có bus 384-bit, card đồ họa đôi SLI hay Crossfire có lên đến 768 bit Hiện hãng phát triển loại nhớ GDDr5X có hiệu tốc độ gấp đôi dòng GDDr5 Hiện với công nghệ HBM (High Bandwidth Memory) giao tiếp nhớ đạt mốc 4096 bit với Cai Việt Hoàng - Đề tài: Vi xử lí đồ hoạ băng thông lên đến 512GB/s HBM2 theo dự báo đạt mức băng thông 1TB/s - Giao tiếp kết nối Motherboard: Phổ biến PCI Express PCI Express 2.0 có băng thông gấp lần so với PCI Express 1.0 Nhiều Motherboard có 1,2 PCI Express PCI Express PCI Express 3.0 (đã có thông số 3.1 4.0 chưa thương mại) Chú ý PCI Express có tính tương thích ngược tức card hình hay mainboard xài khác đời xài bình thường (hiệu có giảm không đáng kể) - Nguồn phụ: Nhiều card hình rời cần có thêm đầu nối nguồn phụ để cung cấp thêm điện PCI-e không cung cấp đủ Mỗi khe PCI-e cấp điện khoảng 75W, card hình yêu cầu công suất lớn 75W có thêm đầu nối nguồn phụ Người dùng cần xác định xem PSU - nguồn máy tính Cai Việt Hoàng - Đề tài: Vi xử lí đồ hoạ có đủ công suất cấp cho toàn hệ thống hay không Chính điều nầy nên mua máy tính, bạn nên mua PSU có công suất thật để sau nầy có dùng card rời đỡ chi phí Ngoài ra, nguồn dỏm khả bị tụt áp cháy máy cao nhiều - - - Trình điều khiển Bo mạch đồ họa cần sử dụng trình điều khiển riêng hệ điều hành khác nhau, trình điều khiển dù có bo mạch đồ họa đại hệ thống xuất hình ảnh có độ phân giải thấp, độ sâu màu thấp với tốc độ làm tươi hạn chế Trình điều khiển cần cài đặt vào hệ điều hành sau kết nối bo mạch đồ họa với hệ thống (trong số trường hợp, trình điều khiển hệ thống tích hợp sẵn với hệ điều hành người sử dụng không cần đến việc cài đặt trình điều khiển) Do quan trọng trình điều khiển mà thành phần bản, thiếu bo mạch đồ họa Đôi trình điều khiển chưa hoàn thiện hay tồn số lỗi dẫn đến hiệu bo mạch đồ họa bị giảm hay nhiều tuỳ mức độ, xuất hình ảnh không (sọc, cưa, rác ) RAMDAC RAMDAC (Digital-to-Analog Converter): Có chức chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự để hiển thị hình máy tính Tốc độ RAMDAC cao tốc độ làm việc xử lý đồ họa Tốc độ RAMDAC thời điểm năm 2007 thường vào khoảng 300-500 Mhz RAMDAC phận tách rời tích hợp sẵn vào xử lý đồ họa bo mạch rời Video BIOS Cũng giống tính BIOS bo mạch chủ, video bios chứa toàn thông tin thiết lập phần cứng bo mạch đồ họa Video Bios giúp cho bo mạch đồ họa hoạt động máy tính bắt đầu khởi động trình POST trước trình điều khiển hệ điều hành nạp Cai Việt Hoàng - Đề tài: Vi xử lí đồ hoạ Video bios bo mạch đồ họa dạng ROM, hàn định vị trực tiếp vào bo mạch đồ họa, dạng gắn đế cắm (đối với bo mạch đồ họa trước đây) Nhiều overlocker hacker thường thay đổi Video Bios bo mạch đồ họa để ép xung chúng (overlock) Ý nghĩa thông số card đồ hoạ Chúng ta dùng phần mềm GPU-Z để xét thông số nó: - GPU: tên GPU sử dụng cho card hình Ví dụ hình GPU GK107 dùng để tạo card hình GT 650M Nói chung thành phần quan trọng để thể sức mạnh card hình đa số nhiều