02. 그래픽 하드웨어

학습목표

• 그래픽 출력장치의 일반적인 작동원리를 이해한다.
• 래스터 장치에서 프레임 버퍼의 역할을 이해한다.
• 벡터 장치에서 디스플레이 리스트의 역할을 이해한다.
• 그래픽 카드의 전반적인 구조와 기능을 이해한다.

01. 그래픽 하드웨어 종류와 작동 원리

1.1 하드웨어 구성

그래픽 하드웨어

• 입력 장치, 메인 컴퓨터, 그래픽 컨트롤러, 출력장치

그래픽 컨트롤러

• 그래픽 프로세서
• 그래픽
  

워크스테이션
PC와 비교했을 때 상대적으로 성능이 상당히 높은 컴퓨터
슈퍼컴퓨터보다는 성능이 떨어짐
슈퍼컴퓨터 > 워크스테이션 > PC

• 예)
  SGI FUEL, HP XW 9300

✓ 1.2 컴퓨터 모니터의 기본 원리

CRT 기본 원리

• 필라멘트
  전기가 들어오면 필라멘트에 전류가 흐르고, 저항에 의해 강한 열이 발생함
  필라멘트에는 전자를 잘 보내는 물질이 코팅된 음극이 있는데, 필라멘트의 열이 이 음극을 뜨겁게 달굼
  음극의 온도가 충분히 높아지면 내부에 있던 전자들이 에너지를 견디지 못하고 밖으로 튀어나오는데, 이것을 열전자 라고 부름
  전자들이 연속적으로 앞으로 튀어나가기 때문에 전자 총이라고도 부름
• 제어 그물
  방출된 전자의 양을 조절함
  제어 그물에는 음극보다 더 강한 (-) 전압을 거는데, 이 전압을 높게 하면 음극관에서 튀어나온 전자들이 통과하지 못해 어두운 화면이 나오고, 전압을 낮게 하면 많은 전자들이 통과해서 밝은 화면이 나오게 됨
  화면 밝기 조절
• 가속 양극
  제어 그물을 통과한 전자들을 매우 강한 (+) 전압으로 끌어당겨 앞 방향으로 빠르게 튀어 나오게 함
• 집속 양극
  전자 빔이 화면의 한 점에 아주 또렷하게 맺히도록 전자 렌즈 역할을 함
  양극 사이에 형성된 전기장이 퍼지려는 전자들을 중심축으로 모아줌
  화면이 선명하게 보이게 함
• 수직 편향판
  전자총에서 발사된 전자빔을 위아래로 움직이게 하는 장치
  위쪽 판에 (+), 아래쪽 판에 (-) 전압을 걸면 두 판 사이에 수직 방향으로 전기장이 형성됨
  아주 빠른 속도로 전자빔이 화면의 위아래로 움직이기 때문에,
  사람은 이를 하나의 면으로 인식하게 됨
• 수평 편향판
  수직 편향판과 같은 원리로 전자빔을 좌우로 움직이게 함

02. 래스터 그래픽 장치

2-1. 컬러 모니터

• 화소 = Picture Element = Pixel = Raster
  디지털 이미지를 이루는 최소 단위

• 인점(Phosphor Dots)
  빛을 내는 아주 작은 형광 물질

• 종횡비(Aspect Ratio)
  화면 가로세로의 비율
  4:3 TV
  16:9 HDTV

• 해상도(Resolution)
  화면에 존재하는 픽셀의 개수
  1920x1280

• 도트 피치(Dot Pitch)
  픽셀 사이의 간격
  아래 그림에서 동일한 색상의 인점의 거리가 도트 피치임

• 트라이어드 방식, 스프라이트 방식
  

화면 선명도
전자 총은 각자 담당하는 색이 존재하며, 담당하는 색깔에 잘 적중하는가에 따라 정확도가 결정된다.
정확도를 높이기 위해 사용되는 것이 샤도우 마스크와 애퍼쳐 그릴으로,
구멍을 뚫어서 오조준이 된다면 아예 막혀서 출력되지 않도록 한다.

