Компьютерная графика

М Г Г У 

московский 
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

РЕДАКЦИОННЫЙ 

С
О
В
Е
Т 

Председатель 

Л.А. 
ПУЧКОВ 

Зам. председателя 

Л.Х. 
ГИТИС 

Члены редсовета 

И.В. ДЕМЕНТЬЕВ 

A. П. ДМИТРИЕВ 

Б.А. КАРТОЗИЯ 

В.В. КУРЕХИН 

М.В. КУРЛЕНЯ 

В.И. ОСИПОВ 

Э.М. СОКОЛОВ 

К.Н. ТРУБЕЦКОЙ 

В.В. ХРОНИН 

B. А. ЧАНТУРИЯ 

Е.И. ШЕМЯКИН 

ИЗДАТЕЛЬСТВО 
МОСКОВСКОГО 
ГОСУДАРСТВЕННОГО 
ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 

ректор 
МГГУ, 
чл.-корр. 
РАН 

директор 
Издательства 
МГГУ 

академик 
РАЕН 

академик 
РАЕН 

академик 
РАЕН 

академик 
РАЕН 

академик 
РАН 

академик 
РАН 

академик МАН 
ВШ 

академик 
РАН 

профессор 

академик 
РАН 

академик 
РАН 

ЕМ. 
Петровичев 

о 

о 

£ 
КОМПЬЮТЕРНАЯ 
ГРАФИКА 

Допущено 
УМО вузов по 
университетскому 
политехническому 
образованию 
в 
качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся по 
направлению 
654600 — Информатика 
и 
вычислительная 
техника, 
специальности 
220200 — Автоматизированные 
системы 
обработки 
информации 
и 
управления 

МОСКВА 

И З Д А Т Е Л Ь С Т В О московского 
Г О С У Д А Р С Т В Е Н Н О Г О Г О Р Н О Г О 
У Н И В Е Р С И Т Е Т А 

2 0 0 3 

УДК 681.3.06 
ББК 32.973 
П 30 

Экспертиза проведена 
Учебно-методическим объединением 
вузов по университетскому политехническому образованию 
(гриф выдан 20.03.2003 г., протокол № 16-07/257) 

Рецензенты: 
• д-р техн. наук, проф. О.М. Петров (кафедра АСОИУ Московской государственной академии приборостроения и информатики); 
• д-р техн. наук, Ю.А. Ивашкин (кафедра «Компьютерные 
технологии и системьр> Московского государственного университета прикладной биотехнологии) 

Петровичев Е.И. 

Компьютерная графика: Учебное пособие. — М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2003. — 207 с : ил. 

ISBN 5-7418-0294-Х 

Рассмотрены вопросы аппаратной поддержки технологий компьютерной графики. Приведены сведения о цветовых системах, форматах графических файлов, методах компрессии изображений, об использовании компьютерной графики в мультимедиа. 

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Информатика и вычислительная техника», специальности «Автоматизированные системы обработки информации и управления». 

ISBN 5-7418-0294-Х 

УДК 681.3.06 
ББК 32.973 

© Е.И. Петровичев, 2003 
© Издательство МГГУ, 2003 
© Дизайн книги. Издательство МГГУ, 2003 

ВВЕДЕНИЕ 

Ряд последних лет в области к о м п ь ю т е р н ы х технологий наблюдается резкое повышение темпа в смене п о к о лений как к о м п ь ю т е р н о г о а п п а р а т н о г о обеспечения, так 
и собственно к о м п ь ю т е р н ы х технологий, 
стимулирующ и х ускорение р а з р а б о т к и новых к о м п ь ю т е р н ы х 
платформ. 

Принципиально новые для настольных компьютеров 
функциональные возможности дает внедрение новейших, 
бывших ранее сугубо профессиональными 
компьютерных 
технологий и в компьютерные сети и системы малых офисов, и в д о м а ш н и е компьютеры многих грамотных пользователей. Происходят качественные изменения в традиционных технологиях обработки информации, появляются новые, нетрадиционные компьютерные технологии, в 
том числе и меняющие сам стиль использования компьютеров и способы взаимодействия человека с компьютерной системой. 

Наиболее динамично развиваются сетевые технологии, корпоративные компьютерные системы, компьютерная 
графика, 
трехмерное 
моделирование 
и 
анимация, 
мультимедийные сетевые и локальные компоненты, пользовательский 
интерфейс 
персональных 
компьютеров. 
Смена поколений уже сократилась до цикла 1—1,5 года; в 
начале века ожидаются радикальные изменения 
целого 
ряда технологий на основе внедрения новой серии 64-разрядных 
компьютеров 
и 
соответственно 
64-разрядных 
операционных систем — как итог 20-летнего периода развития 32-разрядных систем. 

Н а базе таких систем резкими темпами будет происходить интеграция сетевых информационных 
технологий, 
высокопроизводительных систем обработки информации 
и новых интерактивных мультимедийных 
пользователь
5 

ских интерфейсов на базе систем распознавания речи и 
эмоций пользователя и представления операционной системы компьютера в облике человекоподобного анимированного говорящего агента, реагирующего на «хозяина» и 
наделенного 
некоторыми 
«чертами 
характера». 
Значительно более м н о г о о б р а з н ы м и естественным станет ввод 
информации в компьютер. 

В этих условиях неизменным остается внимание 
к 
компьютерной графике — обязательной составной части 
л ю б о й 
из 
перечисленных 
современных 
компьютерных 
технологий. 

