面向移动设备的像素渲染器设计.pdf

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1、中国科学技术大学硕士学位论文面向移动设备的像素渲染器设计姓名：季健申请学位级别：硕士专业：电路与系统指导教师：郭立20090401摘要摘要如今3 D 图形技术被广泛的应用于电影，游戏等各个领域中，有效的提高了图象的视觉效果。随着消费电子的迅猛发展，现在的手持设备也广泛的采用了3 D 图形技术，如3 D 的的操作界面，3 D 游戏以及3 D 的G P S 导航等功能。当前这些3 D 功能大多都是用软件在通用处理器上模拟实现，这种实现方式使C P U的负载过大，耗能高，绘制的图形质量差，且很难做到3 D 图形显示的实时性。所以移动设备对3 D 高清晰图形绘制的迫切需求引起了人们的广泛关注。一些移动

2、设备虽然可以利用软件模拟的方法实现简单的3 D 图形绘制功能，但是，由于3 D 高清晰图形的绘制算法非常复杂，因此这种绘制方法不但占用了大部分的C P U 资源，增加了C P U 功耗，而且具有两个缺点：绘制质量差，只能绘制简单的图形；绘制速度低，无法达到实时绘制。针对这些问题，必须采用专用的硬件电路来实现移动设备的3 D 高清晰图形处理系统。移动设备的实时图形处理系统应具有快速的绘制单元，可以胜任3 D 高清晰图形的实时绘制；而且，由于移动设备采用电池供电、并且存储器的带宽较小，因此移动设备的3 D 高清晰图形处理系统应具有低功耗和低带宽的特点。针对移动设备对3 D 高清晰图形绘制的迫切需求

3、，以及移动设备对3 D 高清晰图形处理系统提出的要求，本文将面向移动设备的像素渲染器的设计作为研究内容。本文的主要特色和创新如下：针对移动设备对3 D 高清晰图形绘制的需求以及移动设备的特点，本文提出一种面向移动设备的像素渲染器的设计。该像素渲染器的设计有如下特点：1 可编程设计，用户可以灵活实现各种像素渲染算法，定点数操作，在保r 证精度的前提下减少设计复杂度，减少电路面积从而降低电路功耗。L 渲染器采用四路S I M D 架构，具有四个高效的并行的乘加单元，渲染器采用流水线架构，并具有数据旁路功能，运算速度快，每周期可以发射一条指令。当前，国外对面向移动设备的图形处理器已经展开了全面的研究

4、，也在相关领域取得了一定的成就，国内该方面的研究还很少。由于关键算法和硬件设计方案属于图形芯片厂家的核心技术，并受知识产权保护，因此相关资料非常匮乏。在这种情况下，开展面向移动设备的图形处理器的研究是非常有意义的。摘要关键词：移动设备图形处理器3 D 高清晰绘制实时绘制可编程像素渲染器I lA b s t r a c tN o w a d a y s3-Dg r a p h i c st e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nv a r i o u sf i e l d ss u c ha sm o v i e sa n

5、 dg a m e s，e f f e c t i v e l yi m p r o v i n gt h ev i s u a le f f e c t so fi m a g e s W i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o n s u m e re l e c t r o n i c s，3-Dg r a p h i c st e c h n o l o g yh a sa l s ob e e nw i d e l yu s e di nc u r r e n th a n d h e l dd e v i c e sl i k

6、e3 Do p e r a t i o ni n t e r f a c e，3-Dg a m e s，3 DG P Sn a v i g a t i o na n dS Oo n T h e s ef u n c t i o n sa r em o s t l ya n a l o gi m p l e m e n t a t i o no fs o f t w a r eO i lg e n e r i cp r o c e s s o r,w h i c hc a u s e sl a r g eC P Ul o a d，h i g hp o w e rc o n s u m p t i

7、 o na n dl o w-q u a l i t yr e n d e r i n g B e s i d e s，t h i sw a yo fi m p l e m e n t a t i o ni sr a t h e rh a r dt or e a l i z eg r a p h i cr e n d e r i n gi nr e a lt i m e T h e r e f o r e，t h eu r g e n tn e e df o r3-Dh i g h-d e f i n i t i o ng r a p h i c sr e n d e r i n go nm

