STP008: 2D-Grafik

Schlüsseltechnologie

Hier nun der zweite Teil unserer Reihe über die Herkunft und Darstellung von Grafik. Genießen sie heute Funfacts und Kaufberatung auf mittelmäßigem Niveau.

Shownotes

• computergenerierte Bilder sind rasterisiert (in Bildpunkte unterteilt)

  • jeder Bildpunkt hat genau eine Farbe
  • generell sind verschiedene Rasterisierungen möglich (z.B. bei Facettenaugen von Insekten meist hexagonale Rasterung)
  • bei Computern meist quadratische Pixelraster: vereinfacht Speicherabbildung und bestimmte Berechnungen, die Nachbarpixel einbeziehen

• Farbe ist nicht eine einzige Zahl, sondern ein Punkt in einem mehrdimensionalen Farbraum

  • verschiedene Farbräume/Farbmodelle je nach Anwendung
    • RGB (Rot-Grün-Blau): für selbstleuchtende Monitore mit drei verschiedenen Grundfarben (Beispiel aus einem CRT-Monitor)
    • YUV (Y-Luminanz, UV-Chrominanz) etc.: für Fernsehbildschirme (abwärtskompatibel zu Schwarzweißfernsehern, die UV ignorieren und nur Y anzeigen)
    • HSV und CIELAB: modellieren die natürliche Farbwahrnehmung des Menschen
    • CMYK (Cyan-Magenta-Yellow-Black): für Druckprozesse mit vier Standardtinten
  • Farbräume sind meistens dreidimensional, weil wir drei Arten von Farbrezeptoren im Auge haben (zum Vergleich: Fangschreckenkrebse haben bis zu 12 Rezeptorarten und bräuchten also einen zwölfdimensionalen Farbraum)

• Beispielrechnung: Wie groß ist der Datenstrom zu einem normalen Computermonitor?

  • angenommen 4K-Auflösung: 3840x2160 Pixel
  • angenommen 8 Bit Farbtiefe: 8 Bit pro Pixel und Farbe, also 3 Byte pro Pixel (es gibt auch schon Monitore mit 10 Bit oder 12 Bit Farbtiefe)
  • angenommen 60 Hz, also 60 Bilder pro Sekunde
  • Ergebnis (ohne Datenkompression): 3840 * 2160 Pixel / Bild * 3 Byte / Pixel * 60 Bilder / Sekunde = 1.39 GiB/s bzw. 11.1 Gib/s
  • zum Vergleich: komprimiertes 4K-Video typischerweise 2 MiB/s (16 Mib/s), Kompressionsfaktor ~700

• Bildaufbau in traditionellen Systemen mit 2D-Grafik (z.B. Spielkonsolen der 80er und frühen 90er) erfolgt meist mittels Sprites

  • Sprites: einzelne vorgefertigte Bilder (z.B. Glyphen einer Terminal-Schriftart oder einzelne Objekte in einem Videospiel)
    • Pixel-Art
  • Grafikprozessor erhält eine Liste von Sprites mit den entsprechenden Positionen, an denen diese eingefügt werden sollen
  • Bild entsteht als Überlagerung aller Sprites in ein Gesamtbild
  • Gesamtbild liegt somit im Videospeicher vor (einem separaten Speicher des Grafikprozessors) und kann dann zum Monitor geschickt werden (siehe auch Double Buffering und V-Sync)

• in Abgrenzung dazu: Vektorgrafik

  • Beschreibung eines Bildes mittels grafischer Primitiven (Rechtecke, Kreise, Linien, Kurven)
  • Bildaufbau durch Rasterisierung dieser Primitiven, z.B. mittels des Bresenham-Algorithmus
  • bis Ende der 90er oft mittels separater Koprozessoren (z.B. Super FX), da die normalen Prozessoren nicht schnell genug waren

• Bildaufbau in traditionellen Desktopsystemen (z.B. Windows 95 bis XP) ist eine Mischung aus beiden

  • Fensterrahmen, Knöpfe etc. als Vektorgrafik (teilweise in Sprites vorgerendert)
  • Textsatz ebenfalls auf Basis vorgerenderter Sprites für die einzelnen Zeichen, die wiederum als Vektorgrafik definiert sind

• seit den 2000er-Jahren werden auch 2D-Bilder zunehmend auf der Grafikkarte berechnet, denn:

  • Grafikkarten bzw. Grafikprozessoren (GPUs) sind seit diesem Punkt hinreichend allgegenwärtig
  • GPUs sind für diese Aufgabe deutlich effizienter (sowohl in Geschwindigkeit als auch Energieverbrauch)
  • GPUs können auch fortgeschrittene Effekte wie Schattierungen oder Animationen effizient berechnen