2-2. 주사선과 인터레이싱

(a): 인터레이싱(Interlacing) 모드
(b): 프로그래싱(Progressive) 모드

1, 3, 5, 7, 9번에 전자총을 발사 후 2, 4, 6번에 다시 전자총을 발사하게 되면 잔상 효과 때문에 왼쪽과 같은 완성된 그림이 출력됨
(b)의 그림이 30/s의 속도로 갱신이 된다고 할 때 홀/짝으로 나눠서 출력하기 때문에 60/s의 속도로 갱신이 가능함

Non Interlacing vs Interlacing
Interlacing: 해상도는 높지만, 동적인 화질을 출력하기엔 불리함
기술력 부족으로 인터레이싱 모드를 사용했지만,
최근에는 기술 발전으로 인해 프로그래시브 모드가 표준이 됨

2-3. 래스터 그래픽 장치의 기본 구조

• 계단 현상 = Jaggies = Alias
  선이나 삼각형을 그리려고 했지만 아래 그림처럼 계단 처럼 그려지는 현상
  해상도를 높이면 이 현상을 완화할 수 있음
  

프레임 버퍼와 DA 변환기

아래 그림과 같은 흑백 모니터의 경우 0이면 색칠하지 않고, 1이면 색칠하기
이러한 정보가 담긴 2차원 배열
(프레임 버퍼, 사진들을 저장하고 있는 메모리 덩어리)을 비디오 컨트롤러(DA 변환기, 디지털 정보 → 아날로그 전압)에 전송하면, 비디오 컨트롤러가 이 정보에 따라 전기 신호를 보냄

✓ 비트 평면
1bit = 2진수 하나를 저장할 수 있는 공간
0 또는 1이 저장됨

1Byte = 8개의 비트, 2진수 8개를 저장할 수 있는 공간
256가지 경우의 수 표현할 수 있음

그림(a)에서 가로x세로의 화면 해상도가 100x50이라고 할 때
프레임 버퍼의 크기는 img[50][100]이 됨.
또한 3비트의 RGB값을 가지고 있으므로 전체 메모리 용량은
3 x 50 x 100 = 15,000bit 이며, 표현할 수 있는 색상의 개수는 $2^{3}$ = 8개

그림(b)의 경우 필요한 전체 메모리는
9 x 50 x 100 = 45,000bit 이며, 표현할 수 있는 색상의 개수는 $2^{9}$ = 512개

현대 모니터의 경우 각각의 R, G, B에 8비트씩 할당되어
$2^{8}$ x $2^{8}$ x $2^{8}$ = $2^{24}$ = 약 16.7M개의 색상 표현이 가능하며, 화면 해상도는 1920 x 1080을 기준으로 했을 때
(24(또는 3Byte) x 1920 x 1080)(bit)의 메모리를 필요로 한다.

Quiz 1
24비트 (R, G, B) = (8, 8, 8)

• R, G, B 각각에 대해 256 회색도
• 총 몇 컬러?

Answer
256 x 256 x 256 = $2^{8}$ x $2^{8}$ x $2^{8}$ = $2^{24}$ 개

Quiz 2
1280 x 1024, 총 512 컬러

• 프레임 버퍼 용량은?

Answer
512 = $2^{9}$ 이므로
1280 x 1024 x 9(bit)
1280 x 1024 x (9/8)(Byte)

03 벡터 그래픽 장치

벡터 그래픽 장비

• 화소 개념 없음
  무한 해상도(전자빔의 폭 = 해상도)
  에일리어싱(계단 현상) 없음
  전자총의 움직임
  
  프레임 버퍼 없음
  디스플레이 리스트: 명령어 집합
  

레스터 장비와 벡터 장비
벡터 그래픽 장치는 도형을 채워서 그리는 것이 매우 불편함
파동을 그리거나 레이더 장비에 사용됨

표를 외울 필요는 없음

04. 그래픽 출력 장치

평판형 디스플레이: LCD(Liquid Crystal Display)

(a): 모니터가 꺼져 있는 상태로, 세로 물질만 통과하게 하는 편광기를 설치하고 그 앞에 가로 물질만 통과하게 하는 편광기를 설치하면 아무것도 통과하지 못함

(b): 모니터가 켜져 있는 상태로, 전류를 보내면 편광기를 통해 세로 물질만 통과 후 가로로 회전하며 두번째 편광기를 통과하며 모니터에 화면이 보이게 됨

05. 그래픽 프로세서

• 지오메트리 프로세서
  도형을 어떻게 움직일 것인가
• 디스플레이 프로세서
  메모리 카피를 수행
• VRAM
  지오메트리/디스플레이 프로세서의 데이터가 저장되는 저장소
• 비디오 컨트롤러
  VRAM에 저장되어 있는 프레임 버퍼 값이 비디오 컨트롤러를 거쳐 모니터로 출력됨