OpenGL로 배우는 3차원 컴퓨터 그래픽스 - [01] 02. 그래픽 하드웨어

재학 기간 중에 이어서 쓰도록 하겠습니다

 

01. 그래픽 하드웨어 종류와 작동 원리

1. 하드웨어 구성

그래픽 하드웨어는 크게 입력 장치, 메인 컴퓨터, 그래픽 컨트롤러, 출력 장치로 구성된다

그래픽 컨트롤러 내부에도 그래픽 프로세서와 그래픽 메모리가 존재한다

 

- 그래픽 프로세서(GPU, Graphics Processing Unit)

- 그래픽 메모리(VRAM, Video RAM)

 

2. 컴퓨터 모니터의 기본 원리

진공관 모니터(CRT)의 작동 원리

필라멘트(Filament)는 전자총(Electron Gun)이라고도 볼 수 있다.

정확하게 말하자면 전자총은 [필라멘트 + 캐소드 + 제어 그리드 + 애노드(양극들)]로 구성되어있는데, 

전자를 방출하는 주체는 캐소드이다. 필라멘트는 캐소드를 달구고, 결과적으로 캐소드에서 전자 방출이 이루어진다.

전자는 마이너스의 성격을 띄므로 화면 뒤에 있는 금속판에 플러스 전압을 가하면 화면쪽으로 전자가 끌려간다.

 

이때 진공관 모니터는 내부를 진공(Vacuum)으로 만들어 끌려온 전자가 쉽게 가속할 수 있도록 한다.

진공으로 만들면 공기 저항이 줄어들어 빨리 움직일 수 있는 것이다.

 

다음 제어 그물(Control Grid)는 전자총으로 만들어진 전자 흐름(전자빔, Electron Beam)의 양을 조절하는 역할이다.

제어 그물에 마이너스 전압을 가하면 마이너스끼리 극성이 일어나면서 반발력이 생기고,

이 반발력을 이용해 밝기를 조절할 수 있게 된다.

 

집속 양극(Focusing Anode)는 가운데로 향하지 않는 전자빔을 차단하는 판 같은 것이다..

 

수직 편향판(Vertical Deflection Plates)와 수평 편향판(Horizontal Deflection Plates)는

전자빔의 방향을 각각 상하, 좌우로 휘게끔 만들어 준다.

 

수직 편향판에서 위쪽을 플러스로, 아래쪽을 마이너스로 만들면

( - ) -> ( + ) 로 향하는 전자의 성질을 따라 전자빔이 위쪽으로 휜다

 

비슷하게 수평 편향판에서도 앞쪽을 플러스로, 뒤쪽을 마이너스로 하면 전자빔이 오른쪽으로 휘게 된다

오실로스코프, 수평편향판 이해에 도움이 되는 이미지

 

• 필라멘트 : 캐소드를 가열하는 장치 → 전자 방출 준비
• 제어 그물(Control Grid) : 방출된 전자의 흐름(밝기)을 제어
• 집속 양극(Focusing Anode) : 전자빔을 한 점으로 모으는 역할
• 편향판 : 전자빔의 궤적을 상하좌우로 휘게 해서 원하는 화면 위치로 보냄

 

화면에는 인(Phosphor)이라는 형광 물질이 입혀져 있고, 서로 다른 색의 인이 사용된다.

화면을 보이게 하기 위해서는 고압에 의해 전자를 매우 빠른 속도로 가속시키는데,

이는 형광 물질을 자극하여 빛이 나오려면 전자가 매우 강하게 충돌해야 하기 때문이다.

 

전자가 충돌하면 그 운동 에너지가 형광 물질을 구성하는 전자들에게 전달되면서

형광 물질이 고에너지 상태(High Energy State)가 된다. 그렇다면 불안정한 고 에너지 상태에서

원래의 안정된 상태로 떨어질 때의 에너지 차이가 빛의 형태로 외부로 발산,

일부가 우리 눈에 도달하게 되는 것이다.

 

화면 재생률(Refresh Rate)는 화면을 초당 몇 번 재생시키는지를 나타내는 것으로, 빛이 얼마 동안 지속되는 가를 본다

전자총이 한 번만 화면을 훑는다면 화면은 지속되지 못한다.

따라서 같은 영상을 지속적으로 화면에 뿌려야 영상이 계속된다.

인에서 나오는 빛의 지속 시간이 짧을수록 화면 재생률을 높여 영상이 계속되도록 해야한다.

