Сложные трехмерные спецэффекты давно уже стали привычным явлением в кино. Бум на рынке недвижимости создал спрос на виртуальные каталоги, содержащие трехмерные интерактивные электронные слепки существующих и проектируемых домов. Разработку инженерных чертежей давно ведут в электронной форме, векторные карты используются в GPS-системах. Для создания сложных объектов и чертежей необходимы профессиональные графические карты, специально разработанные для приложений 2D и 3D-моделирования, систем CAD и др.
 |
Зачастую в попытке сэкономить для работы в специализированных приложениях применяют не профессиональные, а обычные игровые акселераторы. Такой подход может быть оправдан на любительском уровне, однако для профессиональной работы необходимы профессиональные средства. Благодаря постоянному снижению цен рабочие станции для 3D-графики становятся доступными даже для небольших студий. Основой таких станций могут служить профессиональные графические чипы NVIDIA серии Quadro FX.
Игровые и профессиональные
Основное преимущество профессиональных акселераторов — высокая производительность в специализированных приложениях, недостижимая для игровых аналогов. Работа в трехмерном пакете связана с проведением большого количества сложных операций над объектами. Например, приложение 3ds Max хранит стек модификаторов для каждого объекта, что позволяет отказаться от внесенных изменений и вернуться к сохраненным состояниям. Обычно анимируемый объект состоит из трех сложных модификаторов. Прорисовки объекта в окнах проекций трехмерного пакета требует от акселератора ресурсов для просчета сцены «на лету»: от этого зависит скорость и удобство работы, особенно в загруженных сценах, содержащих множество сложных 3D-объектов.
Профессиональные видеокарты содержат набор алгоритмов, специально разработанных для 3D-приложений. Например, в серии Quadro FX реализован новый рендерер Gelato, который использует графический чип для создания финальных изображений высокого качества. Это позволяет значительно ускорить этап финальной визуализации по сравнению с алгоритмами, использующими только центральный процессор.
Однако производительность — не главная особенность профессиональных акселераторов. Существенным отличием Quadro FX являются особые драйверы для программ графического дизайна двухмерной и трехмерной графики, которые обеспечивают важную для профессионалов пиксельную точность и верную цветопередачу.
Профессиональные видеоускорители разработаны специально для приложений моделирования и проектирования, использующих стандарт OpenGL. Аппаратные и программные решения производителей профессиональных видеокарт проходят сертификацию у разработчиков трехмерных пакетов с тем, чтобы гарантировать стабильную работу и совместимость. Профессиональные карты характеризуются наивысшим качеством сборки, которое обеспечивается также за счет качества компонентов.
Преимущества Quadro FX
 Рабочий стол 3ds MAX |
2. 128-битная цветовая передача. Высокая точность требует соответствующей детализации. Чтобы максимально верно передать нюансы и оттенки изображения, дизайнеру необходима возможность выбора точного цвета. Акселератор поддерживает представление цвета в виде 32х-битного числа с плавающей запятой на каждый из четырех цветовых компонентов, благодаря чему значительно увеличивается точность вычислений, а динамический диапазон расширяется до 128 бит.
3. Аппаратное сглаживание линий сеток в окнах отображения. Достигнуть качественного сглаживания линий на игровых акселераторах невозможно. В Quadro FX реализовано принципиально иное аппаратное сглаживание линий, чем в игровых видеокартах. Quadro FX позволяет значительно повысить скорость и качество аппаратного сглаживания. Это особенно важно для CAD-дизайнеров, которые много работают с каркасами трехмерных объектов.
4. Сглаживание линий в среде гамма-коррекции. В трехмерной среде постоянно возникает проблема правильной передачи оттенков и цвета, для чего используется гамма-коррекция. NVIDIA Quadro FX предоставляет гамма-корректированные установки, которые делают переходы ребер и линий объектов более естественными.
5. Аппаратная поддержка логических операций. Логические операции – последняя стадия перед тем, как изображение попадает во frame-буфер и выводится на экран. Логические операции часто используются в MCAD-приложениях, таких как программа высокоточного проектирования KATIA. Также они востребованы в приложениях по созданию цифрового контента (digital content creation).
Например, в KATIA v.5 при наведении курсора на модель части сборки динамически подсвечиваются. Это очень удобно: представьте, что вы наводите курсор на часть видимой детали автомобиля, а приложение тут же подсвечивает деталь целиком, в том числе ее скрытые участки. Аналогичные действия можно проводить в пакете 3D-моделирования Maya.
