OpenGL로 배우는 3차원 컴퓨터 그래픽스::2장&연습문제

● 2장 연습문제

1) 래스터 장치는 무한 해상도를, 벡터 장치는 유한 해상도를 보장한다.(True/False)

-> 래스터 장치가 유한 해상도, 벡터 장치는 무한 해상도이다. 래스터 장치의 경우에는 그림을 화소 단위로 표시하기 때      문에 에일리어싱이 일어난다. 벡터그래픽장치는 무한 해상도를 지닌 선으로 묘사하기 때문에 무한 해상도를 지닌다.

2) 논-인터레이싱에서 화면 재생율이 60Hz인 장치는 인터레이싱으로 말하면 30Hz 성능이다.(True/False)

-> 논-인터 화면재생률 30Hz == 인터 화면재생률 60hz이다. 

3) 벡터 그래픽 장치에서도 프레임 버퍼가 필요하다. (True/False)

-> 벡터 그래픽 장치는 프레임 버퍼 대신 디스플레이 리스트가 필요하다. 

4) 벡터 그래픽 장치의 디스플레이 리스트에는 화소별 색상이 저장되어 있다.(True/False)

-> 벡터 그래픽 장치는 화소 개념이 없다. 래스터 장치의 경우 프레임 버퍼에 화소의 색상이 저장되지만, 벡터 그래픽        장치의 디스플레이 리스트에는 물체를 그리기 위한 명령어만 있다.

5) 섀도 마스크 기술은 화면의 해상도와 직결된다.(True/False)

-> 해상도 == 선명도

6) 일반적으로 내구성 면에서는 LCD가 플라즈마에 비해 유리하다 (True/False)

7) 디지털로 표시된 화소 색 정보를 아날로그 전압으로 변환하기 위해 필요한 부품은( DA 변환기 )이다. 

8) CPU로부터 전달받은 그래픽 명령어를 자체 그래픽 카드의 어셈블리 명령어로 바꾸는 프로그램을 ( Driver )소프트웨어라고 한다.

9) 그래픽 카드 부품 중 3차원 가속 기능을 지닌 프로세서는 ( 지오메트리 )프로세서다. 

10) 화소당 9개의 비트 평면을 할당할 경우 표시 가능한 색상은 ( 2의 9승 )가지다. 

11) R,G,B에 각 4비트를 할당할 경우. 순수 백색은 ( 111111111111 )로, 순수 흑색은 비트열( 000000000000 )로 표시할 수 있다. 

12) 1280x1024 해상도를 가진 화면에 동시에 4,096컬러를 지원하기 위해 필요한 프레임 버퍼의 용량은

( 1280*1024*log2 4096 )바이트다.

13) DAC는 ( Digital to Analog Converter )의 약자이다. 

14) 색상별 전자총이 해당 색상 인점의 정중앙을 맞추도록 하기 위해 필요한 것은 (섀도우 마스크) 이다.

15) LCD, LED 디스플레이에서 사용하는 논-인터레이싱 방식을 ( 프로그레시브 ) 스캔이라 한다.

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● 2장 내용 정리

1) 그래픽 하드웨어 : (입력장치/ 메인컴퓨터 +그래픽 컨트롤러/ 출력장치) 이렇게 구성되어있다.

 

2) 컴퓨터 모니터의 기본 원리

진공관모니터 작동원리

• 전자총(필라멘트) - 전류가 흐르면 전자 방출! 
• (그림x)제어그물 - 전자총에서 비롯한 전자 흐름을 제어 -> 만약 제어 그물에 마이너스 전압을 가하면 서로 반발력 때문에 이 제어그물을 통과하는 전자수가 줄어든다.
• 초점 조절장치(접속양극) - 정확히 가운데 아닌 전자 빔을 차단
• 수직 편광판(수직 편향판) - 전자빔 방향을 좌우로 바꿀때
• 수평 편광판(수평 편향판) - 전자빔 방향을 상하로 바꿀때
• 스크린 - 인(phosphor) = 형광물질이 묻혀있다. 

진공관 모니터는 전자가 쉽게 가속 할 수 있도록, 음극선관 내부를 진공으로 만든다. 

-> 가속하는 이유? 형광물질을 자극하여 빛이 나오게 하려면 매우 강하게 충돌해야 하기 때문.

// 전자빔과 화면의 형광물질이 충돌하면 형광물질에게 전자의 운동 에너지가 전달되고, 형광물질 자체가 고에너지가 된다. 그리고 고에너지에서 저에너지로 떨어질때 에너지 차이가 빛의 형태로 외부발산한다. 그 중 일부가 우리 눈으로 들어오는 것이다. 

+ 오디오 스피커를 진공관 모니터에 가까이 놓아두면 스피커 내부의 자석으로 인해 화면의 자기장이 영향을 받는다.