 

빠른 속도로 움직이는 애니메이션의 경우, 인의 지속 시간이 짧은 게 좋지만

복잡한 그림이 정지되어 있는 것은 인의 지속시간이 긴 것이 좋다.

복잡한 그림을 그리다가 지속 시간이 끝난다면 윗부분만 보이고 밑 부분이 짤리기 때문이다.

 

02. 래스터 그래픽 장치

1. 컬러모니터

 

모니터는 기본적으로 대각선 길이를 기준으로 인치로 표현하고,

화면 종횡비(Aspect Ratio)는 세로 대 가로 길이 비율이다. 

 

래스터장치는 화소로 구성되어 있고,

컬러 모니터의 화소 구성은 PIXEL(픽셀)로 R,G,B 색을 띤 인점으로 만들어진다.

컬러 모니터는 인점의 배열 방식에 따라 트라이어드 방식과 스트라이프 방식으로 나뉜다.

 

좌: 트라이어드 방식 , 우: 스트라이프 방식

 

트라이어드(Triad) 방식은 삼각형 내부 3개로 모여서 한 화소를 구성하고, 인접 화소는 서로 엇갈려서 구성된다.

엇삼각형 옆에는 일반 삼각형이 있다는 것이다.

이것들이 서로 교대하며 상하 좌우로 반복 진행한다

 

반면 스트라이프 방식은 좌우로 나란한 3개의 인점이 모여서 한 화소를 구성한다.

 

• R, G, B 각각은 화소가 아니라 ‘인점(서브픽셀)’
• 세 개(R+G+B)가 합쳐져서 비로소 하나의 화소(pixel)

일반적인 LCD 모니터가 이 방식을 사용한다.

 

LCD 모니터(액정 모니터, Liquid Crystal Display) : CRT(진공관 모니터)의 다음 버전

 

래스터 장치의 선명도, 즉 해상도(Resolution)은 화소 수에 의해 결정된다

예를 들어 1,024 x 768은 가로 화소가 1,024개 세로 화소가 768개다

 

화수 수는 화면에 넣을 수 있는 인점의 수에 따라 달라지고,

도트 피치(동일 색상 인점 사이의 거리)는 일반적으로 0.27 ~ 0.44mm 정도이다

인점 하나의 반지름을 작게 하면 더 많이 찍을 수 있지만 이것은 하드웨어적 성능에 따라 가능성이 갈린다

물론 지금은 1,920 x 1,200 이상의 고해상도가 가능하다.

 

컬러 모니터에는 3개의 전자총이 사용된다.

트라이어드 방식 배열의 섀도 마스크

 

전자총과 화면 사이에는 섀도 마스크(Shadow Mask)가 있고, 섀도 마스크에는 구멍들이 뚫려있다

전자총이 정확히 해당 색상만 맞추는 방법은 구멍을 통과한 전자들만 화면에 도착하게 만들기 때문이다.

만약 섀도 마스크가 없었다면 빨강 인점을 향한 전자빔이 휘어 다른 곳을 향했을 수도 있을 것이다.

다른 곳을 향한다면 화면의 선명도를 낮출 수도 있다. 따라서 섀도 마스크 기술은 선명도에 큰 영향을 준다

애퍼처 그릴(Aperture Grill) 방식의 모니터는 인점이 스트라이프로 형성되어 있을 때 적용된다.

아까와는 다르게 전자총이 수평으로 배열 되어 있고,

섀도 마스크에 비해 많은 빛을 차단하지 않기 때문에 보다 더욱 선명한 영상을 얻을 수 있다.

 

2. 주사선과 인터레이싱

래스터는 곧 화소, 래스터 장치는 화소 단위로 디스플레이 된다

화소는 R,G,B가 세트로 화소보다 작은 단위로 분할해 위는 밝게 아래는 어둡게 이런 식으로는 만들 수 없다

각 인점의 색이 합쳐져서 하나의 화소 색은 모두 동일한 밝기로 빛난다고 간주한다.

화면의 가로 방향 화소를 다라 진행하는 선을 주사선(또는 스캔 라인, Scan Line) 이라 한다.

따라서 1,024 x 768 해상도에서 주사선 수는 768개가 된다

이 경우의 스캔은 전자빔을 화면 화소를 읽어가면서 빔을 쏜다는 의미다.

