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3 Juillet 1997

La carte graphique est morte... vive l'accélérateur 3D !

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J.C.Sohm
(3 juillet 1997)
 

Préambule

   

Sommaire :

Au cours des vingt dernières années, les utilisateurs d'informatique ont vu le moniteur à tube cathodique chasser définitivement la vieille télétype, la couleur remplacer le monochrome, l'affichage en mode texte céder la place au mode graphique, l'image animée et la vidéo compléter l'image fixe, la taille des écrans augmenter, la fréquence de rafraîchissement (et donc le confort visuel) s'élever régulièrement... et ce n'est pas fini : le 3D arrive et va -- nous dit-on -- rendre le 2D obsolète.

On sait, depuis les travaux des peintres de la Renaissance, comment donner une impression de relief à partir d'une image plane, en jouant sur les effets de perspective, d'éclairage, d'ombrage, de texture, etc. En informatique, on parle d'affichage 3D lorsque ces artifices sont utilisés pour des images animées calculées en temps réel.

Le meilleur exemple d'affichage 3D est fourni par les simulateurs de vol. Le paysage change continuellement, d'une manière qui dépend de la manière dont l'opérateur pilote (virtuellement) l'avion. Chaque image doit donc être calculée en fonction de la position géographique de l'avion, de son altitude et de son attitude. Si la fréquence de répétition de la vidéo atteint 25 images distinctes par seconde, chaque image doit être calculée et affichée en moins de 40 millisecondes.

Pour ne pas surcharger l'unité centrale, les calculs nécessités par l'affichage 3D sont confiés à un circuit intégré situé sur la carte graphique de l'ordinateur. L'affichage 3D, qui nécessite une puissance de calcul importante, est longtemps resté l'apanage des gros ordinateurs, puis des stations de travail. Il gagne aujourd'hui les micro-ordinateurs, compte tenu de l'augmentation continuelle de la puissance de ces derniers, et de la baisse continuelle du coût des composants.

Les jeux d'une part, et les logiciels financiers ou décisionnels haut-de-gamme d'autre part, sont actuellement les moteurs du progrès technique en 3D. Mais une étude récente (avril 1977) suggère que tout l'affichage utilisé en micro-informatique pourrait suivre. Le marché des composants utilisés devrait ainsi passer de 15 millions d'unités en 1996, à 42 millions cette année, et à 82 millions l'an prochain.

Comme il est d'usage, cette évolution technique s'accompagne d'une abondante création de vocabulaire. Le terme "carte graphique" (graphics board) perd du terrain, au profit des termes "accélérateur graphique" ou "accélérateur 3D" (3D accelerator).
 

Un peu de technique

Dans un ordinateur, l'unité centrale fonctionne en mode numérique, et le moniteur en mode analogique. C'est une tension électrique variable qui, appliquée aux plaques déflectrices, permet au faisceau d'électrons de dessiner à l'écran. Un circuit intégré appelé RAMDAC, ou tout simplement DAC (Digital Anologic Converter), assure la transformation des signaux numériques issus du processeur en signaux électriques analogiques transmis au moniteur.

Le RAMDAC peut être intégré à la carte-mère ou installé, avec les autres composants nécessaires à l'affichage, sur une carte séparée appelée carte graphique. Il suffit de regarder, à l'arrière de la machine, si le moniteur est relié à une prise intégrée ou à une prise fixée sur une carte additionnelle, pour déterminer dans quel cas on se trouve. On constate en général que :

    sur les ordinateurs Apple, et sur les PC d'entrée-de-gamme, le RAMDAC est intégré à la carte-mère ;
  sur les PC évolués, et sur les stations de travail, une carte graphique est toujours présente.

Avant traitement par le RAMDAC, les données numériques relatives à l'image sont stockées en mémoire.

Dans le cas d'un écran fonctionnant en mode VGA, il faut afficher :

640 x 480 = 307 200 pixels

En mode monochrome, le codage d'un pixel ne nécessite qu'un seul bit. Le stockage de l'image à afficher occupera donc une place modeste :

307 200 / (8x1024) = 37,5 Ko

et cette place sera facilement trouvée dans la mémoire centrale de la machine.

L'affichage en couleur, seul utilisé aujourd'hui, est plus exigeant. On peut coder un pixel sur :

    un octet, ce qui fournit une palette de 28 = 256 couleurs ;
  deux octets, ce qui permet de consacrer 5 bits par coordonnée colorimétrique, et donc de représenter (25)3 = 32.768 couleurs ;
  trois octets, ce qui permet de consacrer 8 bits par coordonnée colorimétrique, et donc de représenter (28)3 / 106 = 16,8 millions de couleurs.

Sur le Mac, le codage sur 2 octets est appelé "milliers de couleurs" et sur le PC "64K couleurs". L'oeil humain étant capable de distinguer des centaines de milliers de couleurs, le codage sur 3 octets (souvent appelée True Color) est évidemment la meilleure solution.