trường hợp so sánh card hình với đem GPU biết mạnh (dĩ nhiên hãng NVIDIA AMD xác hơn) - GPU Clock hay Graphic Clock: Đây tốc độ vi xử lý GPU (bộ xử lý đồ họa), ví dụ hình GPU Clock card hình NVIDIA GeForce GT 650M Cai Việt Hoàng - Đề tài: Vi xử lí đồ hoạ thời gian liên tục môi trường làm việc cao Và ép xung card hình khoảng - 10% an toàn Trước đây, nhà sản xuất thường phản đối gay gắt việc ép xung card hình phần cứng lẫn phần mềm làm giảm tuổi thọ card hình thường gây cháy nổ Tuy nhiên, nhận thấy tìm từ thị trường ép xung, nhà sản xuất bắt đầu thay đổi thái độ, tung phần mềm hổ trợ ép xung card lựa chọn linh kiện tốt cho loại card hình có khả ép xung cao Ép xung đưa vào quảng cáo cạnh tranh nhà sản xuất Hàng năm có thi ép xung card hình với qui mô toàn cầu Nhà sản xuất thường ép xung card hình + rename tên sản phẩm lại để bán thiết bị dĩ nhiên giá Có thể thấy ép xung card hình ghê gớm lắm, cần thực quy trình, bạn làm tăng tốc độ xử lý card hình cách dễ dàng từ tăng cường hiệu chung cho toàn máy tính Tuy nhiên, ép xung card hình thường làm cho card hình không bảo hành, nhiều nhà sản xuất từ chối bảo hành trường hợp hỏng hóc liên quan đến ép xung Ép xung làm card hình tiêu thụ nhiều điện hơn, nhiệt lượng tỏa hoạt động cao hơn, giảm tuổi thọ card hình, chí hư hỏng thời gian ngắn người thực không nắm rõ chất vấn đề thực ép xung cách máy móc Ép xung card hình cho thành công bạn kiểm soát nhiệt độ card hình Trong trình ép xung đạt hiệu lớn nhiều người thường thay quạt tản nhiệt kèm khác có công suất lớn nhằm tăng khả giải nhiệt cho card hình, chí dùng tản nhiệt chất lỏng Hãy kiểm soát thật chặt nhiệt độ card hình bạn ép xung Hầu hết nhà sản xuất card hình hỗ trợ khách hàng số phần mềm có chức ép xung theo dõi nhiệt độ ASUS có iTracker dành cho dòng Republic of Gamers SmartDoctor cho dòng lại ATI cung cấp tiện ích Overdrive gói driver áp dụng cho sản phẩm card hình dựa tảng ATI Ở chế độ ATI Overdrive Advanced Mode of the ATI Catalyst Control Centre, bạn tùy chỉnh xung nhịp GPU lẫn nhớ Sau bấm vào “Test Custom Clocks”s Nếu xung nhịp hệ thống ổn định, bạn tăng thêm tốc độ bạn cảm thấy cân tốc độ ổn định Nếu không dám mạo hiểm muốn tận hưởng cảm giác “overclock”, thử để chế độ auto-tuning mode Tất nhiên có câu hỏi đặt liệu thực tế, hiệu card hình có tăng lên với truyền tai hay không Quả thực kết khác sản phẩm Nếu có cố bạn không cần phải lo lắng: hình Blue Screen of Death (Màn hình xanh chết chóc) ra, khởi động lại hết Một số 21 Cai Việt Hoàng - Đề tài: Vi xử lí đồ hoạ card hình đời tự reset trả lại giá trị mặc định hoạt động cũ Nếu không được, bạn boot vào Safe Mode để khôi phục lại “sức khỏe” cho card lấy lại bình tĩnh cho thân Để tránh cố đáng tiếc trình ép xung trên, cố gắng để ý kỹ đến nhiệt độ GPU Khi cảm thấy có dấu hiệu bất thường xảy ra, dừng lại đặt xung nhịp mức ổn định trước tìm cách nâng cấp quạt tản nhiệt kèm Mỗi card hình có tốc độ quạt