PCGH-Retro: 3D-Lexikon, Teil 2

Dieser Artikel erschien im Original in der PC Games Hardware 08/2001, die Begrifflichkeiten haben sich aber seitdem kaum geändert. Weitere Fachbegriffe aus der Welt der 3D-Grafik können Sie in unserem ersten Teil des 3D-Lexikons nachlesen: PCGH-Retro: 3D-Lexikon Teil 1

AGP
Die Abkürzung AGP steht für "Accelerated Graphics Port" oder "beschleunigter Grafikanschluss". Über diese Steckerverbindung kommuniziert die Grafikkarte mit dem Rest des Computersystems. Auch die Stromversorgung wird über diesen Anschluss sichergestellt. Ganz so "beschleunigt" ist dieser von Intel entwickelte Einsteckplatz für Grafikkarten jedoch nicht, erweist er sich doch speziell für die kommenden T&L-Spiele als zentraler Flaschenhals. Nur 32 Leiterbahnen sind für Datentransporte reserviert, die restlichen Anschlusspins sorgen für die Stromzufuhr. Aktuell gibt es drei Betriebsmodi, AGP 1X, AGP 2X und AGP 4X. Der AGP-Steckplatz arbeitet dabei immer mit 66 MHz Taktrate. Er kann daher mindestens doppelt so schnell Daten vom System übertragen wie ein betagter PCI-Steckplatz (33 MHz).

Für zusätzliche Leistungssteigerungen sorgen Techniken, wie sie in jüngster Zeit auch bei Grafikkartenspeichern eingesetzt werden. Im AGP-2X-Modus arbeitet der AGP im "Double Data Rate"-Modus mit zwei Datenübertragungen pro Takt. Im AGP-4X-Modus werden pro Takt sogar 4 Datenpakete (Quad Data Rate) übertragen. Maximal überträgt der Anschluss 1 Gigabyte Daten pro Sekunde. Der geplante AGP-8X-Standard wird mit acht Datenpäckchen pro Taktschlag noch eins draufsetzen. 2 GB/s Übertragungsrate werden angepeilt. Diverse Spezialfeatures zieren die AGP-Spezifikation. Mit DIME (Direct Memory Execute, auch "AGP Texturing" genannt) kann der Grafikchip einzelne Texel einer Textur direkt aus dem Hauptspeicher beziehen. Das funktioniert, ohne die komplette Textur zur Grafikkarte zu laden. In seltenen Fällen kann dies von Vorteil sein, im Normalfall lohnt sich dieses Vorgehen nicht. Da andere Teile dieser Textur höchstwahrscheinlich sowieso benötigt werden, ist eine vorübergehende Speicherung der ganzen Textur im lokalen Speicher der Grafikkarte sinnvoller, beim nächsten Zugriff wären diese dann sofort abrufbar.

Das "AGP Fastwrites"-Feature erlaubt der CPU, die berechneten Dreiecksdaten direkt zur Grafikkarte zu schicken, ohne sie zuerst zurück in den Systemspeicher zu schreiben. Dies spart Speicherbandbreite beim Hauptspeicher, erhöht jedoch die Abhängigkeit der Grafikkarte von der CPU.

API
Die API (=Application Programmer Interface) dient als Vermittlungsstelle zwischen 3D-Spiel und Grafikbeschleuniger. Damit der Programmierer seine Programmroutinen nicht an jeden einzelnen 3D-Chip anpassen muss, werden standardisierte 3D-Funktionen in einer Sammlung bereitgestellt. Über diese Funktionssammlung kommuniziert das Spiel mit dem 3D-Chip. Der Programmierer ruft diese Funktionen ab, die theoretisch unabhängig von der eingesetzten Grafikkarte funktionieren. Der Treiber des 3D-Beschleunigers empfängt die Befehle und schickt sie im richtigen Format an die Grafikkarte. Falls diese die Funktion nicht in Hardware verarbeiten kann, versucht sie, den Effekt in Software nachzubilden. Letzteres gelingt nur, falls der Effekt die Dreiecks-Berechnungen betrifft. Bei pixelgenauen Rendering-Effekten mit Texturaufrufen wie Bump Mapping ist der Effekt nicht zu emulieren; er kann daher nicht dargestellt werden.

