🥰 출처

🤔 그래픽 하드웨어란 무엇일까?

그래픽 하드웨어 란 컴퓨터 그래픽을 실행하는데 필요한 하드웨어를 말한다.

💙 그래픽 시스템 구성

  • 입력장치
  • 메인 컴퓨터
  • 그래픽 컨트롤러 : 그래픽 메모리(그래픽 카드), 그래픽 프로세서(GPU)
  • 출력장치

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💙 진공관 모니터(CRT)의 기본원리

진공관 모니터 란 그래픽 하드웨어 중 하나이다.

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  • 필라멘트에서 전자가 방출된다.
  • 제어 그물에서 전자빔의 양을 조절한다.
  • 집속 양극에서 가운데로 향하지 않는 전자빔을 차단한다.
  • 수직 편향판 과 수평 편향판 에서 전자빔의 방향을 조절한다.
  • 화면 에는 형광물질인 인 이 묻어 있어서 전자빔과 만나면 빛이 나온다.

💙 래스터 vs 벡터

⭐래스터란?

래스터 파일은 픽셀로 구성된 이미지이다.

작은 컬러 사각형인 픽셀 이 무수히 많이 모여 이미지가 만들어진다.

픽셀이 많을수록 품질이 좋아지고, 적을수록 품질이 낮아진다.

⭐벡터란?

벡터 파일은 그리드에 점을 찍는 수학 공식과 선, 곡선을 사용하여 이미지를 만든다.

벡터 파일에는 픽셀이 존재하지 않는 대신 수학 공식 이 내장 되어있다.

수학 공식을 기반으로 도형, 테두리 등을 이용하여 이미지를 만들어낸다.

수학 공식에 따라 크기가 변경 가능하므로, 벡터 이미지는 확대하거나 축소해도 이미지 품질에 영향을 주지 않는다.

🆚 해상도 측면에서 래스터와 벡터

래스터 파일의 해상도는 인치당 도트수(DPI), 인치당 픽셀수(PPI)로 표시된다. 래스터 이미지를 크게 확대하면 개별 픽셀을 볼 수 있다.

따라서 래스터 파일은 단위 픽셀을 통해 더 다양한 색상을 표현하고, 빛과 음영을 더욱 세밀하게 보여준다.

하지만, 크기를 조절하면 ‘이미지가 흐려지거나’, ‘픽셀화 현상’이 발생되어 이미지 품질이 저하된다.

벡터 이미지 파일의 경우 크기, 비율, 모양을 아무리 변경해도 이미지 품질이 저하되지 않는다.

🆚 파일 크기 측면에서 래스터와 벡터

레스터 파일은 수백만 개의 픽셀로 이루어져 있고 세부 정보가 매우 많으므로 벡터보다 무겁다.

벡터 파일은 디자인을 결정짓는 수학 공식만으로 구성되어 있어 래스터 파일보다 훨씬 용량이 작은 포맷이다.

💙 래스터 그래픽 장비

⭐ 래스터(Raster)

래스터는 화소(픽셀)를 의미한다.

  • 화소 = Picture Element = Pixel = Raster

하나의 화소 는 R, G, B 색을 띤 인점(Phosphor Dot)으로 구성되어 있다.(화면에는 인(Phosphor)이라는 형광 물질이 입혀져 있다.)

이때 세 가지 인점의 밝기에 따라 하나의 화소의 색상이 결정되게 된다.

하나의 이미지를 만들 때에는 전자빔이 주사선(ScanLine)을 따라 각 화소 색상에 해당하는 세기로 빔을 쏘아 화소 내부의 인점을 밝힌다.

이때, 래스터 장치의 화면은 사각형 모양의 화소로 나타내기 때문에 선이나 삼각형을 나타내려해도, 화소단위로 근사화(화소단위 컬러링) 되어 아래의 그림처럼 거칠게 표현된다.

⭐ 에일리어스와 래스터 변환

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이처럼 래스터 장치에서 일어나는 현상을 에일리어스(Allias)라고 한다.

에일리어스 현상을 최소화하기 위해 래스터 변환(스캔변환)을 하게 되는데, 래스터 변환 (Rasterization) 이란,

  • ‘물체의 좌표값으로부터 화면 화소 단위의 표현으로 변환하는 과정’이다.
  • ‘물체 좌표에서 화면 좌표로’
  • ‘부동소수 좌표에서 정수좌표로’

⭐ 화면 종횡비(Aspect Ratio)

화면 종횡비는 화면의 가로세로 비율이다.

  • TV - 4:3
  • HDTV - 16:9

⭐ 트라이어드(Triad) 방식과 스트라이프(Stripe) 방식

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  • 트라이어드 방식

(a)와 같은 방식을 트라이어드 방식 이라고 한다.

삼각형 내부 3개의 인점이 모여 한 화소를 구성한다. 인점을 그림과 같은 삼각형으로 그리면 역삼각형과 삼각형이 엇갈려 그려진다.