riêng giới hạn chịu đựng ép xung khác Không phải card hình giống từ nhà sản xuất khả ép xung giống Các khả tiện ích card đồ hoạ 3.1 Khử cưa: Cụm từ khử cưa có lẽ rõ ràng Khử cưa việc áp dụng kỹ thuật xử lý hình ảnh để giảm bớt cưa bề mặt đó, giúp đem lại hình ảnh mịn màng đẹp Trong viết nói đến khử cưa game 3D (Three Dimensional - đồ họa chiều, Stereoscopic 3D tức hiệu ứng hình ảnh nổi) Nguyên lý làm việc khử cưa đơn giản, trình xử lý không đơn giản Các phần cứng máy tính ngày (cụ thể card đồ họa) cung cấp nhiều phương pháp xử lý cưa, với nhiều kết khác Thiết lập phù hợp, ưu điểm khuyết điểm loại, bạn nên chọn phương pháp phù hợp với sức mạnh Card đồ họa bạn? Bài viết gồm phần, phần giới thiệu nguyên lý làm việc kỹ thuật khử cưa Nguyên lý khử cưa Khử cưa tồn từ lâu, từ ngày công nghệ hình ảnh 3D Chúng ta không vào lịch sử công nghệ này, mà nói cách thức mà AA làm việc Như bạn biết, hình ảnh ta nhìn thấy hình cấu thành từ pixel có hình vuông, đơn vị hình ảnh có màu sắc cố định Tập hợp nhiều pixel tạo nên hình ảnh lớn Do thể đối tượng đồ họa đường chéo, hình tròn, ta gặp tượng “răng cưa”, hình thành cạnh vuông pixel Ta theo dõi ví dụ sau: Hình nguyên gốc hình xử lý khử cưa 22 Cai Việt Hoàng - Đề tài: Vi xử lí đồ hoạ Khi ta vẽ hình (đường thẳng hình tròn), card đồ họa hiểu hình vector có tọa độ, hiển thị lên hình hiển thị dạng raster, tức hình ảnh cấu tạo từ pixel độc lập Và phóng to hình ảnh raster ta thấy rõ pixel Răng cưa cạnh vuông pixel hình thành, có hình dạng bậc thang Việc khử cưa bản, việc làm giảm khác biệt rõ ràng pixel trắng đen, việc lấy mẫu pixel có sắc xám đặt bên cạnh, để làm giảm cảm giác cưa hình ảnh Tương tự vậy, ta chơi game 3D đó, hình ảnh có dạng sau: Sự khác biệt giữ có không khử cưa Các cạnh đối tượng đồ họa ví dụ hàng rào, mỏm đá… không áp dụng khử cưa có hình dạng gồ ghề, khó nhìn, áp dụng kỹ thuật khử cưa, hình ảnh trở nên mịn đẹp mắt Rất tuyệt không Lưu ý tượng cưa rõ độ phân giải thấp, đơn giản độ phân giải thấp có pixel để hiển thị đối tượng đồ họa độ phân giải cao 23 Cai Việt Hoàng - Đề tài: Vi xử lí đồ hoạ Chế độ khử cưa khác Tiếp theo bạn tìm hiểu khử cưa phải làm cụ thể để đem lại hình ảnh mịn màng hơn? Hãy tìm hiểu kỹ thuật khử cưa lâu đời nhất: SSAA (Super Sampling AntiAliasing – Khử cưa siêu mẫu) MSAA (Multi Sampling AntiAliasing – Khử cưa đa mẫu), với cách người ta áp dụng vào đồ họa trò chơi điện tử máy tính Supersampling Anti Aliasing (SSAA, tên khác FSAA – Full Scene AA): SSAA phương pháp khử cưa đời SSAA sử dụng sức mạnh phần cứng túy card đồ họa để xử lý không áp dụng nhiều thuật toán phức tạp kỹ thuật sau Nguyên tắc đơn giản: ví dụ bạn chọn thiết lập 4x SSAA game độ phân giải 1366 x 768 pixel, máy tính dựng khung hình gấp lần độ phân giải gốc game, 2732 x 1536, sau thu nhỏ khung hình xuống độ phân giải gốc 1366 x 768 Kết đạt hình ảnh trở nên mịn màng, trơn tru, bao gồm tất đối tượng game như: cạnh, vân