Журнал «Компьютерра» № 13 от 04 апреля 2006 года

К тому, что современные игры не могут обойтись одним лишь центральным процессором (Central Processing Unit, CPU [CPU – central processing unit]), без поддержки видеокарты, мы привыкли настолько, что это считается само собой разумеющимся. Сегодня никого не удивляет анонс очередного графического чипа (Graphics Processing Unit, GPU [GPU – graphics processing unit]) производительностью несколько сотен гигафлопс[gflops – миллиард арифметических операций с действительными числами в секунду]. А ведь самые дорогие CPU, даже серверные, едва ли могут похвастаться и десятой долей этой числодробильной мощности. Как образовался такой колоссальный разрыв в скорости счета? Почему главная роль в компьютере, роль «мозга», по-прежнему остается за CPU, тогда как GPU не простаивает только во время кровавых игрищ? Что мешает задействовать GPU в «мирных» целях, превратить его в настоящий комбайн, выполняющий огромное количество задач, отличных от рендеринга, и ведется ли какая-нибудь работа в этом направлении?

Графический конвейер

Чтобы обстоятельно ответить на эти и другие вопросы, нам необходимо вспомнить основы устройства графической подсистемы. Ее работа организуется в форме конвейера, упрощенно представленного на рис. 1. Информация проходит все стадии конвейера, прежде чем преображается в видимый на экране образ.

В самом начале располагается блок обработки вершин трехмерной сцены, целью которого является выработка данных о каждой вершине: ее положение в экранной системе координат, пара цветов (диффузный и зеркальный), до восьми текстурных координат. Следует напомнить, что текстурными называют координаты на отдельно хранящемся растровом изображении (текстуре). Их задание в каждой вершине треугольника позволяет привязать нужную часть изображения к этому треугольнику. Входные данные отдельно для каждой вершины поступают от программного приложения. Как правило, передаются координаты и нормали вершин в системе модели, которые по известным характеристикам, положению и направлению взгляда камеры трансформируются в экранные координаты. Цвета определяются взаимным расположением вершины, камеры и источников освещения. Отсюда и принятое название: блок трансформации и освещения (T&L). Обработка вершин происходит независимо, здесь система еще не знает, как они связаны между собой.

Информация о том, какие тройки вершин образуют треугольники, поступает только на следующий этап конвейера, носящий название «сборка треугольников» (triangle setup). После этого уже можно определить, какие треугольники будут не видны на экране. Независимым исследованием вершин этого установить нельзя: три выходящие за границы экрана вершины могут сформировать частично видимый треугольник. Полностью скрытые треугольники удаляются, чтобы больше не отнимать на себя ресурсов. От частично видимых треугольников отсекаются ненужные части.

На этапе растеризации треугольники разбиваются на множество фрагментов, каждый из которых соответствует одному пикселу экрана, накрываемому треугольником. Здесь же происходит еще одна важная операция – линейная интерполяция значений из вершин треугольника в соответствии с положением фрагмента. После этого обработка каждого фрагмента может происходить автономно от других фрагментов.

В конечном результате для каждого фрагмента необходимо определить его итоговый цвет и, возможно, изменившуюся глубину. Для чего часто требуется доступ к хранящимся в видеопамяти текстурам, которые могут содержать как непосредственно цвет, так и освещенность, отражательную способность или карту неровностей. Доступ к текстурам осуществляется через блок выборки (fetch), который может вернуть цвет текстуры в произвольной точке, а также может выполнять билинейную или анизотропную фильтрацию.