Г л а в ; i 

АППАРАТНАЯ 
ПОДДЕРЖКА 
ТЕХНОЛОГИЙ 
КОМПЬЮТЕРНОЙ 
ГРАФИКИ 

Компьютерная графика является одной из самых ресурсоемких компьютерных технологий. Не все узлы персонального компьютера критичны при достижении необходимого уровня производительности системы при обработке графических материалов. 
Рассмотрим некоторые из важнейших компьютерных компонентов. 

1.1. PENTIUM IV — N E T B U R S T 

Для комфортной работы с графикой необходим очень мощный процессор. Тактовая частота очень важна — такие задачи, 
как декодирование MPEG-4, кодирование в реальном времени в 
MPEG-2 и аналогичные программные кодеки загрузят процессор 
почти полностью. Шина — как можно более быстрая (133 МГц 
для процессоров Intel), тактовая частота шины — максимально 
возможная. Процессоры Low-End класса, такие как Celeron и 
Duron, просто не годятся. Таким образом, выбор ясен — старшие 
модели Pentium Ш и Athlon, а, возможно, и Pentium ГУ, когда приложения смогут полностью использовать его возможности. В 
ближайшее время можно будет рассматривать вопрос об использовании 64-разрядных компьютерных систем общего пользования 
(рис. 1.1). 

Новый флагман Intel не унаследовал от Pentium Pro I I / I I I 

ядро Р6, он разработан с 
нуля, поэтому от предшественников отличается радикально. Архитектуре 
этих 
Ц П дано имя NetBurst. Рассмотрим 
важнейшие 
особенности 
архитектуры 

Pentium ГУ. 

Рис. 1.1. Микросхема Pentium IV 

9 

1.1.1. Гиперконвейерная архитектура 

Pentium ГУ отличается от предшественников 
огромным 
конвейером, длина которого составляет не менее 20 стадий 
(конвейер Pentium I I I насчитывает 10 стадий). Именно поэтому 
новый процессор способен работать на сверхвысоких частотах. 

В самом деле: если последовательность исполнения команды разбита на более мелкие этапы, то каждый из них процессор 
сможет выполнять быстрее, следовательно, тактовую частоту 
Ц П можно повысить. 

К сожалению, длинный конвейер не лишен недостатков. 
Основной его враг — инструкции условных переходов. Процессор, выполняя такую команду, в зависимости от определенного 
условия должен либо совершить переход на новый адрес, либо 
продолжить обработку следующей инструкции. Все современные процессоры стараются предсказать результат 
каждого 
ветвления до того, как условие перехода будет вычислено. Если 
прогноз окажется верным, Ц П будет работать без простоев. 
Если предсказание ошибочно, процессору приходится очищать 
весь конвейер и запускать его заново. 

Чем длиннее конвейер, тем больше тактов приходится тратить на его перезапуск. Таким образом, если Pentium ГУ ошибется в предсказании условного перехода, то простаивать ему 
придется значительно дольше, чем остальным 
Х86-совместимым ЦП. Понимая это, инженеры Intel старались снизить 
процент неверных прогнозов. По их словам, Pentium ГУ ошибается в предсказании ветвлений на треть реже, чем Pentium I I I . 
Однако предвидеть результаты всех условных переходов Ц П не 
может в принципе, поэтому за высокую тактовую частоту 
флагман Intel расплачивается простоями. 

1.1.2. Кэш трассировки исполнения 
(execution trace cache) 

Pentium ГУ отличается от Х86-совместимых процессоров 
уникальной организацией кэша. Pentium I I I и Athlon используют одну половину кэша первого уровня (L1) для хранения 
инструкций, а другую — для данных. Все современные Ц П ис
10 

полняют громоздкие инструкции Х86, предварительно разбив 
их на простые и удобные для обработки микрооперации.' 

Итак, декодер Pentium I I I и Athlon считывает команды из 
кэша первого уровня и делят их на микрокоманды, которые передаются исполнительному устройству. Такая схема имеет два 
серьезных недостатка: 

• во-первых, если декодеру попадается сложная инструкция, то исполнительному устройству приходится простаивать до тех пор, пока она не будет преобразована в 
микрооперации; 

• во-вторых, каждый раз при повторном исполнении команд (при обработке циклов) процессору приходится 
декодировать их заново. 

Pentium ГУ не хранит инструкции в кэше первого уровня. Вместо этого процессор помещает уже декодированный код в так называемом кэше трассировки исполнения (Execution Trace Cache). 

Иными словами, в новом кэше хранятся не классические 
инструкции Х86,а готовые к исполнению микрооперации. Такой подход позволяет избежать описанных выше проблем. Вопервых, исполнительные устройства Pentium ГУ не ждут декодера, а считывают микрокоманды непосредственно из кэша 
трассировки исполнения. Во-вторых, если цикл полностью помещается в новый кэш, процессору не приходится декодировать его многократно. Intel не публикует размеров Execution 
Trace Cache в килобайтах. Известно лишь, что в нем можно 
хранить до 12000 микрокоманд. 

Объем кэша первого уровня Pentium ГУ (напоминаем, что в 
нем хранятся только данные) составляет всего 8 килобайт. Для 
сравнения: Ll-кэши Pentium I I I и Athlon могут хранить до 16 и 
64 килобайт данных соответственно. Вероятно, объем принесен 
в жертву скорости: на ожидание данных из кэша первого уровня Pentium ГУ тратит всего два такта, а его конкуренты — минимум три. 

16-килобайтный кэш второго уровня соединен с ядром широкой 256-битной шиной данных (Intel называет эту конфигурацию Advanced Transfer Cache). Более того, пропускная способность этого кэша увеличена вдвое. 

11