컴퓨터 하드웨어

하드웨어 구성

그래픽 시스템

• 입력 장치, 메인 컴퓨터, 그래픽 컨트롤러, 출력장치

그래픽 컨트롤러

• 그래픽 프로세서
• 그래픽

입력장치 → 메인 컴퓨터, 그래픽 컨트롤러 → 출력 장치

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그래픽 컨트롤러 및 그래픽 메모리 를 그래픽 사양에서 본다.

컴퓨터 모니터의 기본 원리(CRT)-진공관 모니터

레스터 그래픽 장치

화소 = Picture Element = Pixel = Raster

인점 (Phosphor Dots)

종횡비(Aspect Ratio)

• 4:3 TV
• 16:9 HDTV

해상도(Resolution) : 1920 * 1080(Full HD) 도트 피치(Dot Pitch) : 동일 색상 인점 사이의 거리

트라이어드 방식, 스프라이트 방식

화소 수는 화면에 새겨 넣을 수 있는 인점의 수에 따라 달라진다.

도트 피지(Dot Pitch)는 동일 색상의 인점 사이의 거리를 말한다.

이 거리는 0.27 ~ 0.44 mm정도이다.

물론 인점 하나의 반지름을 작게하면 더욱 많은 점을 찍을 수 있다.

그러나 집속 양극이나 수평/수직 편향판이 이웃한 점과 중첩되지 않게, 정확하게는 원하는 위치와 점만을 겨냥할 수 있어야 한다.

일반적으로 전자총은 인점의 중심을 향하기 떄문에 점의 중심이 가장 밝고 외곽으로 갈수록 어두워진다.

반지름이 작은 상태에서 밝은 색상을 내기 위해 중심을 강하게 때리면 그 빛의 일부가 이웃한 인점을 밝힐 수도 있다.

따라서 해상도는 이러한 하드웨어적 성능을 고려하여 결정해야 한다.

기줄의 발전으로 1920 x 1200 또는 그 이상의 고 해상도가 가능해지고 있다.

섀도 마스크(Shadow Mask)

컬러 모니터에는 3개의 전차총이 사용된다.

전자총과 화면 사이에는 섀도 마스크가 있고, 여기에는 아주 미세한 구멍들이 뚫려 있다.

전자빔 중 이 구멍을 통과한 전자들만 화면에 도착하도록 함으로써 각 전자총이 정확히 해당 색상의 인점을 맞추도록 되어있다.

섀도 마스크가 없다면 빨강 인점을 향한 전자빔이 휘는 경우 동일 화소 또는 인접 화소의 다른 인점을 자극할 수 있기 때문에 섀도 마스크 기술은 화면의 선명도와 직결된다고 할 수 있다.

애퍼처 그릴

애퍼처 그릴 방식의 컬러 모니터는 창살 모양의 마스크를 사용한다.

이는 인점이 스트라이프로 형성되어 있을 때 적용되며 전자총이 수평으로 배열되어 있다.

이 경우 전자빔의 방향은 그릴 사이를 통과하게 되어있다.

섀도 마스크 방식이 마스크에서 많은 양의 빛을 차단하는데 반해 이 방식에서는 창살 사이의 아래 위 방향으로 대량의 전자빔이 통과할 수 있기 때문에 더욱 밝고 선명한 영상을 얻을 수 있다.

인터레이싱

주사선(Scan Line)

화면의 가로 방향 화소를 다라 진행하는 선 예)1024*768 주사전

인터레이싱 (비월주사, 짜집기, Interlacting, Interleaving) 인터레이싱 방식 : 화면을 반쪽식 교대로 그려낸다.

논 인터레이싱 방식의 경우 첫째 화면과 둘째 화면 사이의 시간적 간격이 길어져 깜박거리는 현상이 발생한다. → 재생속도가 느리다.

Hz : 30 Hz , 1초에 30개의 프레임을 화면에 뿌린다, 60Hz 60개 하프 프레임을 뿌린다.

