Апаратне прискорення в усіх областях: графіка Windows 8

1. Робота над Windows 8
2. планування продуктивності
3. 1. Частота кадрів
4. 2. Число збоїв
5. 3. Час до першого кадру
6. 4. Використання пам'яті
7. 5. Використання центрального процесора
8. Апаратне прискорення основної графіки
9. Підвищення швидкості відображення тексту
10. Поліпшення продуктивності відтворення геометричних об'єктів
11. отрісовка зображень
12. Отрісовка і відображення
13. Оптимізація всієї платформи
14. Створення пріголомшлівіх візуальніх ефектів с помощью Direct2D и Direct3D
15. Direct3D 11.1 як загальна платформа
16. Різноманітне графічне обладнання
17. Системи з низьким енергоспоживанням
18. Висока продуктивність і плавна отрисовка

Наша взаимовыгодная связь https://banwar.org/

У комп'ютерній графіці висока продуктивність є основним принципом. На ранніх етапах розвитку персональних комп'ютерів окремі додаткові графічні плати призначалися в основному для спеціалізованих додатків, таких як САПР і АСТПП, та ігор. Навіть тоді вже існувала думка про те, що графічні потужності можна було б використовувати для поліпшення користувальницького інтерфейсу і роботи користувачів. Одна з перших графічних плат для ПК від компанії S3 Graphics називалася Windows Accelerator . Вона використовувалася для відображення призначеного для користувача інтерфейсу і швидше носила вікна по екрану. У міру розвитку графічного обладнання еволюціонували і методи, використовувані розробниками для сполучення з таким устаткуванням.

DirectX є компонентом Windows, який надає загальний інтерфейс API, що дозволяє розробникам використовувати графічне обладнання комп'ютера для відтворення тексту, фігур і тривимірних сцен, а також для відображення їх на екрані. Можливості та продуктивність DirectX також розвивалися з часом. На ранніх етапах платформа DirectX використовувалася в основному для ігор. У міру розвитку додатків і створення більш графічно насиченого інтерфейсу багато з них стали використовувати DirectX для поліпшення продуктивності і зовнішнього вигляду.

Робота над Windows 8

Починаючи планувати роботу над графікою в Windows 8, ми знали, що збираємося створити новий, візуально насичений посіб взаємодії користувачів з додатками і самою операційною системою Windows. Ми також знали, що будемо розробляти нову платформу для створення додатків в стилі Metro і будемо орієнтуватися на більш широкий спектр обладнання. І хоча у нас була основа у вигляді прекрасної графічної платформи, для виконання поставлених завдань було потрібно багато зусиль. Ми сформулювали чотири основні цілі:

1. гарантувати, що всі особливості стилю Metro відображаються плавно і швидко;
2. надати платформу з апаратним прискоренням для всіх додатків в стилі Metro;
3. додати нові можливості в DirectX, що дозволяють створювати чудові візуальні ефекти;
4. підтримувати найширший спектр графічного обладнання.

Хоча кожна з цих цілей фокусується на різних аспектах розробки Windows 8, всі вони залежать від продуктивності і можливостей графічної платформи.

планування продуктивності

Продуктивність графіки в Windows залежить від операційної системи та апаратної системи, що складається з центрального процесора, графічного процесора і пов'язаного відеодрайвера. Щоб забезпечити хорошу продуктивність для нових додатків в стилі Metro, нам потрібно переконатися, що і програмна платформа, і апаратна система зможуть домогтися відмінної продуктивності.

У минулому ми використовували безліч різних тестів і додатків для вимірювання продуктивності DirectX. Здебільшого вони фокусувалися на тривимірних іграх. Хоча гри як і раніше дуже важливі, ми знали, що багато хто з цих методів вимірювання графічної продуктивності не давали нам всієї необхідної інформації для основних двомірних додатків з насиченою графікою.

Тому ми створили нові тести і показники для відстеження нашого прогресу. Ми використовуємо такі показники:

1. Частота кадрів

Частота кадрів виражається в кадрах в секунду (кадрів / с). Цей показник широко використовується для ігрових тестів і однаково важливий для відеоконтенту і інших додатків. Коли на екрані відображається анімація, частота 60 кадрів / с дозволяє домогтися плавного зображення. Ми націлюємося на цю частоту, так як більшість комп'ютерних моніторів оновлюються з частотою 60 Гц. З цією частотою кадрів Windows може відтворювати дуже плавну анімацію при використанні сенсорного управління.