 

3) 래스터 그래픽 장치 - 컬러 모니터 

: 모니터의 크기는 화면 대각선 길이를 기준으로한다 => 19inch = 대각선의 길이가 19inch!

화면 종횡비는 (세로 : 가로) 로 표시한다. 

 

• - 래스터 장치 : 화면은 "화소" 로 구성 (Raster = "화소", Pixel = picture element) 한 화소는 3개의 인점(R인점, G인점, B 인점)으로 이루어져 있고, 이 3가지 인점의 밝기에 따라 한 화소의 색 결정된다. 
•   인점 배열 방식은 아래와 같이 트라이어드 방식과, 스트라이프 방식이 있고, 스트라이프 방식은 일반적인 LCD 모니터 이다. 
• - 래스터 장치의 선명도 = 해상도 : 화소수로 결정된다.  ex) 1024x768 해상도 => 가로 1024 개의 화소 수 , 세로 768개의 화소수
• - dot pitch란, 동일 색상 인점 사이의 거리이다. 일반적으로 0.27~0.44mm정도.
• 인점 하나의 반지름 작게 하면 더 점을 많이 찍을 수 있다. 일반적으로 전자총은 인점의 중심을 향해서 가는데 그래서 중심이 가장 밝고 주변이 어둡다. 반지름이 작을 때는 중심을 강하게 때리게 됐을때, 그 빛의 일부가 이웃한 점 밝힐 수도 있다. 이러한 하드웨어적 성능을 고려하여 결정해야 한다. 

• r,g,b 전자 총은 아래의 그림처럼 shadow mask 구멍을 통과해야 한다. 이 shadow mask 기술은 선명도와 직결되는데, 만약 이게 없다면 빨간 인점을 향한 전자빔이 휘는 경우 동일 화소 또는 인접 화소의 다른 인점을 자극할 수도 있기 때문이다. 이 shadow mask를 통과해야 정확히 해당 색상의 인점을 맞추도록 되어있다. 
• 섀도 마스크 방식은 많은 양의 빛을 차단하지만, 애퍼처 그릴 같은 경우 창살 사이의 아래 위 방향으로도 대량의 전자빔이 통과할 수 있기 때문에 더욱 밝고 선명한 영상을 얻을 수 있다.

 

4) 주사선과 인터레이싱

래스터 장치의 경우, 화소 단위로 디스플레이 된다. 

주사선이란 화면 가로 방향따라 진행하는 선이다. 1024*768 의 해상도이면 주사선은 768개이다.

스캐너란, 영상을 읽는데, 스캔은 전자빔을 화면 화소를 읽어가면서 빔을 쏜다는 의미이다.

빔의 움직임은 왼쪽->오른쪽, 위->아래이다. 

- 수평귀한 : 1번 주사선 끝 -> 3번 주사선 처음 ->3번 주사선 끝 -> 5번 주사선 처음

- 수직귀환 : 

- 인터레이싱 : 주사선이 화면을 반쪽씩 채우는 것. 

 

Alias : 실제 삼각형을 화소 단위로 근ㅅ화하여 표현할 수 밖에 없어서 경계 부분이 거칠게 보이는 현상.

 

스캔변환(scan conversion = rasterization= 래스터변환) : 물체의 수학적 표현으로부터 화면 화소 단위의 표현으로 변환하는 과정, 스캔변환 알고리즘이 쓰인다.(어떤 화소를 밝혀야 하는가, 어느정도의 밝기를 주럭신가)

 

1. 래스터 장치의 화면 그림은 "프레임 버퍼"에 저장되어있다. 
2. 프레임 버퍼란, 그래픽 프로세서에 내장된 메모리로, 화소당 밝기, 색상을 저장하는 곳이다. 
3. 그림이 바뀔 경우 호스트 컴퓨터는 프레임 버퍼의 내용을 바꾸기만 하면된다. 
4. 이 바뀐 내용을 화면에 뿌리는 것은 "비디오 컨트롤러"가 한다. 비디어 컨트롤러 내부에는 DA라는 Digital to Analog Converter가 있다. 

5) 벡터 그래픽 장치

벡터 그래픽 장치는 화소개념이 없다. 화면 전체에 인이 있다. 전자총 닪는 부분마다 밝혀진다. 주사선은 선분 모양을 따라 움직인다. (무한 해상도), 그래서 Alias도 일어나지 않는다. 

벡터 그래픽 장치는 디스플레이 리스트라는 메모리에 해당 물체 그리기 위한 명령어를 저장한다. 

벡터 그래픽 모니터는 화면에 적색과 녹색의 인층을 겹쳐서 칠하고 전자빔을 가속 시키는 전압의 세기에 따라 어느 층을 자극할지 결정한다. 