 

 

• 영상 메모리(Frame Buffer) → 각 화소(RGB 값) 정보를 시간 순서대로 읽음
• 회로 → 해당 값에 따라 전자빔의 세기를 조절하도록 전자총과 그리드에 신호를 줌
• 전자총(Electron Gun) → 전자를 방출 (빔을 형성)
• 편향판/편향코일 → 전자빔을 주사선(Scan Line)을 따라 이동시킴
• 형광체 도트(R,G,B 인점) → 전자빔이 부딪히면 빛을 냄

래스터 장치의 전자총은 일정한 순서에 따라 움직인다. 지나가면서 해당 밝기에 비례하는 세기로 빔을 쏜다

영상은 영상을 구성하는 화소들의 집합으로 표현된다. 따라서 주사선은 화소 색상에 해당하는 세기로 빔을 쏘아 화소 내부의 인점을 밝혀야 한다.

 

• 첫 번째 필드: 1 → 3 → 5 → 7 → … → 15
• 두 번째 필드: 2 → 4 → 6 → 8 → … → 16

1번 주사선의 끝에서 3번 주사선의 처음으로 되돌아가는 것을 수평 귀환(Horizontal Retrace)이라 한다.

한편, 마지막에서 2번 주사선의 처음으로 되돌아가게  되는데 이는 수직 귀한(Vertical Retrace)라 한다.

수평 귀환이나 수직 귀환 도중에는 주사 빔의 방향만 이동하지 실제로 빔은 쏘지 않는다.

따라서 화ㅡ면에 빔을 뿌릴 때 홀수 번 주사 시에는 홀수 번 주사선상의 화소만을 밝힌다.

이후 수직 귀환에 의해 화면 좌상단의 2번으로 가서 유사한 방법으로 밑으로 내려오면서 나머지 부분이 채워지게 된다.

 

이처럼 반쪽식 교대로 그려내는 것을 인터레이싱(Interlacing)이라 한다.

전체 화면을 초당 30번 그려내도록 할 때에는 인터레이싱 방식에서는 반쪽 화면을 60번 주사한다(60Hz)

반면 논-인터레이싱 방식에서는 실제로 전체 화면을 30번 주사한다(30Hz)

 

인터레이싱 방식의 중요성은 재생 속도에 있다.

논 인터레이싱 방식은 모든 주사선을 이어 주사하며 내려오기 때문에 화면 재생 속도가 느리다.

이러면 화면 사이의 시간 간격이 길어서 깜빡거림(Filckering)이 발생한다.

반면 인터레이싱 방식에서는 반쪽 영상이 두 배 속도로 뿌려지기 때문에 화면이 부드럽게 느껴진다.

 

한편 논-인터레이싱 방식으로 초당 60번씩 주사할 수 있는 모니터도 있는데, 이것은 인터레이싱 방식보다

2배의 성능을 지닌다.

 

3. 래스터 장치의 기본 구조

래스터 장치의 화면은 사각형 모양의 화소 단위로 표현된다. 화소는 일정 면적을 가지고 있기 때문에

한 화소 부분은 같은 색으로 밝혀진다.

 

선은 면적이 없다고 정의되지만, 화면에 표현되려면 면적이 나타나게끔 칠해야 한다. 이러한 제약 때문에

선은 거칠게 표현되고 이 현상을 에일리어스(Alias)라고 한다.

 

래스터 장치에서는 스캔 변환을 필수로 한다. 좌표계에 점을 찍듯 선분의 양 끝점을 정하면

이를 어떤 화소로 표현할 것인지 정해야하고(스캔변환, Scan Conversion 또는 래스터 변환, Rasterization)

이 과정에서 스캔 변환 알고리즘을 사용한다.

 

래스터 장치의 그림은 프레임 버퍼(Frame Buffer)에 저장되어 있다.

이는 그래픽 프로세서에 내장된 메모리로 화소당 밝기=색상을 지정한다.

화소당 1비트를 쓰며 백색은 1로 흑색은 0으로 표현한다. 따라서 그림은 흑백으로 표현되게 된다.

 

프레임 버퍼는 그림을 저장하는 메모리. 컬러 버퍼나 비디오 메모리라고도 부른다.

화면에 뿌리는 것은 비디오 컨트롤러의 몫이고, 비디오 컨트롤러에는 DA 변환기가 있어서

전자빔이 화소를 주사할 때 프레임 버퍼의 비트 값에 비례하는 아날로그 전압으로 변환시켜 밝기를 조절할 수 있다.

정지 화면이라도 같은 화면을 지속적으로 재생시켜야하기 때문에 내용을 반복적으로 읽는다.

따라서 프레임 버터를 화면에 뿌리는 시간을 짧아야 하고, 화면 영상은 버퍼의 내용이 변경되자마자 바뀌게 된다.