Les premiers micro-ordinateurs avaient souvent des écrans de petite taille, mais on s'est acheminé rapidement vers l'écran de 12 à 14" de diagonale. Aujourd'hui, l'écran de 14 ou 15" est devenu l'entrée-de-gamme, et le 17" s'impose peu à peu. Pour la CAO et la PAO, on utilise des écrans de 19 à 21". Bien entendu, rien ne sert d'augmenter la taille de l'écran si la résolution ne suit pas. C'est ainsi que l'on conseille une résolution de :

    800 x 600 pixels pour un écran de 15" ;
  1024 x 768 pixels pour un écran de 17" ;
  1280 x 1024 pixels pour un écran de 19" ;
  1600 x 1200 pixels pour un écran de 21".

Le stockage d'une image en milliers de couleurs sur un grand écran nécessite donc :

1600 x 1200 x 2 / (1024x1024) = 3,7 Mo

que l'on stocke dans une mémoire RAM généralement située sur la carte graphique elle-même. Une bonne carte graphique pour micro-ordinateur comporte donc une mémoire de 2 à 4 Mo.

Sur les écrans de télévision, la fréquence de rafraîchissement de l'image varie entre 25 et 30 fois par seconde, suivant le standard utilisé. Pour un écran d'ordinateur, que l'on regarde plus longtemps, de plus près, et en s'intéressant plus aux détails, la fréquence de rafraîchissement doit être plus élevée, pour assurer un confort visuel acceptable. C'est pourquoi les bons écrans actuels régénèrent leur affichage 80 fois par seconde, ou plus. L'affichage d'une image en milliers de couleurs, sur un grand écran (1600 x 1200), à la fréquence de rafraîchissement de 80 sec-1, nécessite un RAMDAC 64 bits fonctionnant au minimum à :

1600 x 1200 x 2 x 8 x 80 / 64 x 1000000 = 38,4 MHz

Le RAMDAC doit en plus effectuer tous les calculs relatifs à l'affichage 3D (ce qui le fait ressembler de plus en plus à un coprocesseur arithmétique). On s'explique donc pourquoi :

    le RAMDAC fonctionne à une fréquence élevée, parfois supérieure à celle du microprocesseur de la machine (220 MHz pour les bonnes cartes 3D actuelles) ;
  sur les PC, les cartes graphiques s'enfichent sur les connecteurs PCI, plus rapides que les connecteurs ISA (sur les machines Apple récentes, le bus PCI est seul présent) ;
  les bonnes cartes graphiques 3D possède une mémoire plus rapide que celle de la machine ;
  le coût des cartes 3D est actuellement voisin de 2 KF TTC (exemple : Matrox Millennium ou Diamond Stealth 3D 3000, version 4 Mo).

Les micro-ordinateurs que l'on trouve actuellement sur le marché ne sont pas livrés en standard avec une carte graphique dotée de fonctions 3D et capable d'afficher une vidéo à 25 images par seconde en plein écran -- à l'exception de certains modèles haut-de-gamme. Les fabricants de RAMDAC et de cartes graphiques espèrent que cette exception deviendra peu à peu la règle au cours des années à venir. Ainsi, la carte graphique traditionnelle, capable d'afficher correctement les images fixes (ce que l'on appelle le 2D), cédera la place à "l'accélérateur multimédia", capable d'afficher une vidéo fluide sur la totalité de l'écran, puis à "l'accélérateur 3D" donnant en plus l'impression du relief.
 

Glossaire

Alpha blending

Cette technique permet de traiter des objets possédant une certaine transparence et placés devant d'autres objets. Le logiciel fournit le taux de transparence (le facteur alpha) de l'objet situé devant, et le RAMDAC calcule l'image résultante.

Depth cueing 

Cette technique consiste à diminuer la luminance et la saturation des objets au fur et à mesure qu'ils s'éloignent vers l'arrière-plan.

Edge-antiliasing

Technique permettant de limiter "l'effet d'escalier".

Fogging

Comme son nom l'indique, cette technique permet de donner l'impression de brouillard.

Gouraud shading

Les objets d'une image 3D sont représentés par des polygones. Le programme indique quelle est la teinte de chaque point du polygone, et le RAMDAC teinte l'intérieur du polygone en effectuant le dégradé correspondant.

Texture mapping

Application d'une texture définie aux polygones définissant l'image.

Perspective correction

Technique permettant l'application d'une texture sans fausser les effets de perspective.

Bilinear filtering

Technique permettant d'éviter certains défauts lors de l'application de la texture.

Mip-mapping

Utilisation de textures d'autant moins fines que l'objet est plus éloigné.

Z-buffering

Technique permettant de ne pas afficher les parties d'une image qui sont cachées par des objets situés au premier plan.
 
 
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