6. Отсекаемые регионы. В профессиональных программных пакетах часто используются всплывающие окна, которые, в зависимости от операции, выполняемой программой, заметно замедляют работу (об этом хорошо знают аниматоры). Архитектура NVIDIA Quadro FX на аппаратном управляет передачей данных между окном и frame-буфером с помощью отсекаемых регионов. Аппаратно обрабатывать все отсекаемые регионы невозможно, поэтому, когда заканчивается аппаратный буфер, используется программный. Однако Quadro FX поддерживает 8 отсекаемых регионов, в то время как игровая серия GeForce — всего один регион.
7. Аппаратная акселерация отсекающих плоскостей. Отсекающие плоскости используются в трехмерной графике для того, чтобы визуально «разрезать» модель и предоставить инженеру внутренние плоскости, которые помогут проанализировать структуру объекта и понять взаимосвязи между компонентами. Эти функции особенно часто используется в программах CAD, например, в Pro/ENGINEER. Работа с объектами, содержащими сотни и тысячи компонентов, без аппаратной поддержки была бы невозможной.
8. Оптимизация управления памятью. Средства управления размещают и делят ресурсы памяти между параллельными графическими окнами и приложениями. Во многих ситуациях эта особенность напрямую влияет на скорость работы.
Графическая архитектура NVIDIA использует высокоскоростную графическую память на основе объединенной архитектуры UMA. Акселератор содержит в памяти графические буферы, текстуры и данные. В профессиональных картах некоторых производителей, например 3D Labs’ Wildcat II, для разных задач используется отдельная память, что ограничивает объем каждого буфера. Объединенная архитектура UMA, реализованная в Quadro FX, позволяет использовать свободную память для изображений, которые наиболее требовательны к ресурсам памяти.
Архитектура UMA позволяет значительно ускорить производительность. Проведенные NVIDIA тесты, показали, что игровые акселераторы в различных профессиональных задачах при разрешении 1600х1200 сдают позиции, в то время как серия Quadro FX показывает высокое быстродействие, в том числе, с включенным полноэкранным сглаживанием, которое требует дополнительных аппаратных ресурсов.
9. Двустороннее освещение. Двустороннее освещение значительно упрощает моделирование и просмотр объектов со стороны инвертированных нормалей (внутренних сторон полигонов). Благодаря поддержке этой функции со стороны Quadro FX на внутренних гранях моделей можно видеть рассеянный окружающий свет и отражения в режиме реального времени.
10. Поддержка quad-buffered стереоизображения. С помощью стереоскопических дисплеев и специальных очков во многих профессиональных приложениях можно отобразить трехмерные изображения. Для этого особенно важно удерживать высокую частоту смены кадров, поскольку в таком режиме каждый глаз получает всего половину кадров.
В режиме quad-buffered стереоизображения акселератор выделяет 4 буфера: спереди-слева, сзади-слева, спереди-справа, и сзади-справа, что соответствует двойному буферу для левого и правого видов.
11. Оптимизации для SSE2. Поддержка набора инструкций SSE2 предоставляет разработчикам дополнительные возможности для улучшения производительности. Это особенно важно для приложений, поддерживающих многопоточность и быстрый локализированный доступ к памяти.
Графические драйверы NVIDIA оптимизированы так, чтобы центральный процессор принимал минимальное участие в передаче списков отображения и трехмерных объектов. Профессиональные приложения, которые используют мгновенные отображения, демонстрируют более высокую производительность на платформах, поддерживающих SSE2.
 Проекции трехмерного обьекта |
Оптимизация профессиональных приложений
Оптимизация аппаратных средств под определенное приложение позволяет получить максимальную производительность и качество. NVIDIA тесно сотрудничает с ведущими разработчиками профессиональных приложений и гарантирует оптимизацию драйверов для потребностей конкретной программы. Профессиональные видеокарты проходят сертификацию в множестве приложений, в том числе в Adobe Premiere, Alias Maya, Apple Shake, в специализированных архитектурных пакетах AUTODESK, CATIA, Avid, 3ds Max, CINEMA 4D, Lightwave 3D, Pinnacle, Deep Paint 3D, 3D Paint и многих других.
Для максимально полной настойки акселераторов серии NVIDIA Quadro FX разработчик предлагает графическую контрольную панель, которая позволяет выполнить выборочную настройку специфических функций. В игровых акселераторах эти возможности недоступны.
Инструментарии
NVIDIA предлагает инструментарии производительности, специально оптимизированные под программные пакеты. Плагины POWERdraft для Autodesk AutoCAD и MAXtreme для 3D Studio MAX позволяют значительно повысить скорость отрисовки (от двух до 8 раз), а также предоставляют дополнительные функции, например, стереоизображение.