bề mặt… Rất đơn giản hiệu quả, nhiên để đạt chất lượng hình tối ưu máy tính bạn phải gồng gánh khối lượng công việc gấp lần bình thường, giá đắt để đổi lại kết 24 Cai Việt Hoàng - Đề tài: Vi xử lí đồ hoạ Card đồ họa dựng khung hình gấp lần kích thước gốc Sau resize lại kích thước cũ để tạo hiệu ứng khử cưa Thực tế đến thời điểm này, SSAA phương pháp khử cưa cho chất lượng hình ảnh đẹp nhất, để có chất lượng tốt vậy, thành phần máy bạn phải chạy với công suất gấp nhiều lần khối lượng công việc gốc phải làm Kết khung hình game sụt giảm nghiêm trọng tương ứng với số mẫu khử cưa SSAA Do đó, nhà phát triển phát triển nhiều giải pháp hiệu nhằm cân chất lượng hình ảnh hiệu Multisampling (MSAA): Kỹ thuật khử cưa MSAA phát triển nhằm thay cho SSAA vốn không hiệu tốc độ khung hình MSAA cố gắng cân hiệu chất lượng hình ảnh, cách chọn lọc khử cưa chỗ cần thiết bỏ qua chỗ không cần thiết, giúp giảm tối đa lượng cưa khả cho phép mà đảm bảo hiệu ổn định Nguyên tắc thực MSAA tìm cạnh vật thể tiến hành khử cưa cho Để làm việc này, card đồ họa sử dụng thuật toán riêng gọi “Z-test” để nhận biết cạnh vật thể, tiến hành lấy mẫu màu sắc pixel cạnh thay pixel bên cạnh pixel có màu sắc trung gian tùy vào vị trí số mẫu lấy 25 Cai Việt Hoàng - Đề tài: Vi xử lí đồ hoạ Sau ví dụ minh họa cách thức làm việc MSAA Ở ta có pixel cạnh để thể đường chéo Nếu không áp dụng thuật toán khử cưa, ta có kết hình bên cạnh , đơn giản card đồ họa lấy màu sắc trung tâm pixel để thể lên hình, pixel có đối tượng Mỗi pixel lấy mẫu trung tâm pixel đó, cho hình ảnh bên phải Nếu MSAA áp dụng (mức 4X) card đồ họa tiến hành lấy mẫu pixel, mẫu card đồ họa xử lý giá trị màu sắc trung bình pixel có màu trung gian Theo hình bên ta thấy pixel phía bên trái có mẫu có màu xanh dương mẫu có màu xanh lục, card đồ họa xử lý pixel có màu gồm 50% xanh dương 50% xanh lục Tương tự, pixel bên phải phía có 25% màu xanh dương 75% màu xanh lục Riêng pixel góc phép thử “Z-test” xác định cạnh nên MSAA không lấy mẫu, giúp giảm tải cho hệ thống 26 Cai Việt Hoàng - Đề tài: Vi xử lí đồ hoạ Mỗi pixel lấy mẫu thử, sau màu cho pixel trộn kết mà mẫu đem lại Theo ta thấy với số mẫu tăng lên độ xác việc pha màu cao hơn, làm giảm hiệu ứng cưa đi, nhiên card đồ họa phải chịu gánh nặng nhiều khung hình giảm nhiều bình thường Việc áp dụng thuật toán “Z-test” giúp MSAA tránh việc phải lấy mẫu pixel đối tượng khác nằm bên đối tượng cần lấy mẫu MSAA rõ ràng đem lại hiệu cao hẳn SSAA, cân hiệu chất lượng hình ảnh Tuy nhiên MSAA phát huy hiệu với cạnh biên đối tượng, lớp vân bề mặt (texture) đối tượng không xử lý, SSAA ngược lại xử lý khử cưa với tất đối tượng hình Do với đối tượng có lớp vân bề mặt suốt nguyên cưa sử dụng MSAA Ví dụ rõ nhược điểm MSAA, để ý kỹ hàng rào lưới Do lớp hàng rào nằm lớp vân bề mặt suốt (để nhìn thấy đối tượng phía sau) nên không nằm diện xử lý MSAA, kết cưa khắp nơi hàng rào, xấu xí Trong SSAA không cần