フレームバッファ

フレームバッファ（フレームバッファ、またはフレームストアとも呼ばれる）は、ビデオディスプレイを駆動するビットマップを含むランダムアクセスメモリ（RAM）^[1]の一部です。これは、完全なビデオフレーム内のすべてのピクセルを表すデータを含むメモリバッファです。 ^[2]最近のビデオカードには、コア内にフレームバッファ回路が含まれています。この回路は、メモリ内のビットマップをコンピュータモニターに表示できるビデオ信号に変換します。

コンピューターにおいて、スクリーンバッファとは、コンピューターアプリケーションがコンピューターディスプレイに表示するコンテンツを表現するために使用するコンピューターメモリの一部です。^{[3]スクリーンバッファは、}ビデオバッファ、再生バッファ、または略して再生バッファと呼ばれることもあります。 ^{[4]スクリーンバッファは}ビデオメモリと区別する必要があります。このため、オフスクリーンバッファという用語も使用されます。

バッファ内の情報は通常、ディスプレイに表示される各ピクセルのカラー値で構成されます。カラー値は、通常、1 ビットバイナリ(モノクロ)、4 ビットパレット化、8 ビット パレット化、16 ビットハイカラー、および 24 ビットトゥルーカラー形式で保存されます。ピクセルの透明度に関する情報を保持するために、追加のアルファ チャネルが使用されることもあります。フレームバッファに必要なメモリの総量は、出力信号の解像度、およびカラー深度またはパレット サイズによって異なります。

コンピュータ研究者^{[誰? ]}は長い間フレームバッファの理論的な利点について議論してきましたが、経済的に実行可能なコストで十分なメモリを備えたマシンを製造することができませんでした。 ^{[要出典] [5]} 1947年、マンチェスターベイビーコンピュータはウィリアムズ管（後にウィリアムズ-キルバーン管と呼ばれる）を使用して、ブラウン管（CRT）メモリに1024ビットを保存し、2つ目のCRTに表示しました。^{[6] [7]}他の研究室でもこれらの技術を研究しており、MITリンカーン研究所は1950年に4096ディスプレイを実現しました。^[5]

カラースキャンディスプレイは1960年代後半に実装され、ドラムメモリとテレビモニターを使用したブルックヘブンラスターディスプレイ（BRAD）と呼ばれました。 ^{[8] 1969年に}ベル研究所のA.マイケルノルは、磁気コアメモリを使用してフレームバッファを備えたスキャンディスプレイを実装しました。^[9] その後、ベル研究所のシステムは拡張され、標準的なカラーテレビモニターで3ビットの色深度の画像を表示できるようになりました。

1970年代初頭、MOSメモリ（金属酸化膜半導体メモリ）集積回路チップ、特に1kb以上のメモリを持つ高密度 DRAM（ダイナミックランダムアクセスメモリ）チップの開発により、標準的なビデオ画像を保持できるフレームバッファを備えたデジタルメモリシステムを初めて作成することが可能になった。 ^{[10] [11]}これにより、1972年にゼロックスPARCのリチャード・ショウプがスーパーペイントシステムを開発した。 ^[10]ショウプは、スーパーペイントフレームバッファを使用して、初期のデジタルビデオキャプチャシステムを作成することができた。ショウプは、出力信号を入力信号に同期させることにより、シフトインするデータの各ピクセルを上書きすることができた。ショウプは、カラーテーブルを使用して出力信号を変更する実験も行った。これらのカラーテーブルにより、スーパーペイントシステムは、含まれる限られた8ビットデータの範囲外で、さまざまな色を生成することができた。この方式は、後にコンピュータのフレームバッファで一般的になった。  

1974年、エバンス＆サザーランド社は最初の商用フレームバッファであるPicture System ^{[12]を発売した。価格は約15,000ドルだった。このシステムは、8ビット}グレースケールで最大512 x 512ピクセルの解像度を実現でき、独自のフレームバッファを構築するリソースを持たないグラフィックス研究者にとっては朗報となった。ニューヨーク工科大学は後に、エバンス＆サザーランド社のフレームバッファ3つを使用して、最初の24ビットカラーシステムを作成した。^[13]各フレームバッファはRGBカラー出力（赤、緑、青に1つずつ）に接続され、デジタルイクイップメントコーポレーションのPDP 11/04ミニコンピュータが3つのデバイスを1つとして制御した。

1975 年、英国のQuantel社は、初の商用フルカラー放送用フレームバッファである Quantel DFS 3000 を製造しました。このフレームバッファは、1976 年のモントリオール オリンピックのテレビ中継で初めて使用され、オリンピックの聖火のピクチャー イン ピクチャーインセットを生成し、残りの画像では競技場に入場するランナーを映しました。