После установки POWERdraft на рабочем столе AutoCAD появляются неcколько дополнительных окон, которые предоставляют дополнительные возможности управления, ориентирования и приближения объектов. Еще одно окно отображает приближенную зону курсора, что предоставляет инженеру просмотреть ограниченную область сцены с высокой детализацией.
NVIDIA Quadro FX 4600
В линейке профессиональных акселераторов NVIDIA модель Quadro FX 4600 относится к высокоуровневым решениями. Этот акселератор построен на новом графическом ядре G80. Карты Quadro FX 4600 оборудованы трехмерным выходом и двумя DVI-I выходами (максимальное разрешение составляет 3849х2400 @ 24Hz). Подключив к такому графическому адаптеру монитор с широкой диагональю, дизайнер сможет моделировать, сложные объекты в высокой детализацией.
Поддержка объемных текстур значительно ускоряет работу при создании сложных спецэффектов. Смешивание и фильтрация FP-32, аппаратное считывание пиксельной информации со скоростью до 2.4 ГБ/с, унифицированный, адаптирующийся к определенной задаче frame-буфер, 768 МБ графической памяти DDR3 с максимальной пропускной способностью 67.2 ГБ/сек — вот краткий перечень технических характеристик Quadro FX 4600.
Акселератор поддерживает изображения в высоком диапазоне яркости с точностью 128 бит — по 32 бита на компонент цвета. Улучшена реализация видеофункций — технологии NVIDIA Pure Video и Pure Video HD подверглись множеству оптимизаций, направленных на более быстрое и качественное воспроизведение видео высокой четкости. Унифицированная архитектура графического чипа позволила увеличить скорость операций благодаря использованию одних и тех же ресурсов под большие загрузки различных задач. Карты предыдущего поколения для визуализации трехмерной сцены последовательно просчитывали вершины трехмерных объектов, полигонов, пикселей. Теперь графический процессор приспосабливается под каждую задачу без простоя.
Quadro FX 4600 поддерживает новейшие шейдеры 4.0. В частности, задача анимации лица персонажей возложена теперь на шейдеры, а не на фиксированные функции. Реализована возможность разбиения геометрии на большее количество полигонов, с помощью шейдеров акселератор выполняет прорисовку теней, сложный просчет света, накладывает хаотические эффекты окружения, такие как ветер, пыль и др. Благодаря технологии Instancing 2.0 разработчики минимизировали участие центрального процессора в повторяющихся операциях создания изображения, что приводит к повышению общей производительности системы.
Также в Quadro FX 4600 реализована технология CUDA (Computer Unified Device Architecture), которая предоставляет дополнительные возможности для просчета биологических, медицинских, потребительских, финансовых и физических задач на графическом процессоре.
Выводы
Для профессионалов, работающих с 3D-графикой и инженерными чертежами, графические акселераторы являются, пожалуй, единственно верным выбором. Игровые карты не способны обеспечить требуемый в профессиональных приложениях уровень производительности и качества, не поддерживают расширения, которые упрощают каждодневную работу. Программные оптимизации, выполненные в Quadro FX совместными усилиями NVIDIA и разработчиками специализированного программного обеспечения, позволяют гарантировать совместимость и надежность функционирования Quadro FX в большинстве профессиональных пакетов.
С автором материала можно связаться по e-mail:
Andrey.Semenovsky@nebesa.com
СЛОВАРЬ
1. Гамма-коррекция — система коррекции яркости изображения по отношению к хранимым или передаваемым данным.
2. Полигон – в трехмерной компьютерной графике все объекты обычно представляются как набор поверхностей или частиц. Минимальную поверхность называют полигоном. В качестве полигона часто выбирают треугольники.
3. Попиксельная точность — подразумевает максимальную точность вычислений и визуализации для двумерной графики.
4. Субпиксельная точность - точность выше пиксельной.
5. Frame-буфер - устройство видеовывода, которое передает изображение из буфера памяти.
6 Шейдер – программа, используемая в трёхмерной графике для определения окончательных параметров объекта или изображения. Включает в себя описание параметров поверхности, таких как поглощение и рассеяние света, наложение изображения, отражение и преломление, затенение, смещение.
7. OpenGL (Open Graphics Library — открытая графическая библиотека) – спецификация, определяющая независимый от языка программирования кросс-платформенный программный интерфейс для написания приложений, использующих двумерную и трехмерную компьютерную графику.
