2.1 래스터 그래픽 장치
Reporting Date: October. 19, 2024
그래픽 하드웨어의 구성 요소 중 하나인
래스터 그래픽 장치에 대해 다루고자 한다.
목차
01 래스터 그래픽 장치 (Raster Graphics Device)
픽셀들이 모여 행과 열로 배열된 이미지.
(1) 픽셀 (화소: 畵素, Pixel)
디지털 이미지에서 가장 작은 단위.
화면에 표시되는 고정된 위치와 색상을 가진 이산적인 값.
각각의 픽셀은 특정 색상 값을 가지고 있으며, 수많은 픽셀이 모여 전체 이미지를 구성한다.
컴퓨터 화면, 스마트폰 디스플레이, 디지털 카메라로 찍은 사진은 모두 픽셀로 구성되어 있다.
픽셀 하나는 세 가지의 인점으로 구성되며,
각각의 서브픽셀은 아래와 같은 색상 정보를 가진다.
빨강 (Red) 초록 (Green) 파랑 (Blue)
이 세 가지 색상을 혼합하여 다양한 색을 표현한다.
이 모델은 (0, 0, 0) ~ (255, 255, 255) 범위를 가지며, 이는 각 서브픽셀의 강도와 밝기를 나타낸다.
이 모델은 1,677만 7,216개의 색상 표현이 가능하지만,
인간의 눈은 약 13만 가지의 색만을 구별할 수 있다.
그 이상을 표현할 수 있는 색상 범위는 True Color라 부른다.
(2) 레스터 (Raster)
픽셀의 배열로 표현된 이미지 데이터 형식.
즉, 이미지를 구성하는 픽셀들이 행과 열로 배열된 방식.
레스터 이미지는 2D 그리드 상에서 각 픽셀에 색상 정보를 포함한다.
레스터 그래픽은 비트맵 이미지라고도 하며, JPG, PNG, GIF 등과 같은 파일 형식이 여기에 포함된다.
이런 이미지들은 확대 시 픽셀이 보이는 특징이 있다.
(3) 픽셀 기반의 이미지 표현
각 픽셀이 화면의 가장 작은 단위로 작용하여 이미지를 나타낸다.
각각의 픽셀은 고유의 색상 값을 가지며, 이 값이 메모리에 저장된 후
GPU가 이를 처리하여 화면에 출력한다.
해상도와 화면 크기에 따라 필요한 메모리 용량이 달라진다.
(4) 해상도 (Resolution)
래스터 장치의 해상도는 화소 수에 의해 결정된다.
더 많은 화소를 사용할수록 해상도가 높아지고, 더 세밀한 이미지 표현이 가능하다.
해상도가 높을수록 더 많은 픽셀이 필요하며,
이로 인해 저장해야 할 데이터도 많아져 메모리 사용량이 증가한다.
또한, 이미지를 크게 확대할 경우 픽셀이 보이거나 이미지가 흐릿해지는 현상이 발생할 수 있다.
아래는 일반적으로 사용되는 해상도이다.
- FHD (1920 × 1080)
- UHD (3840 × 2160)
- 8K (7680 × 4320) 등
1,024×768 해상도는 가로에 1,024개의 픽셀, 세로에 768개의 픽셀을 가지고 있으며,
전체적으로 78만 6,432개의 픽셀이 사용된다는 것을 의미한다.
(5) 화면 종횡비 (縱橫比, Aspect Ratio)
모니터 크기를 나타내는 단위.
화면의 세로 대 가로 길이 비율이다.
3 : 4
개인용 컴퓨터, 텔레비전의 종횡 비.
9 : 16
고해상도 텔레비전의 종횡 비.
(HDTV: High Definition Television)
02 래스터 그래픽의 문제와 해결방안
(1) 에일리어싱 (Aliasing)
계단 현상으로 부르기도 한다.
픽셀 기반의 이미지 표현 방식에서는 이미지 가장자리가 계단처럼 보일 수 있다.
이는 이미지의 곡선이나 대각선이 직선적인 픽셀 단위로 표현되어 발생하는 현상이다.
(2) 안티-에일리어싱 (Anti-Aliasing)
에일리어스 현상을 줄이기 위한 기법.
소프트웨어적으로 픽셀을 쪼개거나 경계선을 부드럽게 만들어 에일리어싱을 방지한다.
이 과정에서는 경계선 주변의 픽셀을 더 밝거나 어둡게 하여 매끄럽게 표현한다.
(3) 서브픽셀 안티-에일리어싱 (Subpixel Anti-Aliasing)
선이 여러 픽셀에 걸쳐 있을 때, 각 픽셀이 얼마나 선에 포함되는지에 따라
색상 값을 비율에 맞게 조정하여 자연스럽게 연결되도록 만든다.
(4) 슈퍼 샘플링 (Super Sampling)
해상도를 높여서 렌더링한 후, 실제 해상도로 축소하는 방식의 기법.
더 많은 픽셀을 계산해 경계선과 곡선을 더 부드럽게 만들어준다.
단점
(1) 고해상도로 이미지를 렌더링하는 과정에서
많은 계산 자원을 소모하므로, 성능에 부담을 줄 수 있다.
(2) 다운샘플링 후 경계가 부드러워지면서 이미지의 세부적인 선명도가 약간 희미해질 수 있다.
특히 밝은 부분에서 이 현상이 두드러질 수 있다.
03 컬러 이미지의 형성 원리
과거에는 2가지 방식으로 화소를 구성하였다.
(1-1) 트라이어드 방식 (Triad)
삼각형 내부 3개의 인점이 모여서 한 화소를 구성한다.
이것은 서로 교대하면서 상하 좌우로 반복 진행한다.
픽셀 뒤에는 광원 이 있으며, 이것은 각 서브픽셀이 색을 제대로 표현할 수 있도록 빛 을 제공한다.
과거의 디스플레이 기술에서는 전자총을 이용해 스크린에 전자 빔을 쏘아 화면을 표시하였다.
(1-2) 섀도 마스크 (Shadow Mask)
CRT 디스플레이에서 사용되는 중요한 기술 중 하나.
CRT 모니터나 TV의 화면에 컬러 이미지를 표시할 때, 각 픽셀의 색상을 정확하게 제어하기 위한 구조.
얇은 금속판으로, 그 표면에 작은 구멍들이 정렬된 형태이며,
이 구멍들은 CRT에서 전자 빔이 정확한 위치의 형광체를 때릴 수 있도록 돕는다.
CRT는 3개의 전자 빔을 사용해 컬러 이미지를 표시하며, 각각의 빔이 해당 색상의 형광체에 정확하게 도달해야 한다.
이 과정에서 섀도 마스크는 전자 빔이 잘못된 색상이나 위치로 가는 것을 방지한다.
단점
빔의 경로를 제한하여, 밝기와 해상도에 영향을 미친다.
구멍의 크기나 배열에 따라 화면의 선명도가 달라질 수 있으며, 특히 화면의 모서리 부분에서 왜곡이 발생할 수 있었다.
(2) 에퍼처 그릴 (Aperture Grille)
CRT 화면에서 전자빔이 형광 물질에 정확히 도달하도록 돕는 가이드 역할을 하는 금속 구조물.
창살(Grill) 모양의 마스크라고 부르기도 한다.
이 기술을 사용하는 TV는 주로 소니(SONY)의 트리니트론(Trinitron) TV로 불렸다.
1968년에 소니가 개발한 CRT(Cathode Ray Tube) 기반의 TV와 모니터 브랜드로,
에퍼처 그릴 기술을 사용해 기존의 쉐도우 마스크보다 더 선명하고 밝은 화질을 제공했다.