즉 논 인터레이싱 방식으로 30번을 뿌리냐 , 2배의 속도의 인터레이싱 방식으로 60개를 뿌리나 하드웨어는 비슷한 부담이지만, 2배의 속도로 뿌리므로 훨씬 화면이 부드럽다.

프레임

뿌리는 화면의 전체를 프레임이라 한다.

즉 한 화면은 1프레임이다.

레스터 장치의 기본 구조

레스터 장치에서의 화면은 사각형 모양의 화소 단위로 표현된다.

하나의 화소는 일정 크기의 면적을 갖고 있기 떄문에 그 화소가 밝아진다는 것은 화소 면적 전체가 완전히 동일한 색으로 밝혀진다는 것을 말한다.

따라서 화소 크기 이하로 분할하여 동일한 화소의 일부는 노란색, 일분느 녹색과 같은 식으로 밝힐 수는 없다. → 화소 단위 컬러링

선은 기하학적으로 면적이 없다고 정의되지만 화면에 표현되기 위해서는 그 선을 나타내는 데 필요한 화소를 칠해야 한다.

이러한 제약 때문에 곧바른 모양의 선이 거칠게 표시된다.

이러한 현상을 계단현상 (Jaggis = Alias)라 한다.

→ 없애는 방식을 안티 앨리어싱 이라한다.

레스터 장치에서는 스캔 변환이 필수이다.

이처럼 물체의 수학적 표현으로부터 화면 화소 단위의 표현으로 변환하는 과정을 스캔변환 또는 레스터 변환이라 한다.

스캔 변환 알고리즘이 필요하다.

• 어떤 화소를 어느 정도 밝혀줄 것인지를 결정하는 알고리즘

프레임 버퍼

Frame Buffer = Color Buffer = Video Memory

프레임 버퍼는 프레임, 즉 그림을 저장하는 메모리로, 컬러 버퍼(Color Buffer) 또는 비디오 메모리(Video Memory)라고도 부른다.

그림이 바꾸리 경우 호스트 컴퓨터는 프레임 버퍼의 내용을 바꾸기만 하면 된다.

바꾸니 내용을 화면에 뿌리는 것은 비티오 컨트롤러의 몫이다.

비디오 컨트롤러의 내부에는 DA 변환기(DAC :Digital to Analog Converter)가 내장되어 있기 때문에 전자빔이 어떤 화소를 주사할때 프레임 버퍼의 디지털 비트 값에 비례하는 아날로그 전압으로 변환시켜 해당 화소의 밝기를 조절할 수 있다.

프레임 버퍼(디지털 정보) → 아날로그 전압

거의 동시(매우 빠름)

한 프레임의 컬러 정보를 버퍼에 담는다. (픽셀단위)

프레임 버퍼와 모니터의 관계 → RGB 값은 즉 빛의 출력 세기이다.

RGBA → A (투명도 8비트)

즉 8888 → 32 비트 (true color)

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비트 평면

24비트(R,G,B) = 8,8,8

RGB 각각에 대해 256 회색도 (Gray Level)

총 몇 컬러?

1280 by 1024 총 512 컬러

프레임 버퍼의 용량은? 1280 x 1024 x 7

사람의 눈 : 약 35만 가지 색 구별 가능(1600만 컬러는 Full Color)

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벡터 그래픽 장비

벡터 그래픽 장치에는 화소의 개념이 없다.

이들 장치에는 화면 전체에 인(Phosphor)이 칠해져 있어 레스터 장치처럼 화소 면적 단위로 밝혀지는 것이 아니라 전자총이 닿는 부분마다 밝혀지게 된다.

무한 해상도(전자빔의 폭 → 해상도)

에일리어싱 없음

전자총의 움직임

프레임 버퍼 없음

디스플레이 리스트 : 명령어 집합 (좌표 이동, 선긋기 등)

벡터 그래픽 장치는 오실로스코프에서 유래한다.

이는 전압 또는 전류를 측정하는 계측 장치로, 어던 전기적 신호의 파형을 선으로 그려낸다.

