- نویسنده: شایان مددی
حتی اگر کم‌ترین آشنایی را با قطعات کامپیوتر داشته باشید، احتمالاً می‌دانید کارت گرافیک در کنار مادربرد، پردازنده و…، جزو اجزای کلیدی در عملکرد کامپیوتر به شمار می‌رود. کارت گرافیک یا پردازندۀ گرافیکی تصاویر را پردازش میکند و وظایفی مثل پردازش هندسی و تبدیل پیکسل را در پردازش تصاویر بر عهده دارد. در این مطلب وظایف کارت گرافیک در پردازش تصویر را بررسی می‌کنیم.
فهرست مطالب
کارت گرافیک چیست و چه انواعی دارد؟
واحد پردازش گرافیکی (Graphics Processing Unit یا به‌اختصار GPU) که با عنوان پردازندۀ گرافیکی یا کارت گرافیک هم شناخته می‌شود، نوعی مدار الکترونیکی است که وظیفۀ پردازش تصویر را بر عهده دارد. به‌طور دقیق‌تر، کارت گرافیک مجموعه‌های عظیم داده‌های بصری را به‌صورت موازی پردازش میکند و از هزاران هستۀ کوچک تشکیل شده است که توانایی پردازش همزمان داده را دارند. مثلاً وقتی مشغول بازی کردن هستید، کارت گرافیک در لحظه مشغول پردازش تصاویر، انیمیشن و بقیۀ جلوه‌های بصری است.
البته امروزه استفادۀ کارت گرافیک فقط به اجرای بازی محدود نمی‌شود و در اشکال مختلف تولید محتوا (طراحی گرافیک و تدوین ویدئو)، هوش مصنوعی، تحلیل داده، استخراج رمزارز و واقعیت مجازی/افزوده کاربرد دارد.
پردازنده‌های گرافیکی معمولاً در دو نوع تولید می‌شوند؛ مجزا و یکپارچه. پردازندۀ گرافیکی یکپارچه یا آنبورد روی پردازندۀ مرکزی (CPU) قرار دارد و از حافظۀ مشترک با پرازنده استفاده میکند. این دسته از پردازنده‌های گرافیکی قدرت پایین‌تری دارند و در دستگاه‌های اقتصادی با کاربری روزمره به‌کار می‌روند. در طرف دیگر، پردازندۀ گرافیکی مجزا یا اختصاصی، کارتی جداگانه است که از طریق اسلات PCIe به مادربرد وصل می‌شود و از حافظه‌ای جداگانه هم بره می‌برد. کارت گرافیک مجزا در کامپیوترهای دسکتاپ و لپ تاپ‌های گیمینگ رایج است.
وظایف کارت گرافیک در پردازش تصویر
کارت گرافیک برای پردازش داده‌های گرافیکی و تبدیل آن‌ها به تصویر نهایی روی صفحه‌نمایش، چند مرحله را طی میکند. البته اول از همه، پردازندۀ مرکزی یا همان CPU داده‌های مورد نیاز کارت گرافیک را آماده میکند و سپس از طریق رابط‌هایی مثل OpenGL ،Vulkan یا DirectX دستورها را به کارت گرافیک می‌فرستد.
در این باره بیشتر بخوانید: کارت گرافیک چگونه با پردازنده (CPU) هماهنگ می‌شود؟
پردازندۀ گرافیکی پس از دریافت دستور از پردازنده، باید فرایند پردازش را آغاز کند. پردازندۀ گرافیکی در ابتدا اشکال هندسی را پردازش کرده و سپس آن‌ها را به پیکسل تبدیل میکند. در نهایت، داده‌های پردازش‌شده در حافظۀ گرافیکی ذخیره می‌شوند.
پردازش هندسی
طی فرایند پردازش هندسی، کارت گرافیک داده‌های رأس (Vertex) شامل موقعیت، نرمال، رنگ و بافت را در مراحل زیر پردازش میکند:
- تبدیل مدل (Model transformation): پردازندۀ گرافیکی با پردازش و تبدیل مختصات محلی، اندازه، جهت و موقعیت شیء در فضای سه‌بعدی را تعیین میکند.
- تبدیل نما (View transformation): حالا زاویۀ دید یا پرسپکتیو دوربین نسبت به صفحه در فضای سه‌بعدی مورد نظر مشخص می‌شود.
