首页- 芯片解密常见问题- 正文

3D图形芯片算法原理分析

来源:芯片解密-龙芯世纪   时间:2012-02-03   阅读:3433

  3D芯片的处理对象是多边形表示的物体。用多边形表示物体有两个优点:首先是直接(尽管繁琐),多边形表示的物体其表面的分段线性特征除轮廓外可以通过明暗处理(shading)技术消除;其次是仅存储多边形顶点的几何信息,多边形内部每个象素的明暗颜色计算所需的信息由这些顶点信息插值而来,这正是易于用图形硬件支持的快速明暗处理技术。支持多边形绘制的图形硬件同样也可以绘制由双三次曲面片表示的物体,通过对这种物体的表面进行三角剖分,用逼近的三角形网格代替原物体的曲面表示就可以做到这一点。当然,用多边形表示物体也有其缺点,如增加了纹理映射和阴影生成的难度,当需要详细表示复杂物体时所需的三角形数量将变得非常庞大。
  将多边形表示的物体显示到计算机屏幕上,这一过程涉及物体在计算机内部的表示方式即物体的数据结构,由物体组成的场景的组织结构,物体从场景到屏幕空间要经过的一系列变换,以及产生最终屏幕图象要经过的一系列光栅化处理。这些方面都涉及到特定的处理算法,相应的算法又有许多不同的变种。下面仅就3D芯片涉及的图形处理过程及相关算法做一简单分析介绍,这些是理解3D图形处理及图形硬件的基础。
  具有复杂外形的物体其表面可以由多边形面片来近似表示。对于一个复杂形体来说,为了充分表示其细节,常常要用到十万个以上的多边形。这将耗费许多数据库访问时间和绘制时间。当将多边形模型进行放大处理时,会产生连接问题。这就是所谓的“几何走样”。物体的多边形表示既可以通过交互设计人工提取,也可以通过激光扫描设备得到。总之,多边形表示的物体并不特别适合于交互操作或做自由的形状改变。当改变物体的形状时很难保证多边形表示的完整性得到保持。
  对多边形明暗着色所需要的信息存储在一个分层的数据结构中,每一个物体表面由指向多边形表的指针定义,该多边形表包含了近似该表面的一组多边形,每一个多边形由指向顶点表的指针定义,顶点表包含了每个多边形的所有顶点。
  绘制多边形物体的传统方法是将多边形作为独立的绘制实体,这样多边形之间的共享边就要被处理两次。为避免这种情况,可采用基于边的绘制方法,这时多边形的表示是基于多边形的边而不是多边形本身。基于边的方法意味着绘制过程的组织要采用基于扫描线的算法,基于扫描线的算法将同时处理与当前扫描线相交的所有多边形。这时存储器中能存储的可被同时处理的多边形的最大数目将成为可绘制的场景复杂度的上限。使用全屏Z-buffer并将扫描线算法局限在物体所包含的多边形上就可以解决这一问题。
  绘制过程的几何处理部分可被看成应用一系列的坐标变换将物体数据库变换到一系列的坐标系下,这些坐标系对所有绘制系统都是公用的,是理解3D图形学的基础。用计算机生成图象的一系列基本操作与绘制过程要经历的一系列空间即坐标系有关。随着绘制过程的进行处理将从一个空间进入下一个空间。已完整地建立起描述这些变换的方法。在对物体实施变换时希望对顶点和顶点的法向量使用相同的变换矩阵。事实上,当变换在所有方向并不相同时,顶点法向量必须采用不同的变换矩阵。由于单位法向量经过变换之后其长度不一定仍保持不变,因而必须对其进行重新单位化处理。
  经过变换之后,一个多边形已变换到屏幕坐标系下。将一个屏幕多边形在屏幕上绘制出来就是多边形的象素处理过程,它包括光栅化、隐藏面消除、明暗处理。光栅化、隐藏面消除、明暗处理是整个3D图形生成过程中最内层的处理。他们是三个二维插值过程。光栅化是用屏幕空间三角形的顶点坐标插值,以求得三角形的边所截取的三角形内扫描线段的端点坐标,并进而求得所截扫描线段上的象素坐标。隐藏面消除则是通过对屏幕空间三角形顶点的深度值(Z坐标)进行插值,从而获得三角形内扫描线段上每个象素的深度值。明暗处理是用同样的方法由顶点光强求得三角形内扫描段上每个象素的光强。这三种处理的算法具有相同的数学表示形式,只需将坐标、深度或光强代入该方程就可以得到相应的结果。
  3D图形应用对计算和存储资源的巨大需求以及3D图形生成算法与传统计算机体系结构的不相适应产生了3D图形硬件。目前,3D图形硬件既有高端的专用图形工作站也有入门级的图形加速卡,任何更好更快的图形效果的获得都需要付出巨大的硬件代价。