물론 이 장치에서 전자총은 파형을 따라 움직인다.

펜 플로터도 일종의 벡터 그래픽 장치라 할 수 있다.

이는 인쇄물 출력 장치이기는 하지만 플로터의 펜이 그리고자 하는 물체의 윤곽선을 따라 움직이기 때문이다.

벡터 그래픽 모니터에는 빔 투과 방식이 사용된다.

이 방식에서는 화면에 적색과 녹색의 인층(Phosphor Layer)을 겹쳐서 칠하고 전자빔을 가속시키는 전압의 세기에 따라 어느 층을 자극할 것인지 결정된다.

가속 전압이 약하다면 화면 뒤쪽의 녹색 코팅을, 강하다면 녹생 층을 통과하여 화면 앞쪽의 적색 코팅을 자극하게 된다.

만약 중간쯤 되는 세기라면 두 층의 합성색인 황색이 나오게 된다.

→ 빔투과 방식, 오실로스코우프, 레이다, 플로터

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레스터 그래픽에 비해 벡터 그래픽은 느리다.

그래픽 처리 속도의 향상과 저가의 메모리 출현으로 그래픽 시장은 거의 레스터 그래픽이 점유하게 되었다.

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평판형 디스플레이 LCD

평판형 디스플레이의 일종인 LCD는 노트북 컴퓨터나 휴대용 디스플레이로 자주 사용된다.

이는 액체와 고체의 중간 형태인 액정이 지닌 전기적, 광학적 틍성을 이용한 것으로, 모니터 표면에는 R, G, B 컬러 셀이 입혀져있다.

화면 인점의 밝기를 유지하기 위해 주기적으로 인점을 주시하는 CRT와 달리 LCD화면은 항상 켜져있기 때문에 CRT처럼 깜빡거림(Flickering)이 없다.

또 컬러 셀에는 인을 사용하지 않는다.

화면 바로 뒤에 있는 액정은 결정 형태의 규칙적인 배열을 지니고 있기 때문에 외부에서 가하는 전압에 따라 똑바로 서기도 하고, 눕기도 한다.

즉 액정은 배열 상태를 바꿈으로써 후광을 차단하거나 투과하는 밸브 역할을 한다.

이 경우 액정은 빛의 양을 조절할 뿐 그 자체가 빛을 발하지는 않는다.

블라인드 커튼

• 액정의 배열 상태를 변화시켜서 후광을 차단 또는 투과하는 밸브 역할
• TFT LCD : 화소 바로 뒤에 얇은 막을 설치하여 시야각 증가

편광기를 통과한 빛은 빛이 정면으로 진행한다. 따라서 일반적으로 LCD 정면에서는 잘보이지만 좌우는 잘 보이지 않는다.

블라인드 커튼을 통해 들어노는 빛은 옆에서 잘 보이지 않기 때문이다. 이를 극복하기 위해 박막형 LCD는 화소 바로 뒤에 얇은 막을 설치하여 시야각을 증가시킨다.(TFT)

LCD 동작 원리

TFT에 전압이 인가되면 액정의 방향이 90도 비틀어져있는 상태에서 풀려서 한 방향으로 정렬한다.

이렇게 액정이 패널면에 수직으로 정렬되면 빛이 직진하게 된다.

결국 입사한 빛을 통과시키느냐 마느냐는 액정의 꼬임과 풀림으로 결정한다.

양쪽 유리판에 편광판을 부착해 액정을 통과한 빛을 다시 한 방향으로 모아주어 화소에 빛을 입사시켜 최종적으로 화면에 나타나게 된다.