  • 스트라이프 방식

(b)와 같은 방식을 스트라이프 방식 이라고 한다.

**나란한 3개의 인점**이 한 화소를 이룬다. 주로 LCD (Liquid Crystal Display) 모니터(액정 모니터)가 위와 같은 방식을 사용한다.

⭐ 해상도(Resolution, Definition)

화소의 개수로 인해서 래스터 장치의 해상도가 결정된다.

  • 1024 x 768 해상도의 경우

1024는 가로화소, 768은 세로화소이다.

이때 해상도 픽셀 수는 1024*768개이다.

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  • PPI(Pixels per Inch)

해상도를 측정하는 단위이다. ‘1 inch 내 픽셀 수’를 나타낸다.

PPI가 높을수록 더 세밀한 화면 표현이 가능해진다.

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⭐ 섀도우 마스크 / 애퍼처 그릴

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컬러모니터에서는 전자총 RGB 각각 3개가 사용된다.

  • 트라이어드 방식일때 섀도 마스크

전자총과 화면사이에 존재하는 섀도 마스크 는 미세한 구멍을 통과한 빛만 화면에 도달하도록 한다.

이때, 빛이 인점에 맞지 않고 휘어버리면 다른 인점을 자극하므로 선명도가 떨어져버린다.

섀도 마스크 는 선명도와 큰 연관성을 가진다.

또한, 섀도 마스크 는 많은 양의 빛을 차단하는 방식으로 사용되어 다소 어둡다는 특징이 있다.

  • 스트라이프 방식 일때 애퍼처 그릴

전자총과 화면사이에 존재하는 애퍼처 그릴은 섀도 마스크와 달리 창살의 위 아래 방향으로 대량의 전자빔이 통과 가능하다.

따라서 더 밝고 선명한 영상을 얻을 수 있다는 장점을 가진다.

⭐ 주사선(Scan Line)과 인터레이싱(Interlacing)

래스터 장치에서는 [인점의 색이 합쳐서 나온 하나의 색은 동일한 밝기(세기, 강도, Intensity)로 빛난다고 간주]한다.

주사선 (Scan Line)이란 화면의 가로 방향 화소를 따라 진행하는 선을 말한다.

예를 들어, 1024x768 해상도에서 주사선은 768개이다.

래스터 장치에서 전자총이 발사하는 빔은 일정한 순서로 상하/좌우 움직이며 화소마다 필요한 밝기만큼의 세기로 빛을 쏘고 지나간다.

영상(이미지)은 해당 화소들의 집합으로 표현된다.

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위 그림 같은 경우, 해상도틑 18x7이다. 따라서 주사선은 7개이다.

  • 인터레이싱(Interlacing)

홀수번의 주사선과 짝수번의 주사선이 반반 나뉘어 주사되는 것을 인터레이싱이라고 한다. 인터레이싱의 경우 화면을 반쪽식 그려내어 완성시킨다.

예를 들어, 위 그림에서 주사선은 1 > 3 > 5 > 7 순서대로 수평 귀환을 하며 홀수번만 먼저 주사된다.

이후, 수직 귀환을 통해 2번으로 돌아가 2 > 4 > 6 순서대로 수평 귀환을 하며 남은 짝수번을 주사해준다.

  • 논-인터레이싱(Non-Interlacing)

주사선이 화면을 반쪽씩 그려내는 인터레이싱과 달리 논-인터레이싱은 전체화면을 한번에 주사시키는 것을 말한다.

전체 화면의 30번의 재생을 위해서,

  • 인터레이싱 : 60번의 주사 필요
  • 논-인터레이싱 : 30번의 주사 필요

두 방식에 대한 하드웨어의 부담은 비슷하다.

하지만, 재생 속도의 면에서는 논-인터레이싱 방식은 위에서 부터 차례로 스캔하여 내려오기 때문에 화면 재생 속도가 느리다. 인터레이싱 방식은 반쪽짜리 영상에 불과하지만 이 반쪽이 논인터레이싱의 두배 속도로 뿌려지기 때문에 화면이 부드럽게 느껴지고, 재생 속도가 빠르다는 장점이 있다.

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인터레이싱 방식의 경우 홀수or짝수가 나뉘어져 스캔되기 때문에 화면의 끊김이 다소 적게 느껴진다.

논-인터레이싱 방식의 경우 모든 화면이 동시에 스캔되기 때문에 전체 화면이 refresh 되는 과정에서 화면의 깜빡임과 끊김이 다소 크게 느껴질 수 있다. 이와 같은 현상을 Flickering 이라고 한다.

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왼쪽 그림이 논-인터레이싱, 오른쪽 그림이 인터레이싱 기법을 사용한 화면이라고 생각하면 된다.

⭐ 프레임 버퍼

  • 프레임 버퍼

프레임 버퍼(Frame Buffer = Color Buffer = Video Memory)는 그래픽 프로세서 안에 내장되어 있다.

화소 정보(화소당 밝기, 색상)을 가지고 있다.