2. Число збоїв

Частота кадрів - важливий показник, проте він не дає всієї інформації. Наприклад, якщо при виконанні тесту протягом 10 хвилин середня частота кадрів становить 60 кадрів / с, то це здається ідеальним результатом. Але це не говорить нам про те, наскільки сильно частота кадрів могла знижуватися під час тесту. Наприклад, якщо частота кадрів падає до 10 кадрів / c в складні моменти, анімація буде "збиватися". Показник числа збоїв враховує загальне число випадків, коли на отрисовку пішло більше 1/60 секунди, що призводить до скорочення частоти кадрів. Цей показник також враховує число пропущених одночасних кадрів. Наша мета - домогтися відсутності пропущених кадрів під час анімації.

3. Час до першого кадру

Більшість користувачів хочуть, щоб програми запускалися швидко, тому ініціалізація DirectX повинна займати мало часу. "Час до першого кадру" говорить нам, скільки часу після торкання або клацання програми потрібен для того, щоб побачити перший кадр додатки на екрані. Для вимірювання цього показника ми створили прості програми, які допомагають аналізувати і оптимізувати роботу графічної системи при ініціалізації графічного пристрою, виділення пам'яті і т. Д. Це допомагає забезпечити швидке виконання настройки DirectX.

4. Використання пам'яті

Чим більше пам'яті використовують графічні компоненти, тим менше пам'яті доступно для додатків. Гарантуючи, що велика частина системної пам'яті доступна для додатків, ви забезпечуєте високу продуктивність додатків і отримуєте можливість запускати більше додатків одночасно. Додатки використовують поєднання системної пам'яті і пам'яті графічного процесора. Пам'ять графічного процесора в основному використовується для операцій відтворення, таких як малювання зображень і геометричних фігур і відображення тексту. Крім того, існують графічні операції, що використовують центральний процесор і, тим самим, системну пам'ять.

Для класифікації використання пам'яті ми вимірюємо обсяг пам'яті, який використовується системою в наступних сценаріях:

• Додаток не діє. Це означає, що воно не виконує роботу і не відображає нові дані на екрані.
• Додаток відображає дані на екрані. . Цей показник являє базові витрати пам'яті на просте відображення графіки.
• Створення текстур. Цей показник являє обсяг пам'яті, який використовується для створення безлічі об'єктів зображення в графічному процесорі.
• Створення буфера вершин. Цей показник являє пам'ять, необхідну для створення геометричних фігур.
• Передача даних графічного процесора. Цей показник вимірює пам'ять, яка використовується під час передачі даних в графічний процесор.

Вимірювання використовуваного обсягу пам'яті для різних типів додатків і сценаріїв допомогло нам ще в більшій мірі оптимізувати DirectX і відеодрайвери.

5. Використання центрального процесора

У більшості графічних операцій крім графічного використовується і центральний процесор. Наприклад, коли додаток визначає, що буде відображатися, воно виконує обчислення на центральному процесорі. Показник використання центрального процесора дуже важливий, тому що чим вище відсоток його використання для завдання, тим менше циклів він може приділити іншим завданням. Для забезпечення гарної продуктивності графіки і загального відгуку системи важливо ефективно розподіляти навантаження між центральним і графічним процесорами.

Ці тести і показники допомагають забезпечити плавну і швидку роботу додатків і призначеного для користувача інтерфейсу. Вони грають важливу роль в розумінні основних додатків. Звичайно, ми як і раніше використовуємо різні тести продуктивності, ігри та інші методи для оцінки загальної продуктивності.

Апаратне прискорення основної графіки

Існує безліч способів аналізу основний графіки. Щоб гарантувати, що наша робота забезпечить користувачам належний рівень продуктивності, ми вивчили безліч прикладів додатків в стилі Metro і класичних додатків, щоб зрозуміти, як вони використовують графічне обладнання. Зокрема, Internet Explorer 9 , Windows Live Mail і Windows Live Messenger прекрасно використовують DirectX. Так як ці програми застосовують DirectX, вони є хорошими прикладами того, що є іншим додаткам. Це призвело до ряду інвестицій, що дозволяють зробити основні додатки швидкими і красивими.