phân biệt xử lý hết nên hình ảnh mịn màng Do MSAA hạn chế nên nVIDIA AMD phát triển kỹ thuật khử cưa riêng Cả hai hãng sức quảng bá cho công nghệ riêng cho ưu việt công nghệ đối thủ Thực hư việc phần viết trình bày rõ Nhưng trước hết ta nhìn lại hiệu công nghệ cổ điển xử lý dòng card tiếng nVIDIA GeForce AMD Radeon Chế độ khử cưa lấy mẫu bao phủ với công nghệ CSAA nVIDIA EQAA AMD: Với mắt dòng card GeForce 8, nVIDIA giới thiệu kỹ thuật việc xử lý cưa khử cưa lấy mẫu bao phủ (CSAA - Coverage sampling antialiasing) Về CSAA MSAA có lấy thêm mẫu bao phủ bênh cạnh Mẫu bao phủ thực việc kiểm tra xem có đa giác nằm vị trí hay không, sau thực việc tính toán để xác định màu cuối cho pixel Các mẫu bao phủ tương đối dễ thu thập, giúp tăng cường chất lượng hình ảnh hiệu so sánh với MSAA Nói đơn giản CSAA 4x tương đương với MSAA 2x, CSAA 8x nặng MSAA 4x tương tự Chúng ta theo dõi hình minh họa sau, ô vuông màu tím pixel, màu đỏ vị trí lấy mẫu MSAA, màu vàng vị trí lấy mẫu bao phủ Tại chế độ 2x MSAA, ta có thêm mẫu bao phủ tương đương vị trí lấy mẫu CSAA, kết chất lượng hình ảnh cao so với 2x MSAA truyền thống AMD giới thiệu công nghệ xử lý cưa tương tự với CSAA nVIDIA, gọi chế độ khử cưa tăng cường chất lượng (enhanced quality anti-aliasing - EQAA), dòng card Radeon HD 6900 Tuy nhiên dòng card đồ họa lại AMD (kể 27 Cai Việt Hoàng - Đề tài: Vi xử lí đồ hoạ Radeon HD 6800) gánh EQAA, đa phần người dùng AMD sử dụng EQAA Trái lại, card NVIDIA hỗ trợ CSAA rộng Khử cưa tạm thời (Temporal AA – TAA) - AMD Cùng với mắt dòng Radeon X800 ATI (thời điểm này) giới thiệu kỹ thuật khử cưa mới, gọi khử cưa tạm thời (TAA) Về chất TAA dựa MSAA, sử dụng thủ thuật nhỏ để gấp đôi số mẫu MSAA cách sử dụng mẫu MSAA pixel khác khung hình Điều dựa vào đặc điểm mắt người: số khung hình giây (frame per second, hay gọi tắt FPS) vượt 60, mắt người không đủ khả để phân biệt khác khung hình liên tiếp nhau, đó, ATI dựa vào đặc điểm để tiến hành nhân đôi số mẫu MSAA Theo dõi ví dụ trên, ta có khung hình (frame 1) khung hình (frame 2) nhau, card đồ họa tiến hành lấy mẫu khung hình (màu xanh lá) mẫu khung hình (màu xanh dương) áp dụng mẫu thử cho khung hình chung Kết ta có 4x MSAA mà card đồ họa phải gánh công việc 2xMSAA bình thường Tương tự 4xMSAA bình thường đạt chất lượng 8xMSAA sử dụng TAA Tuy nhiên TAA nhược điểm Trước tiên, V-sync* phải bật sau đó, máy phải đủ mạnh để trì số khung hình 60, mức khung hình sụt xuống 60, TAA bị vô hiệu hóa Nguyên lý đơn giản hiệu quả, nhiên nhược điểm không dễ chịu Do TAA bị ATI loại bỏ driver Catalyst thời gian sau *V-sync (Đồng tốc độ khung hình với tần số làm tươi hình): tính giới hạn FPS tối đa với tần số làm tươi hình, ví dụ hình bạn có Refresh Rate 60Hz bật V-sync, FPS tối đa 60 28 Cai Việt Hoàng - Đề tài: Vi xử lí đồ hoạ Khử cưa tùy chỉnh (Custom Filter Anti-Aliasing – CFAA hay có tên khác EDAA) - AMD Được mắt với ATi Radeon HD 2900XT, CFAA kỹ thuật