Grundlagen zu Grafikkarten Teil 1: Grafikprozessoren

Nach dem Vertexshader wird es Zeit für den Triangle Setup. Über eine Clippingeinheit wird bestimmt, ob ein Primitiv derzeit sichtbar ist oder nicht. Es wird also kontrolliert, ob ein Primitiv außerhalb des Sichtbereiches eines Spielers ist oder ob es z.B. von der falschen Seite (Hinterseite einer Mauer) sichtbar ist. Einige unter euch dürften das in Form von Fehlern schon mal gesehen haben. Wenn ihr u.a. durch eine Wand schauen könnt oder Texturen ständig auftauchen und wieder weg gehen.

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Ist der Triangle Setup abgeschlossen, wird der nächste Schritt, die Rasterisierung, eingeleitet. Bei diesem Prozess wird den Primitiven der Pixelinhalt zugeordnet. So entsteht aus einer schräg liegenden Linie oder Seite eines Dreiecks ein treppenartiges Gebilde. Glatte Linien eines Primitives wirken deshalb ziemlich kantig. Bei Bewegung entsteht so das berüchtigte Treppenwandern. Je nach Größe des Rasters (die Bildschirmauflösung), auf das die Primitive gelegt werden, wird das Bild fürs Auge grober oder feiner. Bei einer hohen Auflösung (einem großen Raster) fällt mehr Zuweisungsarbeit für die Primitive an, dafür ist das Bild schöner.

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Während der Rasterisierung wird mit Hilfe eines "Hidden Surface Removal" (Versteckte Oberflächen entfernen) entschieden, ob bestimmte Pixel weiter berechnet werden müssen. Hier wird das, was nicht sichtbar ist - wir erinnern uns ans Triangle Setup - endgültig entfernt. Durch dieses Verfahren spart man sich Rechenleistung, da diese Pixel von der weiteren Berechnung ausgeschlossen werden. Aber wie weiß eine Grafikkarte, was denn nun verdeckt ist und was nicht? Dies wird über den Z-Buffer bestimmt. Der Z-Buffer enthält Informationen über die Tiefe eines Pixels, sprich wie weit es im Bild "drin" ist. Mit diesem Tiefenwert wird dann bestimmt, ob ein Objekt durch ein anderes verdeckt wird. Je nach 3D Karte kann hier mehr oder weniger Platz für andere zu berechnende Pixel geschaffen werden. Aber wie gut das ganze dann in die Tat umgesetzt wird, bestimmt die 3D Engine eines Programmes.

Und so sieht das ganze HSR-Verfahren dann aus:

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Der rote Strich stellt eine Wand dar. Im linken Bild wird das gelbe Objekt, da es im Sichtfeld liegt, berechnet obwohl der Spieler es gar nicht sieht. Rechts wird nur der wirklich sichtbare Bereich berechnet.

Kommen wir nun zum wichtigsten Arbeitsschritt einer GPU, dem Fragmentshader. Wie schon weiter oben erwähnt, führt der Fragmentshader Berechnungen auf Pixelebene bzw. pixelweise durch. Sämtliche Anweisungen für die Fragmentshader sind in der jeweiligen Programmierschnittstelle, dem Pixelshader im DirectX, festgelegt. Leider kann nur für ein 2x2 Pixelblock oder ein Pixelquad dieselbe Berechnung durchgeführt werden, so dass also ein Verbund von 4 Pixelpipelines an einem Pixelquad arbeitet. Dies ist zurückzuführen auf eine unzureichende Steuerlogik, was sich in Zukunft allerdings ändern könnte.

Diese Quadpipelines sind nun für den Großteil der Geschwindigkeit einer Grafikkarte zuständig. Zum einen spielt die Anzahl der Pipelines eine sehr große Rolle, denn mehr Einheiten können mehr gleichzeitig berechnen, zum anderen ist aber hier die gewählte Bildschirmauflösung sehr ausschlaggebend. Unabhängig von der Anzahl der vielen Polygone verändert sich die Anzahl der Pixel je nach Auflösung. Ebenso ist aber entscheidend, wie eine Pipeline ihre Berechnungen durchführt. Das ist aber von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich.

Führt z.B. eine nVIDIA GeForce6 Karte eine Texturberechnung durch, wird die entsprechende Pipeline bis zur Fertigstellung der Berechnung blockiert d.h. sie ist in dieser Zeit nicht ansprechbar. Eine aktuelle Radeon x800 Karte besitzt für diesen Zweck eine zusätzliche Textur ALU (Arithmetic Logical Unit). Das ermöglicht der Karte Berechnungen parallel zu erledigen. Alle nötigen Texturdaten werden von einer TMU (Textur Mapping Unit) aus dem Grafikkartenspeicher ausgelesen und in beliebig vielen Durchgängen verrechnet.

Hier wären wir bei den Texturfiltern angelangt. Je nach der Anzahl der durchgeführten Berechnungen spricht man von bilinearer (2fache), triliniearer (3fache) oder anistroper (mehrfache) Filterung. Das Ergebnis sieht man in der deutlich höheren Texturschärfe, spürt man aber deutlich in der Performance. Aber was macht jetzt der Fragmentshader? Nun, der Fragmentshader ist zuständig für die Verrechnung von Pixelinformationen. Diese sind erstmal die Farben rot, blau, grün sowie einer vierten Information, dem Alphaanteil (Transparenz).

Ist nun ein Datenpaket bzw. ein Pixelblock fertig berechnet, wird dieser weiter zu den ROPs (Rasteroperatoren) gesendet. Der Rasteroperator ist nun für das Fertigstellen des gesamten Bildes zuständig. Er übernimmt das zusammenfügen der einzelnen "Texturfetzen", was im Fachjargon als Blending bezeichnet wird. Weitere Operationen sind das Verrechnen des Z-Buffers (Tiefeninformation der Textur) sowie das Anwenden diverser Stenciloperationen, welche für die Darstellung von Schatten verantwortlich sind.

Auch findet hier das sehr sinnvolle Kantenglätten statt. Wie das funktioniert, erkläre ich ein anderes mal ;P . Sind auch diese Arbeitsschritte getan, kommt das ganze über den Framebuffer in den Speicher, wo dann später die Daten an den Bildschirm ausgegeben werden.

Hiermit endet der erste Teil unserer Grundlagenserie.

Habt Ihr noch Fragen zum Review? Antworten gibt es im Forum.

Autor: Dominik Schreiber alias "Löschzwerg"