Підвищення швидкості відображення тексту

На даний момент, текст є самим часто використовуваним графічним елементом в Windows, тому підвищення швидкості відображення тексту відіграє важливу роль в поліпшенні загальної продуктивності. Веб-сторінки, поштові програми, програми обміну миттєвими повідомленнями і інші додатки для читання виграють від якісного і швидкого відображення тексту.

Мова проектування стилю Metro володіє багатими типографськими функціями, а кілька функцій стилю Metro сфокусовані на забезпеченні зручних можливостей для читання. DirectWrite забезпечує високу друкарська якість, надшвидку обробку даних шрифтів для відтворення, а також підтримує провідні текстові технології. Ми продовжили покращувати швидкість відображення тексту в Windows 8, оптимізуючи стандартну отрисовку тексту в додатках в стилі Metro для підвищення продуктивності і ефективності, підтримуючи при цьому друкарська якість і глобальні текстові технології.

На лінійчатої діаграмі нижче показані поліпшення продуктивності, досягнуті в результаті цієї роботи. На ній представлені вимірювання для наступних текстових сценаріїв:

• Отрісовка на весь екран тексту, що читається, форматированного у вигляді абзаців, як на веб-сторінці або в документі Word
• Отрісовка на весь екран невеликих блоків тексту, що читається, як в елементах управління користувальницького інтерфейсу, таких як написи кнопок і меню
• Отрісовка на екрані безлічі невеликих блоків тексту, як в заголовках в додатках в стилі Metro і в назвах записів блогу і новин в Інтернеті.

Найпомітніші поліпшення продуктивності видно при прокручуванні довгого документа на сенсорному екрані. Скорочення часу, необхідне для відтворення символів, дозволяє використовувати центральний процесор для обробки інших завдань, таких як обробка високочастотного сенсорного введення або відображення складних структур документів.

Поліпшення продуктивності відтворення геометричних об'єктів

Поряд з текстом ми також значно поліпшили отрисовку двомірних геометричних об'єктів. Отрісовка геометричних об'єктів - це основа графічної технології, використовуваної для створення таких елементів, як таблиці, діаграми, графіки і елементи призначеного для користувача інтерфейсу, як показано в прикладі нижче. Для Windows 8 наші поліпшення в цій галузі були сконцентровані на високопродуктивної реалізації технологій HTML5 Canvas і SVG для застосування в додатках в стилі Metro і веб-сторінках, переглядаються в Internet Explorer 10.

збільшити

Додаток Weather в Windows 8 використовує геометричні об'єкти для відображення графіка температур і опадів

Коли модуль Direct2D малює геометричні об'єкти, він слідує інструкціям додатки про те, що потрібно малювати в формі двомірних фігур (т. Е. Прямокутників, еліпсів і ліній), які повинні бути розмір і положення цих фігур, а також використовує дані про стилі відтворення, в тому числі кольорі і форматі накреслення. Потім Direct2D перетворює ці інструкції в набір трикутників і команд, що передаються в Direct3D, для формування потрібного зображення. Цей процес перетворення ми називаємо тесселяції.

Щоб поліпшити швидкість відтворення геометричних об'єктів в Windows 8, ми вирішили скоротити витрати центрального процесора, пов'язані з тесселяції, двома способами.

По-перше, ми оптимізували нашу реалізацію тесселяции при відображенні простих об'єктів, таких як прямокутники, лінії, округлені прямокутники і еліпси. Нижче подано діаграму з результатами цих поліпшень.

По-друге, для поліпшення продуктивності при відображенні неправильних об'єктів (наприклад, географічних кордонів на карті) ми використовуємо нову апаратну графічну функцію - незалежну растеризування мети або TIR.

TIR дозволяє Direct2D витрачати менше циклів центрального процесора на тесселяцию, щоб процесор міг швидше і ефективніше передавати інструкції по відображенню в графічному процесорі, не жертвуючи при цьому якістю зображення. Функція TIR доступна в нових графічних процесорах, розроблених для Windows 8 і підтримують DirectX 11.1.