khử cưa mà không lấy mẫu bên pixel mà lấy mẫu bên pixel Điều có nghĩa mẫu thử lấy bán kính định mà pixel gốc trung tâm Khi giới thiệu, ATI cung cấp lọc (filter) CFAA Narrow, Wide Edge-Detect Narrow Wide bán kính thu mẫu so với pixel, lọc Edge-Detect lại áp dụng thuật toán để nhận diện cạnh đối tượng đồ họa tập trung việc khử cưa khu vực Dễ thấy Edge-Detect cách thức CFAA đạt hiệu cao nhất, nhận diện cạnh xử lý cạnh này, vốn đối tượng chứa nhiều cưa nhất, nặng nề yêu cầu việc xử lý thuật toán phức tạp Các lọc theo bán kính đem lại hiệu không đáng kể so với MSAA truyền thống, AMD bỏ lọc kể từ dòng Radeon HD 6000 series Cũng khung hình sau phóng to lên lần 29 Cai Việt Hoàng - Đề tài: Vi xử lí đồ hoạ Như nói trước, kỹ thuật EQAA dành riêng cho dòng Radeon HD 6900 cao cấp, kỹ thuật CFAA sát cạnh phù hợp với dòng Radeon HD 6800 trở xuống, cung cấp chất lượng hình ảnh so với MSAA truyền thống, lại không nặng nề so với EQAA Khử cưa hình thái học (Morphological Anti-Aliasing – MLAA) - AMD Khử cưa hình thái học (MLAA) kỹ thuật khử cưa hoàn toàn, giới thiệu với Radeon HD 6800 Nó có cách tiếp cận khác hoàn toàn với kỹ thuật trước đó, MLAA kỹ thuật hậu xử lý (post-processing) Nó không tiến hành xử lý màu sắc pixel xuất kỹ thuật trước, mà xử lý khung hình sau dựng hoàn chỉnh Nguyên lý làm việc sau: MLAA phân tích khung hình, xác định cạnh phổ màu khung hình, sau xác định đối tượng cụ thể, tiến hành làm mờ cạnh phương pháp pha trộn màu MLAA tương tự với lọc giảm cưa Adobe Photoshop Phân biệt cạnh đối tượng (trái), tiến hành pha trộn màu để giảm cưa (phải) Trên thực tế, MLAA hoạt động tốt, đem lại chất lượng hình ảnh gần tương đương với SSAA (kỹ thuật khử cưa có chất lượng hình ảnh tốt nhất) mức độ công việc cho card đồ họa sánh ngang với CFAA Edge-Detect Nhìn chung, đem lại chất lượng hình ảnh tốt kỹ thuật khử cưa mà lại không nặng nề Nhưng, nói, kỹ thuật hoàn hảo cả, MLAA Do nguyên lý xử lý hậu cảnh mình, MLAA khử “răng cưa” tất đối tượng độc lập, điều kể chữ, đối tượng HUD hình (đạn dược, giáp…) bị làm mờ đi, khó chịu, đặc biệt chữ có kích thước nhỏ MLAA có dòng Radeon HD 6000, với driver Catalyst 11.2 trở dòng card Radeon HD 5000 hỗ trợ 30 Cai Việt Hoàng - Đề tài: Vi xử lí đồ hoạ Kỹ thuật khử cưa Quincunx - AMD Quincunx giới thiệu với hệ card Geforce (ra mắt năm 2001) Quincunx dùng nguyên lý khử cưa kỳ lạ, không lấy mẫu xung quanh pixel mà tạo khung hình tại, theo hướng 45 độ ngược chiều kim đồng hồ, nhờ mà pixel góc có pixel bên cạnh, giúp làm mờ khác màu pixel gốc pixel lân cận, tạo nên hiệu ứng làm mờ cưa Mặc dù NVIDIA giới thiệu Quincunx đem lại hiệu khử cưa tương đương 4xAA với thiết lập 2xAA, thực tế, phương pháp làm cho hình ảnh trở nên lờ mờ khó chịu, chất thực khử cưa công nghệ nói trước Do từ đời Geforce trở NVIDIA bỏ Quincunx Geforce trở đủ mạnh để gánh vác MSAA Như hình trên, ta thấy pixel gốc màu đen, pixel có màu đỏ lệch góc 45 độ so với