 

프레임 버퍼의 용량은 색상의 종류와 연관되어 있으며 위와 같이 1비트씩만 할애하면 흑백밖에 표현하지 못한다

색상을 표기하려면 3비트 이상을 사용해야하고, 1비트 프레임 버퍼를 나란히 겹쳐 표시. 이를 비트 평면(Bit Plane)이라한다.

 

회색도는 각 3비트씩을 할당하여 000부터 111사이의 값으로 할당한 것으로

000은 가장 어두운 적색, 111은 가장 밝은 적색을 의미한다.

 

화소당 24비트를 할애한다면 R, G, B를 8비트 씩 할애할 수 있고

2^8가지로 구분할 수 있게 되어 0~255로 표현이 가능해진다. 이를 풀컬러라고 한다.

 

프레임 버퍼의 용량은 해상도와도 연관되어 있는데,

화소당 24비트를 할애하면 프레임 버퍼의 용량은 1,024 x 768 x 24비트 ≒ 2.4MB 가 된다.

03. 벡터 그래픽 장치

벡터 그래픽 장치는 화면에 인이 칠해져 있어 화소 면적 단위로 밝혀지는 게 아닌, 전자총이 닿는 부분이 밝혀지게 된다

화소 면적 단위로 밝혀지는 게 아니기 때문에 에일리어싱이 일어나지 않는다. (전자총이 닿는 미세한 부분만 밝혀지기 때문)

래스터 장치는 프레임 버퍼에 화소의 색상이 저장되지만 벡터 그래픽 장치는 다르다

벡터 그래픽 장치는 디스플레이 리스트라는 메모리에 물체를 그리기 위한 '명령어'를 저장한다.

이는 메모리 면에서 볼 때 래스터 장치에 비해 훨씬 우수하다.

 

벡터 그래픽 모니터는 빔 투과(Beam Penetration) 방식이 사용된다. 이 방식은 적색과 녹색의 인층(Phosphor Layer)를 겹쳐서 칠하고 전자빔의 가속용 전압 세기에 따라 자극되는 층을 다르게 한다.

전압 세기가 약해 가속이 적게 된다면 녹색 인층까지만 가게 되고, 전압 세기가 강해 가속이 강하게 붙는다면 적색 인층까지 간다.

만약 중간쯤 간다면 섞인 색인 황색이 나오게 된다.

04. 그래픽 출력 장치

LCD(Liquid Crystal Dispplay)는 액정을 사용한 디스플레이이다. 액정이란 액체와 고체의 중간 형태를 말하며 LCD는 이 액정이 지닌 전기적/광학적 특성을 이용한다.

화면 인점의 밝기를 유지하기 위해 정지된 화면에서도 계속해서 주사해야하는 CRT와는 달리 LCD화면은 항상 켜져 있기 때문에 Flickering(깜빡거림)이 없다.

 

액정은 화면 바로 뒤에 위치하며 전압에 따라 배열을 바꾼다.

이 배열의 변화는 후광을 차단하거나 투과하게끔 하는 밸브 역할을 한다.

LCD 구조도, 액정과 편광판

삼성 디스플레이 뉴스룸 과 How LCD Works 를 참고하면 좋다.

이처럼 LCD는 액정의 배열 상태를 바꿈으로써 빛의 세기를 조절한다.

[디스플레이 톺아보기] ⑮ LCD의 원리와 구조 Part.1

 

나는 여기서 편광기를 잘 이해하지 못해서 AI에게 질문을 했는데,

왜 빛이 직각상태로 만나면 빛이 통과하지 못하는지 잘 몰랐기 때문이었다.