Нижче подано діаграму, що показує поліпшення продуктивності відтворення геометричних об'єктів зі згладжуванням для різних SVG-файлів на графічному процесорі з DirectX 11.1 з підтримкою TIR:

збільшити

Ми тісно співпрацювали з нашими партнерами, що роблять графічне обладнання, для розробки TIR. Це партнерство дозволило домогтися значних поліпшень. Устаткування DirectX 11.1 вже є на ринку, а ми разом з партнерами працюємо над збільшенням числа доступних TIR-сумісних продуктів.

отрісовка зображень

Зображення використовуються в безлічі різних сценаріїв, в тому числі при відображенні призначеного для користувача інтерфейсу, веб-сторінок та іншого вмісту додатків. На веб-сайтах часто використовуються JPEG-файли для малюнків і PNG- і GIF-файли для ефективного зберігання елементів призначеного для користувача інтерфейсу, таких як кнопки.

Робота з цифровими фотографіями також є однією з поширених операцій в Windows. Число фотографій, переглядаються і оброблюваних користувачами Windows на своїх комп'ютерах, продовжує зростати з неймовірною швидкістю.

Ми реалізували кілька поліпшень для роботи з зображеннями і фотографіями з використанням форматів JPEG, GIF і PNG.

Ось деякі з цих поліпшень для формату JPEG:

• прискорене декодування зображень за рахунок розширення застосування SIMD для всіх архітектур центрального процесора;
• прискорене декодування і кодування Хаффмана .

Ось деякі з цих поліпшень для формату PNG:

• прискорене декодування зображень за рахунок розширення застосування SIMD для всіх архітектур центрального процесора;
• прискорене кодування і декодування зображень за рахунок оптимізації нашої реалізації zlib .

Крім того, ми поліпшили перетворення формату пікселів, а також масштабування зображень. Це дозволило прискорити декодування і відтворення зображення зображень для всіх додатків.

У відеоролику, представленому далі, використовується тестове додаток для вимірювання часу декодування і відтворення набору зображень. У Windows 8 для відтворення 64 зображень потрібно на 40% часу менше, ніж в Windows 7 (4,38 с і 7,28 с відповідно)

Отрісовка і відображення

Крім розвитку DirectX для підтримки основних сценаріїв ми також працювали над оптимізацією відтворення і відображення вмісту додатків. Існують значні відмінності між тим, як відображає вміст тривимірна гра, і тим, як це робить основну програму, таке як Internet Explorer. Наприклад, розглянемо відеоролик гри, представлений нижче. В таких іграх вся сцена змінюється дуже швидко. У міру обертання "камери" навколо танка, по небу рухаються хмари, від двигуна піднімається дим, а додаток має перемальовувати всю сцену на кожному кадрі для досягнення реалістичного зображення. Завантажте це відео, щоб переглянути його в своєму медіа-програвач: MP4, висока якість | MP4, низька якість

Тепер розгляньте веб-сторінку нижче. Вона містить текстову статтю і відео. Коли відеоролик відтворюється, браузер повинен оновлювати частину вікна з відеороликом, але не з текстом. Крім того, якщо користувач прокручує сторінку, необхідно отрисовать тільки новий текст в нижній частині сторінки. Решта тексту вже відмалювали, і його просто потрібно перемістити.

збільшити

Щоб поліпшити додатки, в яких не потрібно перемальовувати весь екран для кожного кадру, ми оптимізували то, як DirectX обробляє перерисовку частин екрану і прокручування екрану. Це не тільки підвищує ефективність і продуктивність додатків, але і зменшує споживання енергії, збільшуючи термін роботи батареї, за рахунок скорочення непотрібних операцій малювання і обсягу даних, які потрібно копіювати в пам'ять.

Оптимізація всієї платформи

Всі ці зміни допомагають Windows швидко і плавно виконувати отрисовку графіки. Хоча ми в основнм говорили про функції DirectX, вся ця робота дозволяє всій нашій платформі за замовчуванням підтримувати апаратне прискорення. Так як ми побудували платформу стилю Metro на основі DirectX, всі програми можуть скористатися всіма перевагами графічного обладнання в системі незалежно від мови чи платформи програмування, обраних розробниками.