pixel gốc, từ pixel đen bao quanh pixel đỏ tạo hiệu ứng làm mờ, giúp giảm bớt cưa Khử cưa ước tính nhanh (Fast Approximate Anti-Aliasing - FXAA) - NVIDIA FXAA câu trả lời nVIDIA dành cho MLAA ATi Tương tự MLAA, FXAA kỹ thuật xử lý hậu cảnh FXAA tìm nhận biết đối tượng độc lập áp dụng lọc làm mềm để giảm mức tương phản đối tượng với môi trường xung quanh, kết đối tượng giảm bớt cưa Điểm khác FXAA tìm mức độ tương phản pixel MLAA tìm độ tương phản khuôn mẫu (pattern), FXAA nhìn chung hiệu MLAA 3.2 FPS FPS viết tắt cụm từ Frame Per Second tức số không hình hiển thị vòng giây hay nói cách khác, thể khả làm việc card hình vẽ hình hình bạn Như vậy, Frame Per Second (từ sau dùng từ FPS) cao chứng tỏ card hình (nói riêng) hay toàn hệ thống PC (nói chung) bạn mạnh Khi 31 Cai Việt Hoàng - Đề tài: Vi xử lí đồ hoạ hình ảnh hiển thị đẹp hơn, người chơi game cảm thấy mượt mà hơn, không cảm giác khó chịu 3.3 Shader Trong lĩnh vực đồ họa máy tính, Shader chương trình máy tính sử dụng để làm bóng: việc tạo lượng thích hợp màu sắc hình ảnh, hay, thời đại đại, để tạo hiệu ứng đặc biệt làm video sau chế biến Một định nghĩa cư sĩ đưa "một chương trình mà nói với máy tính làm để vẽ một cách cụ thể độc đáo." Shaders tính toán render hiệu ứng phần cứng đồ họa với mức độ cao tính linh hoạt Hầu hết bóng đổ mã hoá cho đơn vị xử lý đồ họa (GPU), yêu cầu nghiêm ngặt ngôn ngữ Shading thường sử dụng để chương trình đường ống GPU lập trình, có chủ yếu thay đường ống dẫn cố định chức năng, cho phép chức chung biến đổi hình học pixel-shading; với bóng đổ, hiệu ứng tùy chỉnh sử dụng Vị trí, màu sắc, độ bão hòa, độ sáng độ tương phản tất điểm, đỉnh, kết cấu sử dụng để xây dựng hình ảnh cuối thay đổi bay, sử dụng thuật toán định nghĩa shader, sửa đổi biến bên kết cấu giới thiệu chương trình gọi điện thoại đổ bóng Shaders sử dụng rộng rãi xử lý sau rạp chiếu phim, hình ảnh máy tính tạo ra, trò chơi video để sản xuất loạt dường vô hạn hiệu ứng Ngoài mô hình ánh sáng vừa đơn giản, sử dụng phức tạp bao gồm việc thay đổi màu sắc, độ bão hòa, độ sáng / độ tương phản hình ảnh, sản xuất mờ, nở ánh sáng, ánh sáng tích, lập đồ bình thường cho hiệu ứng chiều sâu, bokeh, cel shading, posterization, lập đồ băng, biến dạng, chroma keying (cái gọi "bluescreen / greenscreen" hiệu ứng), cạnh phát phát chuyển động, hiệu ứng ảo giác, loạt khác 32 Cai Việt Hoàng - Đề tài: Vi xử lí đồ hoạ III Ứng dụng vi xử lí đồ hoạ thiết bị điện tử Xử lý hình ảnh, hiệu ứng phim ảnh hoạt hình Trước GPU đời, CPU vừa phải xử lý chương trình vi tính, kiện vừa kiêm công việc xử lý đồ họa, hình ảnh Lượng công việc nhiều nên CPU hoạt động theo xu hướng ban phát đồng mức tài nguyên Công việc đồ họa công việc văn phòng nhận lượng tài nguyên Chính vậy, sản phẩm đồ họa đời bị hạn chế nhiều Nhưng từ điện toán GPU đời thứ hoàn toàn thay đổi giúp giảm bớt khối lượng công việc cho CPU, CPU nhiệm vụ kéo hệ thống chạy theo hoạt động