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Curved Surfaces
Ein Neuling im 3D-Vokabular ist der Begriff "Curved Surfaces". Diese "gekrümmten Flächen" bringen mehr Rundungen in die virtuellen Welten, indem Objekte nicht mehr nur aus Dreiecken, sondern aus Bögen und wellenförmigen Oberflächen zusammengesetzt werden können. Grafikchips, welche solche Flächen verarbeiten können, zerlegen diese innerhalb des Chips in sehr viele kleine Dreiecke. Die Zerlegung nennt sich im Fachjargon "Tesselation". Da die Dreiecksschar erst im Grafikchip entfaltet wird, spart man sich mit dieser Technik Übertragungsleistung auf der AGP-Verbindung zur Grafikkarte. Statt viele Dreiecke über den AGP-Bus zu schicken, reichen einfache Beschreibungen für eine ganze Fläche. Mittels komplizierter Mathematik kann der Grafikchip daraus die echte Form der Fläche rekonstruieren.

Hardware T&L
Jedes 3D-Spiel nutzt zur Darstellung der Spielewelt Dreiecke. Die Dreiecke müssen bei jeder Bildberechnung neu positioniert ("transform") und beleuchtet ("lighting") werden. Diese Aufgabe wird bei älteren Spielen und bei Grafikkarten ohne "Hardware T&L"-Funktion vom Hauptprozessor "in Software" ausgeführt, wobei für die Berechnungen meist die speziellen CPU-Multimedia-Erweiterungen (3DNow!/SSE) eingespannt werden. Bei Beschleuniger-Boards mit "Hardware T&L" wird diese Arbeit vom Grafikchip übernommen. Der 3D-Prozessor berechnet dann die ganze 3D-Szenerie ohne die Hilfe der CPU, die sich voll den Berechnungen zur Physik und Gegnerintelligenz widmen kann.

Anti-Aliasing
Kantenglättung ist eine Art des "Anti-Aliasing", also der Korrektur von Bildfehlern. Da ein Grafikchip nur mit einer begrenzten Genauigkeit die virtuelle 3D-Welt darstellen kann (beispielsweise mit 1.024x768 Bildpunkten), entstehen Fehler und Ungenauigkeiten wie die bekannten Treppenstufen. Kantenglättung berechnet intern mehrere Versionen desselben Pixels und versucht dadurch, die beschränkte Berechnungsgenauigkeit künstlich zu erhöhen. Dafür werden Subpixel (Teilpunkte) an leicht unterschiedlichen Positionen innerhalb des Pixels berechnet. Für das endgültig dargestellte Pixel werden diese Subpixel miteinander vermischt, was zu weicheren Übergängen führt. Abrupte Farbübergänge werden so durch das Hinzufügen von neuen Farbabstufungen abgeschwächt. Heutige Grafikchips erzeugen die zusätzlichen Teilpunkte entweder mit einer höheren internen Auflösung (beispielsweise 1.600x1.200 statt 800x600) oder mit dem Berechnen mehrerer Bilder aus ähnlichen Betrachterpositionen.

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MIP Mapping
Ab ins Altertum! Die Abkürzung MIP entstammt dem Lateinischen und steht für "multum in parvo" (viele in einem). Die Technik sorgt dafür, dass mit Texturen beklebte Gegenstände sowohl in der Nähe wie auch in der Ferne immer perfekt aussehen. Unter anderem leistet MIP Mapping einen entscheidenden Beitrag zur Reduktion des Pixelflimmerns. Pixelflimmern ist ein störender Effekt, der besonders stark bei Spielen mit weitem Sichtfeld (Flugsimulationen, Rennspiele) auftritt. Statt nur eine Texturgröße zu verwenden, erstellt der Spiele-Entwickler einfach mehrere Auflösungsstufen derselben Textur. Eine 512x512 große Textur wird gleichzeitig von einem hochwertigen Grafikprogramm in Größen mit 256x256 Pixel, 128x128 Pixel und weiteren heruntergerechneten Auflösungen abgelegt. Dabei wird die Kantenlänge der Ausgangstextur immer halbiert. Der Grafikchip wählt abhängig vom Tiefenwert des zu berechnenden Pixels (Per Pixel MIP Mapping) die passendste Texturversion aus. Bei weit entfernten Pixeln wird der Texturwert aus der Version mit der kleineren Auflösung ausgelesen, bei nahen Pixeln die hochauflösende und detaillierte Version. Die Folge: Der Grafikchip muss die Texturen weniger skalieren. Dabei entstehen weniger Fehler, da die vorberechneten Texturen eine höhere Qualität erreichen als die in Echtzeit erzeugen Versionen des Grafikchips. Problematisch sind dabei abrupte Wechsel zwischen den Texturgrößen. Trilineares Filtering verwischt diesen Wechsel und sorgt für die perfekte Texturoptik.