• 액정 분자들이 양기판 사이에 90도 비틀어져 있음
• 전압 인가 시 액정 분자들의 정렬 상태
• 전압 off시 액정분자들의 정렬 상태

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Color TFT LCD 모듈의 구조 : 3개의 유닛 구조

기판과 기판 사이에 액정이 주입된 패널

• 백라이트 유닛에서 입사된 백색 평면광을 구동회로 유닛으로부터 입력된 개개 화소의 신호 전압에 따라 빛이 투과되는 화소에 투과되는 빛을 제어해 컬러 영상을 표현하는 역할

패널을 구동시키기 위한 드라이버 LSI 및 각종 회로 소자가 부착된 PCB(Printed Circuit Board)를 포함한 구동회로부 및 밑판 구조물

백라이트 (Backlight) 유닛

• 광원으로 사용되는 형광 램프로부터 밝기가 균일한 평면광을 만드는 기능
• 디스플레이 모듈 유닛을 통과하면서 밝기가 감소하여 입사광의 약 5% 빛이 전면 편광기 통과

LCD와 같은 평판형 디스플레이 장치는 인점을 자극할 필요가 없기 떄문에 전자의 가속을 요하지 않는다.

따라서 가속 거리에 따른 부피, 무게 및 전력 소모가 불필요하다.

LCD의 많은 장점에도 불구하고 현재 기술로서는 LCD 화면의 밝기가 CRT에 못 미칠뿐만 아니라 명암 대비나 색감에도 문제점을 안고 있다.

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PDP 디스플레이

주로 대형 디스플레이가 필요한 경우에 사용된다.

CRT의 화소 크기가 0.2 mm 정도라면 플라즈마 모니터의 화소는 크기가 거의 1mm 크기이기 때문이다.

물질의 상태로는 고체, 액체, 기체 외에도 제 4의 상태인 플라즈마를 들 수 있다.

표면방전에 의한 번개, 극광은 자연 현상에 존재하는 플라즈마이다.

플라즈마는 전하를 띤 입자로, 양이온, 음이온, 전자 및 중성자 등으로 구분된다.

• 방전에 의해 주변 가스를 이온화 시켜서 얻을 수 있는 방전 통로 역할

우주 공간에 존재하는 물질의 99% 이상이 플라즈마이다.

플라즈마는 형광등 역할(LCD의 블라인드 커튼)

플라즈마의 장점으로는 대형화면, 넓은 시야각 등을 들 수 있다.

또한 LCD보다 더욱 많은 종류의 색상을 재생할 수 있다.

PDP는 CRT보다 전력 소모는 많지만 ,CRT보다 어둡다, 그러나 LCD보다는 훨씬 밝다.

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발광 다이오드 LED

LED는 스스로 빛을 내는 반도체 소자인 발광 다이오드를 이용하고, 다이오드 종류에 따라 R, G, B 등의 색을 말한다.

즉 얇은 필름 형태의 다이오드가 각 화소 위치에 박혀 전류를 흘리면 해당 화소의 다이오드가 빛을 발한다.

LCD의 광원은 냉음극 형광등(CCFD)이 역할을 한다.

• 전극을 달구어 빛을 내는 가정용 형광등과 달리 형광등 안에 수은을 자극해 빛을 냄
• 19인치 이하 화면에는 CCFL 몇 개면 충분하나, 큰 화면에서는 모서리로 갈 수록 어두어짐
• 큰 LCD TV에는 CCFL 수가 늘어난 전기를 많이먹고 무거워짐

따라서 LCD와 달리 후광 유닛이 필요없어 두께를 줄일 수 있다.

또 디스플레이의 가장 작은 단위인 화소 자체가 반도체라는 특성으로 인해 처리속도, 전력 소모, 수명 등의 여러 면에서 장점을 지니고 있어 각종 전자 제품의 표시 부품으로 각광받고 있다.

그러나 일부 텔레비전은 개별 화소에 LED를 사용하지 않고, 기존 LCD 디스플레이의 후광 유닛 대신 LED 조명을 사용하기도 한다.

이 경우 디스플레이는 본질적으로 LED보다 오히려 LCD에 가깝다고 볼 수 있다.

또한 CCFL의 수은을 사용하지 않아 친환경적이다.