GPU dành xung cho nhiệm vụ khác hệ thống, tiết kiệm thời gian đáng kể, giải áp lực việc cung cấp sản phẩm chất lượng cao cho thị trường, … Và vai trò GPU máy tính ngày quan trọng hơn, không dừng lại việc xuất tín hiệu hình hay hỗ trợ chơi game 3D mà việc tận dụng nhân đồ hoạ (GPU) tham gia hỗ trợ xử lý nhân CPU để đưa ứng dụng bổ ích như: DXVA (DirectX Video Acceleration) chương trình xem phim, HWA (Hardware Acceleration) trình duyệt web, MS Powerpoint 2010 tận dụng GPU để thể hiệu ứng mượt mà Những lĩnh vực sử dụng GPU GPU vi xử lý chuyên thực dạng phép tính đặc biệt cần thiết cho đồ họa 3D hình ảnh động sử dụng chủ yếu cho ứng dụng 3D, 2D, thiết kế kỹ thuật, dựng phim, làm hiệu ứng phim… 33 Cai Việt Hoàng - Đề tài: Vi xử lí đồ hoạ GPU lĩnh vực đồ họa Trong máy tính đại, GPU đảm nhận nhiệm vụ tăng tốc video theo chuẩn Adobe Flash, chuyển đổi video định dạng, nhận diện hình ảnh, hỗ trợ nhận diện mẫu virus nhiều nhiệm vụ khác Tiềm GPU tương lai lớn Nó sử dụng rộng rãi để tăng tốc độ tính toán lĩnh vực hình ảnh y khoa, điện từ, mô hình tài chính, nghiên cứu khoa học đại thăm dò dầu khí… Khả tính toán dấu chấm động cực lớn nhờ vào hỗ trợ GPU hệ thống ra-đa Lý mà GPU chấp thuận rộng rãi trở thành khuynh hướng chủ đạo phát triển vi xử lý lực tính toán, khả ngày phát triển nhanh nhiều so với CPU (mỗi hệ GPU khoảng 18 tháng) CPU thay cho GPU không? Như trình bày trên, chuyên môn GPU xử lý tác vụ hình ảnh, tính toán đồ họa, máy tính cần xử lý nhiều thế, nên GPU chưa thể thay cho CPU Tuy nhiên, GPGPU khác, không đảm nhận vai trì xử lý hình ảnh, mà thực tính toán phức tạp thông minh không khác CPU CPU ngày cải tiến tích hợp chức xử lý hình ảnh, đồ họa phức tạp Trong tương lai người dùng máy tính không cần phải trang bị CPU lẫn GPU, CPU làm thay nhiệm vụ GPU Tuy nhiên, hẳn giá thành máy tính CPU tích hợp GPU cao nhiều so với máy sử dụng CPU đơn Không phải cần sử dụng nhiều đến GPU, với họ máy tính có CPU đủ Vì vậy, việc CPU thay cho GPU chờ kết cục đối đầu trường kỳ hãng Intel NVIDIA 34 Cai Việt Hoàng - Đề tài: Vi xử lí đồ hoạ KẾT LUẬN CHUNG Bài viết phần nêu lên khái niệm tầm quan trọng vi xử lí đồ hoạ hệ thống máy tính đại Từ hiểu phần công dụng tiện ích vi xử lí đồ hoạ mang lại Từ dễ dàng chọn card đồ hoạ hợp lí ưng ý, phù hợp với mục đích cá nhân để cải thiện chất lượng công việc cho tốt 35 ...Cai Vi t Hoàng - Đề tài: Vi xử lí đồ hoạ Cai Vi t Hoàng - Đề tài: Vi xử lí đồ hoạ MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Trong năm đầu ngành công nghệ thông tin, máy vi tính xa xỉ, lạ mà người... dùng card đồ hoạ Cai Vi t Hoàng - Đề tài: Vi xử lí đồ hoạ MỤC LỤC MỞ ĐẦU NỘI DUNG I Sự hình thành, thành phần phát triển vi xử lí đồ hoạ Khái niệm vi xử lí đồ hoạ ... 35 Cai Vi t Hoàng - Đề tài: Vi xử lí đồ hoạ NỘI DUNG I Sự hình thành, thành phần phát triển vi xử lí đồ hoạ Khái niệm vi xử lí đồ hoạ Card hình (VGA: Video Graphics Adaptor hay Video Graphics