集積回路技術の急速な進歩により、1970 年代後半の多くの家庭用コンピュータに低色深度のフレームバッファを搭載することが可能になりました。今日では、グラフィック機能を備えたほぼすべてのコンピュータが、ビデオ信号を生成するためにフレームバッファを使用しています。1980 年代に作成されたAmigaコンピュータは、グラフィック パフォーマンスに特に配慮した設計になっており、4096 色を表示できる独自のHold-And-Modifyフレームバッファを搭載していました。

フレームバッファは、1980 年代を通じて、ハイエンドのワークステーションやアーケード システム ボードでも普及しました。SGI 、Sun Microsystems、HP、DEC、IBM はすべて、この時期にワークステーション コンピュータ用のフレームバッファをリリースしました。これらのフレームバッファは通常、ほとんどの家庭用コンピュータに搭載されているものよりもはるかに高品質であり、テレビ、印刷、コンピュータ モデリング、3D グラフィックスなどでよく使用されていました。フレームバッファは、セガのハイエンドアーケード ボードでも使用されており、これも家庭用コンピュータよりも高品質でした。

個人および家庭用のコンピューティングで使用されるフレームバッファには、フレームバッファが動作できる定義済みのモードのセットが備わっていることがよくあります。これらのモードは、ハードウェアを再構成して、さまざまな解像度、色深度、メモリ レイアウト、リフレッシュ レートのタイミングを出力します。

Unixマシンとオペレーティング システムの世界では、このような利便性は通常避けられ、ハードウェア設定を直接操作することが優先されました。この操作は、フレーム バッファで使用可能なメモリによってのみ制限される、あらゆる解像度、色深度、リフレッシュ レートを実現できる点で、はるかに柔軟でした。

この方法の残念な副作用は、ディスプレイデバイスがその能力を超えて駆動される可能性があることです。場合によっては、ディスプレイのハードウェアが損傷する結果となりました。^[14]より一般的には、単に文字化けした使用できない出力が生成されます。現代のCRTモニターは、保護回路を導入することでこの問題を解決しています。ディスプレイモードが変更されると、モニターは新しいリフレッシュ周波数で信号ロックを取得しようとします。モニターが信号ロックを取得できない場合、または信号が設計上の制限の範囲外にある場合、モニターはフレームバッファ信号を無視し、ユーザーにエラーメッセージを表示する可能性があります。

LCD モニターには、同様の保護回路が搭載されている傾向がありますが、その理由は異なります。LCD は表示信号をデジタルでサンプリングする必要があるため (電子ビームをエミュレートする)、範囲外の信号は物理的にモニターに表示できません。

フレームバッファは、従来、さまざまなカラー モードをサポートしてきました。メモリの費用がかかることから、初期のフレームバッファのほとんどは、1 ビット (ピクセルあたり 2 色)、2 ビット (4 色)、4 ビット (16 色)、または 8 ビット (256 色) の色深度を使用していました。このような小さい色深度の問題は、フル レンジの色を生成できないことです。この問題の解決策は、フレームバッファにルックアップ テーブルを追加するインデックス カラーでした。フレームバッファ メモリに格納されている各色は、カラー インデックスとして機能します。ルックアップ テーブルは、限られた数の異なる色を含むパレットとして機能し、残りはインデックス テーブルとして使用されます。

以下は、典型的なインデックス付き 256 色イメージとそのパレット (スウォッチの長方形として表示) です。

一部の設計では、実行中にルックアップ テーブルにデータを書き込む (または既存のパレットを切り替える) ことも可能で、画像を独自のパレットを持つ水平バーに分割して、はるかに幅広いパレットを持つ画像をレンダリングできます。たとえば、屋外で撮影した写真を表示すると、画像は 4 つのバーに分割され、上部は空の色調を強調し、次のバーは葉の色調、次のバーは肌と衣服の色調、下部は地面の色になります。これにより、各パレットに重複した色が必要になりましたが、慎重に行うことで大きな柔軟性が得られました。

フレームバッファは、通常、 CPU メモリ空間に直接マッピングされたメモリを介してアクセスされますが、これがフレームバッファにアクセスする唯一の方法ではありません。フレームバッファは、メモリへのアクセス方法にさまざまなバリエーションがあります。最も一般的な方法は次のとおりです。

• フレームバッファ全体を指定されたメモリ範囲にマッピングします。
• 各ピクセル、ピクセルの範囲、またはパレット エントリを設定するためのポート コマンド。
• フレームバッファメモリよりも小さいメモリ範囲をマッピングし、必要に応じてバンクを切り替えます。

フレームバッファの構成は、パックされたピクセルまたは平面である可能性があります。フレームバッファは、すべてのポイントがアドレス指定可能であるか、更新方法に制限がある可能性があります。

ビデオ カードには、常に一定量の RAM が搭載されています。この RAM の一部は、画像データのビットマップが表示用に「バッファリング」される場所です。そのため、この RAM を指す場合、フレーム バッファという用語は同じ意味でよく使用されます。

CPUは画像の更新をビデオカードに送信します。カード上のビデオプロセッサは画面イメージの画像を形成し、それをRAM内の大きなビットマップとしてフレームバッファに保存します。RAM内のビットマップは、カードが画面イメージを継続的に更新するために使用されます。^[15]