Створення пріголомшлівіх візуальніх ефектів с помощью Direct2D и Direct3D

Ефект Direct2D

Стилістичні ЕФЕКТ, что застосовуються до зображення, стають все більш Поширеними в СУЧАСНИХ корістувальніцькіх інтерфейсів. Смороду допомагають віділіті область Додатки, прикрутити Рамус до певної части екранах або просто поліпшіті Зовнішній вигляд елементів. Коли ми планувалі розробка графічних можливий Windows 8, ми Хотіли спростіті для розробніків! Застосування ціх ефектів в своих Додатках. Ми розглянули дві основні області, де обробка зображень буде корисною:

• Зображення в інтерфейсі
  В інтерфейсі в стилі Metro застосовуються динамічні зображення. Ми хотіли дозволити додаткам в стилі Metro обробляти зображення в реальному часі. У число можливих операцій можуть входити тривимірні ефекти переходів, перетворення перспективи, розмивання і виділення елементів інтерфейсу.
• фотографии
  Додатків, що працюють з фотографіями, часто потрібно широкий спектр функцій обробки зображень. Такі ефекти, як коригування експозиції, яскравості і контрастності, забезпечення динамічності і чіткості, робота зі складними кривими і застосування коригувальних лінз, дозволяють таким програмам поліпшити ваші електронні спогади.

Для реалізації подібних функцій ми додали "Ефекти Direct2D", новий набір інтерфейсів API, що дозволяють застосовувати до будь-якого зображення якісні ефекти з апаратним прискоренням. Ефекти Direct2D надають такі переваги:

• забезпечують отрисовку ефектів оптимального якості відповідно до потреб різних додатків;
• використовують апаратне прискорення і працюють з широким спектром графічного обладнання;
• простий API дозволяє досягти чудових ефектів з мінімальними зусиллями;
• надають безліч вбудованих ефектів;
• підтримують великоформатні розміри до 32 розрядів на канал;
• настроюються ефекти можна об'єднувати з вбудованими або іншими налаштованим ефектами.

Ефекти Direct2D використовуються для реалізації деяких нових можливостей для користувача інтерфейсу в Windows 8. Наприклад, при торканні плитки на початковому екрані плитка використовує ефект тривимірного перетворення перспективи для нахилу в потрібному напрямку. Ці ефекти також застосовуються у всій платформі. Наприклад, ефекти фільтра SVG і тривимірні перетворення CSS реалізуються за допомогою ефектів Direct2D.

Direct3D 11.1 як загальна платформа

Хоча додавання таких нових функцій, як ефекти Direct2D - це прекрасний спосіб допомогти розробникам реалізувати нові можливості, ми також шукали способи спростити використання вже наявних функцій DirectX.

За роки розробок ми додавали різні можливості в DirectX. Апаратне прискорення при декодуванні відео і програмовані шейдери з'явилися в Direct3D 9. У Windows 7 ми додали Direct2D на основі Direct3D 10. У той же час ми також створили DirectCompute, нову систему для високопродуктивних обчислень на графічному процесорі, яка стала частиною Direct3D 11. В результаті цих оновлень платформа DirectX отримала всебічний набір функцій для обробки графіки і обчислень в графічному процесорі, але побічним ефектом цього також стало ускладнення створення додатків, що використовують відео, дво- і тривимірну графіку, текст і DirectCompute разом.

У Windows 8 новий інтерфейс API Direct3D 11.1 є основною для апаратного прискорення двомірної графіки і тексту, обробки зображень, тривимірної графіки і обчислень, а також відтворення відео. Новий інтерфейс API значно спрощує об'єднання різних типів контенту на одній сцені, так як цей API тепер керує всіма ресурсами графічного процесора, пов'язаними з отрисовкой. Це також скорочує обсяг використовуваної пам'яті за рахунок усунення надлишкових об'єктів управління графікою в коді програми. Крім того, Direct3D 11.1 надає узгоджені можливості для доступу додатків до різних функцій різного графічного обладнання. Direct3D 11.1 реалізує механізми, що дозволяють з додатком визначити, які функції доступні, і тільки потім використовувати їх. Так додатки можуть отримати максимальну вигоду з можливостей графічного процесора, будь він розроблений для тривалої роботи акумулятора на планшеті або для складних ігор на настільному ПК.