- نمایش (Projection transformation): مختصات سه‌بعدی به تصویر دوبعدی برای نمایش روی صفحه تبدیل می‌شود. نمایش (Projection) دو نوع رایج دارد: پرپسکتیو و اورتوگرافیک. در پرسپکتیو، با بیشتر شدن فاصلۀ ببیننده نسبت به شیء، اندازۀ آن کوچک‌تر می‌شود. در نمایش اورتوگرافیک، تصاویر صرف نظر از فاصله، اندازه‌شان را حفظ می‌کنند.
تبدیل به پیکسل
کارت گرافیک پس از پردازش هندسی، فرایند شطرنجی‌سازی (Rasterization) را انجام می‌دهد. در این مرحله، داده‌های پردازش‌شده به Fragment تبدیل می‌شوند؛ پیکسل بالقوه‌ای که قرار است در نهایت روی صفحه‌نمایش به نمایش در بیاید. در این فرایند، پردازندۀ گرافیکی از داده‌هایی از جمله رنگ، بافت و عمق استفاده میکند و در واقع بر اساس شکل هندسی، مشخص میکند که چه پیکسل‌هایی باید کشیده شوند. به زبان ساده، در مرحلۀ شطرنجی‌سازی، اشکال هندسی سه‌بعدی به پیکسل تبدیل می‌شوند تا یک قدم دیگر به تصویر نهایی نزدیک‌تر شویم.
پردازش پیکسل
کارت گرافیک حالا فرایند پردازش هندسی و شطرنجی‌سازی (Rasterization) داده‌ها را پشت سر گذاشته است و باید بافت‌ها، رنگ‌ها و جلوه‌های بصری را اعمال کند. در این مرحله، فعالیت‌های زیر برای آماده‌سازی تصویر نهایی جهت نمایش صورت می‌گیرد:
- نگاشت بافت (Texture mapping)
- محاسبات سایه (Shadow calculations)
- نورپردازی هر پیکسل (Per-pixel lighting)
- اعمال جلوه‌های ویژه (Special effects)
ذخیره‌سازی و نمایش
در نهایت، پردازندۀ گرافیکی داده‌های نهایی را در بخشی از حافظۀ گرافیکی (VRAM) با عنوان فریم‌بافر (Framebuffer) برای نمایش ذخیره میکند. در این مرحله همچنین ممکن است قبل از نمایش خروجی نهایی، فعالیت‌هایی برای بهینه‌سازی صورت بگیرد. از جمله این فعالیت‌ها می‌توان به اصلاح رنگ، تنظیم رنگ HDR و Anti-aliasing (نرم کردن لبه‌های دندانه‌دار تصاویر) اشاره کرد.
از دست ندهید: لیست بهترین کارت گرافیک‌های اقتصادی ۲۰۲۵ برای گیمرها
جمع‌بندی
کارت گرافیک یا پردازندۀ گرافیکی به‌عنوان مسئول پردازش داده‌های بصری، قطعه‌ای کلیدی در کامپیوتر محسوب می‌شود. کارت گرافیک‌ها امروزه نه‌تنها در گیمینگ، بلکه در حوزه‌های هوش مصنوعی، طراحی گرافیک، تدوین و تحلیل داده هم نقش مهمی دارند.
فرایند پردازش تصویر توسط کارت گرافیک را می‌توان به چند مرحلۀ اصلی تقسیم کرد: پردازش هندسی، تبدیل به پیکسل یا شطرنجی‌سازی (Rasterization)، پردازش نهایی پیکسل و ذخیره‌سازی برای نمایش. در مرحلۀ پردازش هندسی، داده‌های بصری از جمله رنگ، بافت و… پردازش می‌شوند و سپس به مرحلۀ شطرنجی‌سازی می‌رسیم؛ جایی که داده‌های پردازش‌شده باید به پیکسل تبدیل شوند. پس از این، بافت‌ها، رنگ‌ها و جلوه‌های بصری اعمال می‌شوند و داده‌های نهایی در فریم‌بافر (Framebuffer)، بخشی از حافظۀ گرافیکی، برای نمایش روی نمایشگر ذخیره خواهد شد.