RGB LED : R, G , B 3개의 LED로 짜여진 LED : 발색이 뚜렷하고, 값이 비쌈

단색 LED에 형광 물질을 입혀 흰색을 낸 LED (White LED) : 발색이 약하고 값을 낮추기 용이함

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유기 발광 다이오드 OLED

Organic Light Emitting Diode

백 라이트가 필요하지 않고 OLED(형광성 유기화합물을 기반으로 한 발광 소자의 일종)를 사용하여 액정과 달리 자체적으로 빛을 발산할 수 있음

백 라이트가 필요없는 특징 때문에 OLED는 제품 두께를 더욱 얇게 만들 수 있으며, 특수 유리나 플라스틱을 이용해 구부리거나 휠 수 있는 디스플레이 기기도 제작할 수 있다.

특징

화질 측면 성능 우수

• 명암비 : 명암비가 높은 디스플레이 기기는 어두운 배경이나 야경 속에 묻힌 회색 빛의 , 혹은 크기가 작은 사물을 제대로 표현할 수 있다.

LCD는 백라이트에서 전달되는 빛에 의존하여 화면을 구성하므로 각 소자 별로 밝기를 세밀하게 조정하기 어렵지만 OLED는 각 소자별로 자체 발광을 하며, 발광을 멈추는 것만으로 검은색을 명확하게 표현할 수 있으므로 LCD에서 구현하기 어려운 수준의 명암비를 발휘할 수 있다.

• LCD 방식의 디스플레이 기기의 경우 1000 : 1 정도의 기본 (정적) 명암비를 갖춘 경우가 대부분임
• 백 라이트의 밝기를 순간적으로 조절해 명암비를 높이는 동적 명암비 기술을 이용하면 LCD 에서도 수백만 : 1의 명암비를 구현할 수는 있지만, 이 경우엔 화면 전반의 색상이 무너지며 이미지가 왜곡되는 반면, OLED 방식의 기기는 수백만 : 1 정도의 명암비도 기본적으로 무난하게 표현하며, 이론적으로는 무한대에 가까운 명암비도 구현 가능하다.

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입체 영상

좌우 눈의 인식 차이

액정셔터 안경

• 화면에 왼쪽, 오른쪽 영상을 번갈아 보여주되 왼쪽 영상이 나오면 오른쪽 안경 렌즈를 닫아 버리고 오른쪽 영상이 나오면 왼쪽을 닫아 버림

렌즈 배열

• 화면 표면에 반구형의 렌즈를 붙이여서 왼쪽 오른쪽 영상이 서로 다른 방향을 진행하도록 한다.

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홀로그래피

물체의 3차원적 영상 정보를 사진 필름 등의 감광 매체에 기록했다가 3차원 영상을 온전히 재생해내는 영상 기록 및 재생법

1951년 헝가리 출신의 과학자 가보르가 발명

홀로그래피의 홀로는 완전함, 그래피는 그림이나 글자를 뜻하는 그리스어에서 따온 말

홀로 그래피는 물체의 3차원 상을 완전히 기록하고 재생하는 사진법이라는 뜻

여기에서 완전함이 뜻하는 바는 보통의 사진은 3차원 물체의 상을 2차원 평면에 투영하여 기록한 것으로써, 그것을 써서 물체의 모양을 되살려도 2차원적 영상일 뿐 3차원적인 입체감은 살아나지는 않지만, 홀로그래피에서 재생하는 물체의 영상은 3차원적 영상으로서 보는 방향에 따라 모양이 달라져도 입체감이 살아난다.

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영상 기록방법

기록 매체에 물체의 상을 기록하는 것이 아니고 ,물체에서 나오는 빛과 기준이 되는 빛을 함께 비추어 두 빛의 간섭무늬가 생기게 하여, 그 간섭무늬를 기록함

간섭무늬를 기록한 사진 필름은 일반 사진 필름처럼 현상, 정착 시킴

그림은 홀로그램의 현미경 사진으로서 섬세한 가는 무늬는 바로 물체 빛살과 기준 빛살의 간섭무늬이고 물체의 모양은 전혀 드러나지 않음

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그래픽 프로세서