 

6) 그래픽 출력 장치

• LCD - 백색광 쏘는 후광 unit + 색필터 >>> r,g,b 만든다.  >>> 화면에 쏜다. >>> 편광판과 액정 통해 투과 하는 빛 양 조절 >>> 색상 구현  // 후광 unit이 필요해서 디스플레이 두께를 줄이기 어렵다. 
• LED - 스스로 빛을 내는 받도체 소자인 발광 다이오드를 이용해서, 다이어드 종류에 따라 R,G,B 등의 색을 발한다. 얇든 Film 형태의 다이오드가 각 화소 위치에 박혀 전류를 흘리면 해당 화소의 다이오드가 빛을 발한다. // 디스플레이의 가장 작은 단위는 화소, 이 자체가 반도체라는 특성으로 처리속도, 전력 소모, 수명 등 여러면의 장점이 있다. 
• OLED - LED의 일종인데, 화소위치에 유기복합물을 발광레이어로 사용한다. (유기복합물은 탄화수소+산소+질소+황 등) 이 유기화합물은 전류를 흘리면 스스로 빛을 발한다. 유기물의 종류에 따라 빛 색상 달라지며, 전류를 흘리면 유기물을 구성하는 전자의 에너지, 떨어진 E 양에 해당하는 빛을 내기 때문에, 흘리는 전류 양을 조절함으로써 컬러의 밝기를 조정할 수 있다. // 전류양으로 밝기를 조절하기 때문에, 밝은 빛을 낼 때는 전력소모가 많다. 유기물의 산화,환원을 반복하기 때문에 LCD보다는 수명이 짧을 수 있다. 장점으로는 스스로 빛을 내서 어두운 곳이나, 빛이 있는 곳에서도 상대적으로 잘 보인다. 자체발광하므로 빛이 모든 방향으로 퍼져나가서 LCD 처럼 시야간의 제한이 없다. 공급되는 전류량이 바뀐 즉시 빛의 양이 바뀌므로 응답속도가 빠르다. 
• Holography - 3차원 물체 모습을 공간에 투사한다. 레이저와 육각렌즈를 이용해서 셔터 안경과는 달리 어떤 방향에서 보더라도 입체감을 느끼게 한 것이다. 

 - 눈에서 어떻게 인식할까? 서로다른 2차원 영상들을 뇌에서 조합하여 3차원적 깊이를 느낀다. 

=>> 다양한 그래픽 출력 장치가 있다. 각 출력장치의 장단점을 알고 해당 응용분야에 가장 적합 한 장치를 선택하자!

 

7) 그래픽 프로세서

그래픽 카드 = 그래픽 프로세서 = 그래픽 보드 = 비디오 카드 = 비디오 보드 

Q. 그래픽 카드의 기본 역할은?

A. 화면에 그림그리기!

 

Q. 어떻게 그릴까?

A. 컴퓨터에 의해 생성된 디지털 정보를 최종적으로 아날로그 신호로 변환해야 한다. (LCD의 경우 화면이 디지털 회로에 의해 제어되므로 변환결과도 디지털이다.)

 

# cpu는 맡게된 "그리기 명령어"를 그래픽 카드에게 넘기고 다른 프로세스들을 수행시킨다. 

# "그리기 명령어"를 받은 그래픽 카드는 명령어를 해독하고 실행한다. 명령어 실행결과(= 최종그림)를 프레임 버퍼에 기록한다. 이 작업은 대부분 프로세서 내부에 하드웨어 형태로 구현되어 있다. 

- 시스템 버스 아래로 그래픽 카드라고 본다. 

- 디스플레이 프로세서 + 지오메트리 프로세서 =GPU (graphic processing unit) 이라고 한다. = > 해독/실행/프레임버퍼내용작성

- 디스플레이 프로세서 : 2차원 영상 처리 가속화 시킴. => 결과는 프레임 버퍼로

- 지오메트리 프로세서 : 3차원 가속 기능 / 정점을 기준으로 이동, 회전, 절단, 투상, 조명 등의 다양한 그래픽 처리 작업.

- VRAM : 2중 port 형태인데, 한쪽 port는 메인 메모리 내용을 옮겨 적는다. 다른 port 통해 현재 그래픽 메모리 내용을 읽어간다. 디스플레이 프로세서는 VRAM에 새로운거 쓰고 비디오 컨트롤러는 기존거 읽어서 화면에 뿌린다. 

 

Driver Program : CPU가 전달하는 명령어를 GPU가 직접 하드웨어를 통해 실행할수 있는 명령어로 번역하기 위한 것. 최적화 되어야만 해당 그래픽 카드가 성능을 발휘한다. 그래서 해당 그래픽 카드에 장착된 하드웨어를 최대한 활용할 수 있도록 작성한다. 

 

내장형그래픽카드-메인보드나 cpu에 내장// 

외장형그래픽카드-메인보드외에 PCI슬롯에 장착하여 사용//

=>> GPU를 CPU내부에 완전히 통합하는 경우 버스 연결 거리가 짧아 외장형 그래픽 카드보다 GPU-CPU간의 데이터 교환이 매우 빠르지만, 실제 기능면에서 못미친다.