Різноманітне графічне обладнання

Історично склалося, що очікування від кожного наступного випуску Windows полягали в тому, що і графічна платформа, і можливості графічного обладнання ставатимуть дедалі потужнішими. Це як і раніше так, оскільки виробники графічного обладнання продовжують створювати все більш швидкі і потужні графічні процесори. Але в Windows 7 ми почали помічати перелом в цих очікуваннях, пов'язаний з ростом різноманітності обладнання після розвитку мобільних пристроїв з малим енергоспоживанням.

З наближенням виходу Windows 8 ця тенденція продовжує розвиватися, з'являються нові високопродуктивні графічні карти і нові мобільні пристрої. Устаткування для Windows 8 буде таким різнорідним, як ніколи раніше: від графічного обладнання потужністю не більше 10 Вт на планшетних ПК, постійно підключених до Інтернету, до потужних систем з декількома графічними картами і сукупної потужністю 1000 Вт і більше. Така різноманітність змушує нас застосовувати нові принципи проектування.

Нашою метою залишається візуально багата і швидко відображається графіка. У мобільних пристроях основним джерелом харчування є батарея, тому нам також потрібно збільшити термін її роботи. Щоб задовольнити вимоги до продуктивності і енергоспоживанню цих нових форм-факторів, багато з наших партнерів, які виробляють графічне обладнання, розробили нові архітектури графічного процесора.

Системи з низьким енергоспоживанням

Однією з графічних архітектур, часто застосовуються в системах з низьким енергоспоживанням для досягнення високої продуктивності і тривалої роботи батареї, є "отрисовка на основі плиток". Основною концепцією такого підходу є використання невеликої кеша з дуже високою продуктивністю, який використовується графічним модулем для відтворення. Графічний процесор відображає екран за розділами (або плитках), повторно обробляючи один і той же набір команд для кожної плитки, а не отрісовиваєт повноекранному режимі. Мета цього процесу - мінімізувати операції, що використовують зовнішню пам'ять, тим самим скоротивши енергоспоживання і підвищивши продуктивність. Численні звернення до зовнішньої пам'яті віднімають багато часу і енергії.

Щоб підвищити ефективність таких архітектур, ми додали ряд прапорів, підказок і нових інтерфейсів API, які можуть мінімізувати число операцій відтворення плиток. Ми впровадили ці принципи в платформу розробки додатків в стилі Metro, щоб домогтися високої ефективності в додатках, що працюють на графічному обладнанні, що використовує архітектуру з отрисовкой на основі плиток.

Ще один спосіб зниження енергоспоживання графічного обладнання та одночасного забезпечення високої продуктивності - виконання обчислень для відтворення за допомогою меншого числа бітів точності. Це дозволяє графічному процесору більш ефективно структурувати дані для паралельної обробки більших обсягів даних, що скорочує необхідну для цього потужність. У Windows 8 ми додали нові механізми, що дозволяють додаткам вказувати необхідну точність графічних обчислень. Наприклад, при змішуванні декількох зображень якістю 8 біт на компонент, обчислення змішування можна виконувати з точністю 10 біт, а не стандартної точністю в 32 біта. Зниження точності не впливає на якість зображення, але скорочує енергоспоживання.

Висока продуктивність і плавна отрисовка

Завантажте це відео, щоб переглянути його в своєму медіа-програвач: MP4, висока якість | MP4, низька якість

Як бачите, ми виконали багато роботи, щоб домогтися дуже швидкого і плавного відображення графіки в Windows 8. Завдяки новим способам оцінки поліпшень, оптимізації застосування графічної платформи в основних додатках і новим апаратним можливостям ми створили кращу на поточний момент графічну платформу Windows. І звичайно, ми продовжуємо розширювати горизонти для тривимірних ігор з ефектом занурення завдяки прекрасній продуктивності і новим функціям, таким як стереоскопічне зображення.

Windows 8 підтримує найширший діапазон графічного обладнання, від потужних ігрових платформ до компактних планшетних ПК, в одній операційній системі. Сподіваємося, що цей запис пояснила, як наша робота дозволяє реалізувати абсолютно нові можливості.