🌈 1️⃣ 편광이란? 빛은 **전기장(전기벡터)**과 자기장이 서로 직각으로 진동하며 나아가는 파동이에요. 이때, 전기장의 진동 방향이 바로 빛의 편광 방향입니다. 보통 자연광은 여러 방향으로 진동하는 전기장이 섞여 있어요 (무편광 상태). 하지만 **편광판(Polarizer)**을 통과시키면, 특정한 방향의 전기장만 통과하게 되죠. 즉, ⚡ 2️⃣ 첫 번째 편광판(아래쪽 편광판) 첫 번째 편광판을 통과하면, 여러 방향으로 진동하던 전기장 중 편광판의 투과축과 같은 방향의 빛만 남습니다. 이때부터 그 빛은 **편광된 빛(선편광)**이 돼요. ⚫ 3️⃣ 두 번째 편광판(위쪽 편광판) 두 번째 편광판이 첫 번째와 평행하다면 → 빛은 그대로 통과. 그런데 두 번째 편광판이 **직각(90°)**으로 놓여 있다면? 이때는 아래 그림처럼 됩니다: 즉, 위쪽 편광판의 통과 방향과 빛의 진동 방향이 완전히 직각이므로, 빛의 진동 성분 중 위쪽 편광판이 통과시킬 수 있는 성분이 0이 돼요. 그래서 결국 🔬 4️⃣ 수학적으로 (말루스의 법칙, Malus’s Law) 두 편광판의 각도 차를 θ라고 하면, 통과하는 빛의 세기는 다음과 같이 줄어듭니다: [ I = I_0 \cos^2 \theta ] 따라서 θ = 0° → I = I₀ (모두 통과) θ = 90° → I = 0 (완전 차단) ✅ 정리 첫 번째 편광판 → 빛을 한 방향으로 정렬 (편광). 두 번째 편광판 → 그 방향과의 각도에 따라 일부 또는 전부 차단. 두 편광판이 직각(90°) → 통과 성분이 없어 빛이 전혀 통과하지 못함

 

빛의 편광방향이란 진동 방향과 같고, 진동 방향이 직각이라면 통과하지 못하기 때문이라는 것이다.

 

하지만 특정한 방향의 전기장(빛)만 통과, 즉 정면으로만 통과하게 되면 정면에서만 잘 보이게 되는데

이를 극복하기 위해 박막형 LCD(Thin Film Transistor LCD)를 이용하기도 한다

박막형 LCD는 화소 뒤에 얇은 막을 설치해 시야각을 증가시키는 디스플레이이다.

 

LCD는 인점을 자극할 필요가 없어서 전자 가속도 필요없다.

다음은 LCD와 CRT 장치의 비교 표이다

구분	LCD	CRT
무게	경량	중량
소비 전력	낮음	높음
완전 평면	가능	화면 테두리 근처 불가능
유해 전자파	없음	있음
가격대	고가	저가
시야각	좁은 각	넓은각
밝기 및 명암 대비	약함	강함
색상	부자연스러움	자연스러움

 

표 이런건 사실 자세히 볼필요는 없고 원리 이해가 더 중요하다고 생각하긴 한다...

참고용으로 보도록 하자.

 

플라즈마 디스플레이 패널(Plasma Display Panel)은 대형 디스플레이가 필요한 경우에 사용한다

이 패널은 모니터 화소가 CRT보다 5배 정도 크기 때문이다

 

고체, 액체, 기체 외의 상태인 플라즈마는 전하를 띤 입자이다.

플라즈마 현상의 대표적 예는 번개와 극광(오로라, aurora)이다. 이 경우 플라즈마는 방전(Discharge)에 의해 주변 가스를 이온화함으로써 얻을 수 있는 방전 통로(전류가 흐르는 길)에 해당한다.

 

화소 경계 벽 내부에 인이 칠해져 있고 상단에 있는 전극에 전압이 가해지면 표면 방전에 인해 네온(또는 크세논) 가스가 플라즈마 상태로 변하게 된다. 플라즈마는 자외선을 발생시키고 인 표면을 자극, 인에서 빛이 발생해 전면으로 향한다

 

평판형 디스플레이로 각광받고 있는 것은 LCD, LED, OLED이다.

LCD는 화면 뒤에서 백색광을 쏘아주는 형광등이 필요하기 때문에 후광 유닛이 필요한 디스플레이라고 볼 수 있다.

따라서 디스플레이 두께를 줄이는 데 어려움이 있다.

 

반면 LED는 발광 다이오드를 이용하기 때문에 후광 유닛이 필요없다. LCD와는 다르게 두께를 줄일 수 있다

LED는 각 화소 위치에 발광 다이오드를 박는데, 화소는 반도체라는 특성이 있어 처리 속도, 전력 소모, 수명에서 장점을 지닌다.

 

차세대 디스플레이로 각광받는 것은 OLED(유기 발광 다이오드)이다. 화소 위치에 유기 복합물을 발광 레이어로 사용한다.

유기물의 종류에 따라 색이 다르게 빛나며 흘리는 전류 양을 조절하면 컬러의 밝기도 조절할 수 있다.

 

구동방식에 따라 수동형, 능동형으로 나뉘는데 수동형은 상하 한 줄 단위로 전압을 가해서 교차되는 화소에 전류가 공급된다

능동형은 개별 화소마다 스위치가 존재해서 화소 단위로 전류를 공급 제어한다. 수동형은 구조가 간단해서 값싸지만 능동형보다 정교한 화면을 구성하기에는 어렵다.