多くのシステムは、多くの場合互換性の理由から、フレームバッファ デバイスの機能をエミュレートしようとします。最も一般的な 2 つの仮想フレームバッファは、Linux フレームバッファデバイス (fbdev) と X 仮想フレームバッファ ( Xvfb ) です。Xvfb は、グラフィカル フレームバッファなしで X を実行する方法を提供するために、 X Window Systemディストリビューションに追加されました。Linux フレームバッファ デバイスは、基礎となるフレームバッファにアクセスするための物理的な方法を、プログラムが簡単にアクセスできる保証されたメモリ マップに抽象化するために開発されました。これにより、プログラムは、ばらばらのメモリ マップを持つシステムやバンク切り替えを必要とするシステムに対処する必要がなくなるため、移植性が向上します。

フレーム バッファは、2 フレーム分のビデオ データを格納するのに十分なメモリを備えて設計されることがあります。一般にダブル バッファリング、より具体的にはページ フリッピングと呼ばれる手法では、フレームバッファはメモリの半分を使用して現在のフレームを表示します。そのメモリが表示されている間に、メモリのもう半分は次のフレームのデータで埋められます。セカンダリ バッファがいっぱいになると、フレームバッファはセカンダリ バッファを表示するように指示されます。プライマリ バッファはセカンダリ バッファになり、セカンダリ バッファはプライマリ バッファになります。この切り替えは、古いフレームの半分と新しいフレームの半分が一緒に表示される画面のティアリングを回避するために、垂直ブランキング期間の後に行われることがよくあります。

ページめくりは、 PCゲーム プログラマーが使用する標準的な手法となっています。

より優れたグラフィックスの需要が高まるにつれて、ハードウェア メーカーはフレーム バッファーを埋めるのに必要なCPU時間を減らす方法を開発しました。これは一般にグラフィックス アクセラレーションと呼ばれます。一般的なグラフィックス描画コマンド (その多くは幾何学的) は、生の形式でグラフィックス アクセラレーターに送信されます。次にアクセラレーターは、コマンドの結果をフレーム バッファーにラスタライズします。この方法により、CPU は他の作業を行うことができます。

初期のアクセラレータは、2D GUIシステムのパフォーマンスの向上に重点を置いていました。これらの 2D 機能を維持しながら、最近のアクセラレータのほとんどは、3D 画像をリアルタイムで生成することに重点を置いています。一般的な設計では、OpenGLやDirect3Dなどのグラフィックス ライブラリを使用します。これらのライブラリは、グラフィックス ドライバーとインターフェイスして、受信したコマンドをアクセラレータのグラフィックス プロセッシング ユニット(GPU) の命令に変換します。GPU はこれらの命令を使用してラスタライズされた結果を計算し、その結果はフレーム バッファーにビット ブリットされます。次に、フレーム バッファーの信号は、組み込みのビデオ オーバーレイ デバイス (通常はフレーム バッファーのデータを変更せずにマウス カーソルを生成するために使用) および出力信号を変更することによって生成される最終的な特殊効果と組み合わせて生成されます。このような最終的な特殊効果の例としては、3dfx Voodooカードで使用される空間アンチエイリアシング技術があります。これらのカードは、出力信号にわずかなぼかしを追加して、ラスタライズされたグラフィックスのエイリアシングを目立たなくします。

かつては、3dfx Interactive、ATI、 Hercules、Trident、 Nvidia、Radius、S3 Graphics、SiS、Silicon Graphicsなど、多くのグラフィック アクセラレータ メーカーがありました。2015 年現在、 x86 ベース システム向けグラフィック アクセラレータ市場は、Nvidia (2002 年に 3dfx を買収)、 AMD (2006 年に ATI を買収)、およびIntel^{[アップデート]}が独占しています。

フレームバッファを使用すると、電子ビーム（ディスプレイ技術で使用されている場合）は、テレビが放送信号をレンダリングする方法と同じ方法でラスタースキャンを実行するように命令されます。このようにして画面に表示される各ポイントの色情報は、スキャン中にフレームバッファから直接取得され、一連の個別の画像要素、つまりピクセルが作成されます。

フレームバッファは、ラスター グラフィックス (およびフレームバッファの概念) の登場以前に一般的だったベクター ディスプレイとは大きく異なります。ベクター ディスプレイでは、グラフィックス プリミティブの頂点のみが格納されます。出力ディスプレイの電子ビームは、頂点から頂点へと移動するように命令され、これらのポイント間の領域を横切る線をトレースします。

同様に、フレームバッファは、バッファが個々のピクセルではなく文字のコードを保持する初期のテキスト モードディスプレイで使用されていたテクノロジとは異なります。ビデオ ディスプレイ デバイスは、フレームバッファと同じラスター スキャンを実行しますが、ビームを向けるときにバッファ内の各文字のピクセルを生成します。

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