  • 비디오 컨트롤러

비디오 컨트롤러는 프레임 버퍼로부터 화소 정보를 전달 받아 화면에 뿌리는 역할을 한다.

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위와 같은 그림을 DA 변환기라고 한다.

  • DA 변환기(Digital-to-Analog Converter)

DA 변환기는 0과 1로 이루어진 디지털 신호(프레임버퍼)를 비디오 컨트롤러를 거쳐 선과 면으로 이루어진 아날로그 신호(아날로그 전압)로 바꾸는 역할을 한다.

DA 변환은 거의 동시에 이루어져 매우 빠르다는 특징을 가진다.

⭐ 비트 평면

색상의 종류가 다양하기 위해서는 프레임 버퍼의 용량이 커져야 한다.

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위 그림에서 사각형 하나는 비트평면(Bit Plane)을 의미하는데, [비트 평면 1개 = 1비트 프레임] 이다.

하나의 화소는 비트평면이 모여 구성된다.

  • 회색도(Gray Level)

회색도란 화소값(pixel value)과 같다. 디지털 이미지를 구성하는 각 화소가 갖는 정보값을 화소값이라고 하는데 ‘Gray’인만큼, 흑백 이미지일때 사용되는 단어이다.

흑백 이미지의 경우 각 화소의 밝기를 지정하여 이미지를 형성한다. 흑백 이미지는 대부분 24bit의 이미지(화소 하나의 색표현에 8bit를 사용)인데, 이 경우 각 화소의 회색도는 $2^8$(0,1)=256개의 값들 중 하나의 값을 가진다.

일반적으로 화소값이 0인 경우는 가장 어두운 상태인 검은색을, 화소값이 255인 경우는 가장 밝은 상태인 흰색을 나타낸다.

8bit 이미지는 흑백의 밝기를 최대 256(000~255) 단계로 나누어 표현 가능하다.

흑백 이미지가 아닌 컬러 이미지라면 어떻게 될까?

각 화소의 화소값은 256개의 값을 가지므로, 각각 R의 값은 256(000255)/G의 값은 256(000255)/B의 값은 256(000~255)을 가진다.

이 말은 곧, 화소당 24비트를 할애한 프레임 버퍼는 RGB 값을 조합하면 $256^3$=약 1,600만이 넘는 컬러를 표현 가능하다는 것이다. 이 경우 풀컬러라고 칭할 수 있다.

프레임 버퍼의 용량은 결과적으로 해상도에 영향을 미친다.

예를 들어, 1024x1024 해상도의 24비트 color image의 경우 이미지의 총 비트 수는 다음과 같다.

이미지의 총 비트 수 : 1024102424 = 25,165,824bit = 3MB

💙 벡터 그래픽 장비

벡터 그래픽 장치는 레스터 그래픽 장치와 달리 인점이 존재하지 않는다. 화면 전체에 인이 칠해져 있어 전자빔이 닿는 부분마다 밝혀지게 된다.

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따라서 화소의 개념이 존재하지 않는데, 이 때문에 발생하는 효과는 다음과 같다.

  • 에일리어싱 또한 일어나지 않는다.
  • 전자빔의 폭이 곧 해상도이기 때문에 무한 해상도를 가진다.

⭐ 디스플레이 리스트

벡터 그래픽 장치는 프레임 버퍼 대신 디스플레이 리스트를 가진다.

디스플레이 리스트는 이미지(해당 물체)를 그리기 위한 명령어의 집합으로 이루어져있다.

이 디스플레이 리스트를 그래픽 프로세서가 읽어 명령어를 처리 한 뒤, 비디오 컨트롤러로 화면에 쏘아버린다.

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⭐ 벡터 그래픽 모니터와 응용

벡터 그래픽 모니터는 빔 투과 방식을 이용하여 이미지를 표현한다.

이때, 빔의 가속 전압이 약할 때는 녹색 / 가속 전압이 중간일 때는 황색 / 가속 전압이 강할 때는 적색을 띈다.

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벡터 그래픽 장치를 사용하는 것에는 오실로스코프라는 것이 있다. 오실로스코프는 전압, 전류를 측정하기 위한 계측장치로, 전기적 신호의 파형을 선으로 그려내는 장치이다.

이외에도 레이더, 단백질 구조도 벡터 그래픽 렌더링 등이 있다.

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💙 레스터 장치 vs 벡터 장치

⭐ 인점의 유무

레스터 장치는 인점을 가지고, 벡터 장치는 인점을 가지지 않는다. 따라서 에일리어스가 레스터 장치에서는 발생하지만, 벡터 장치에서는 발생하지 않는다.

⭐ 렌더링의 속도

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레스터 장치는 해당 화소의 색만 바꾸면 되므로 랜더링의 속도가 다소 빠르지만, 벡터 장치의 경우 하나하나의 선을 그어 직접 면을 채워나가야 하기 때문에 랜더링의 속도가 느린편이다.

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