Perspektivische Korrektur
Die perspektivische Korrektur gehört zum Texturing. Beim Auftragen einer Textur auf ein Dreieck muss der 3D-Prozessor die perspektivische Verzerrung berücksichtigen. Wichtig ist dies vor allem bei Objekten, die sich vom Vorder- in den Hintergrund erstrecken (Wände und Böden). Je weiter weg eine Fläche dargestellt wird, umso "enger" wird diese. Beim Auftragen der Texturen sind dafür spezielle, pixelgenaue Berechnungen fällig, welche über das ganze Dreieck nötig sind. Je größer die Dreiecke, umso wichtiger sind diese Berechnungen. Die ersten 3D-Chips beherrschten diese Fähigkeit noch nicht, die Berechnungen wurden nur 1-mal pro Polygon ausgeführt, was zu unrealistischen Sprüngen beim Wechseln vom einen Polygon zum nächsten führte. Heute beherrscht jeder Pixelknecht diese pixelgenaue Textur-Skalierung.

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Polygon
Das Polygon ist das Grundelement, aus dem der Spiele-Entwickler seine virtuelle Welt aufbaut. Hardwarebeschleunigte 3D-Spiele bestehen fast ausschließlich aus Polygonen ("Vielecken"). Polygone können beispielsweise Dreiecke (engl. Triangles) oder Vierecke (engl. "Quads") sein, die bündig aneinander gefügt werden. Nutzt ein Spiele-Entwickler Vierecke, beispielsweise zur Darstellung eines Würfels, so werden diese vor der weiteren Berechnung vom 3D-Chip in zwei Dreiecke zerlegt. Auch alle anderen Polygone werden schlussendlich in Dreiecke umgewandelt.

Pixel
Der Grafikchip empfängt Dreiecke und verwandelt diese in viele bunte Pixel (Bildpunkte, "Picture Elements"), der kleinsten Einheit auf dem Monitor. Pixel bilden das Grundelement eines jeden Computerbildes. Im oft genutzten 1.024x768-Bildmodus sehen Sie 768 Bildschirmzeilen mit je 1.024 Bildpunkten, d. h. insgesamt 786.432 einzelne Bildpunkte. Die Punkte sind so klein, dass sie üblicherweise nicht vom Auge erkannt werden. In 3D-Spielen muss jeder dieser Punkte vom Grafikprozessor berechnet werden. Zur Berechnung gehört die Bestimmung der Grundfarbe, des Texturwerts und der Schattierung. Die Arbeit steigt an, je mehr Bildpunkte sie darstellen wollen. Ältere Beschleuniger sind deshalb nur bei niedrigen Auflösungen (640x480) schnell genug, während moderne 3D-Raketen selbst 1.920.000 Bildpunkte (1.600x1.200) 60 Mal in der Sekunde berechnen können.

RAMDAC
Der RAMDAC (Random Access Memory Digital Analog Converter) wandelt die digital im Bildspeicher abgelegten Pixelinformationen in ein analoges Videosignal um, welches vom Monitor verstanden wird. Heutige RAMDACs arbeiten mit rund 300 bis 400 MHz und können den ganzen Bildspeicher mehr als 100-mal in der Sekunde an den Monitor schicken (100 Hz). Das Bauteil ist bereits seit Jahren auf dem Kern des Grafikchips untergebracht und daher bei allen Grafikkarten desselben Typs (wie beispielsweise GeForce2 oder KYRO) identisch. Sein Einfluss auf die 2D-Signalqualität ist mittlerweile irrelevant, externe Bauteile auf der Grafikkarte (Signalfilter) bestimmen schlussendlich die Schärfe des Bildes. Ist ein moderner digitaler LC-Flachbildschirmen an Ihren PC angeschlossen, so bleibt der RAMDAC untätig. Das Bild wird direkt digital übertragen.



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