8、o b i l ed e v i c e sh a sa t t r a c t e dw i d ea R e n t i o n A l t h o u g hs o m es i m p l e3 一Dg r a p h i c sr e n d e r i n gf i m c t i o n sC a nb ei m p l e m e n t e do nm o b i l ed e v i c e st h r o u g hs o f t w a r es i m u l a t i o n，t h i sr e n d e r i n gm e t h o ds t i l

9、lh a ss o m ed r a w b a c k sl i k eo c c u p y i n gt o om u c hC P Ur e s o u r c e sa n di n c r e a s i n gC P Up o w e rc o n s u m p t i o nf o ri t sc o m p l i c a t e dr e n d e r i n ga l g o r i t h m I na d d i t i o n，t h e r ea r ea n o t h e rt w oo b v i o u ss h o r t c o m i n g s

10、f o rt h es o f t w a r es i m u l a t i o nf u n c t i o n：o n ei sl o w q u a l i t yr e n d e r i n g，w h i c hC a no n l yi m p l e m e n ts i m p l eg r a p h i c sr e n d e r i n g；t h eo t h e ri sl o w-s p e e dr e n d e r i n g，w h i c hc a n n o ti m p l e m e n tr e a l-t i m er e n d e r

11、 i n g I no r d e rt os o l v e t h e s ep r o b l e m s，i ti sn e c e s s a r yt oa d o p ts p e c i a lh a r d w a r ec i r c u i tt or e a l i z et h e3 一Dh i 曲d e f i n i t i o ng r a p h i c sp r o c e s s i n gs y s t e mo nm o b i l ed e v i c e s T h en e w3-Dr e a l t i m eg r a p h i c sp

12、r o c e s s i n gs y s t e mf o rm o b i l ed e v i c e ss h o u l dh a v ef a s t-r e n d e r i n gu n i tw h i c hc a nr e a l i z er e a l t i m er e n d e r i n go f3 一Dh i g h d e f i n i t i o ni m a g e sa n dh a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o wp o w e ra n dl o wb a n d w i d t

13、hb e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no fb a t t e r ya n ds m a l lm e m o r yb a n d w i d t hi nm o b i l ed e v i c e s I no r d e rt om e e tt h eu r g e n tn e e df o r3-Dh i g h-d e f i n i t i o ng r a p h i c sr e n d e r i n ga n dr e q u i r e m e n t so f3-Dg r a p h i c sp r o c e s

14、s i n gs y s t e mi nm o b i l ed e v i c e s，t h i st h e s i st a k e st h ed e s i g no fp i x e lr e n d e r e rf o rm o b i l ed e v i c e sa st h er e s e a r c hs u b je c t T h et h e s i sb e a r st h ef o l l o w i n gf e a t u r e s：C o n s i d e r i n gt h en e e df o r3-Dh i g h d e f i

15、 n i t i o ng r a p h i c sr e n d e r i n ga n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm o b i l ed e v i c e s，t h i sr e s e a r c hp u t sf o r w a r dt h ed e s i g no fak i n do fp i x e lr e n d e r e rf o rm o b i l ed e v i c e s，w h i c hh a st h es u b s e q u e n tc h a r a c t e r i s t i

16、 c s：F i r s t l y,i ti sp r o g r a m m a b l ed e s i g nw h i c he n a b l e su s e r st oi m p l e m e n tv a r i o u sp i x e lI I Ir e n d e r i n ga l g o r i t h mf l e x i b l y S e c o n d l y,i ta p p l i e sf i x e d-p o i n to p e r a t i o nt h a tr e d u c e st h ed e s i g nc o m p l

17、 e x i t ya n dc i r c u i ta r e aa n dt h e r e b yl o w e r st h ec i r c u i tp o w e rc o n s u m p t i o n T h i r d l y,t h ep r o c e s s o ra d o p t sf o u r-w a yp a r a l l e lS I M Da r c h i t e c t u r ew h i c hc o n t a i n sf o u re f f i c i e n ta n dp a r a l l e lm u l t i p l

18、y a d du n i t s F o u r t h l y,t h ep r o c e s s o ru s e sp i p e l i n ea r c h i t e c t u r ea n dh a sd a t ab y p a s sf u n c t i o n，S Oi th a sah i g hc o m p u t a t i o n a ls p e e d，b e i n ga b l et ol a u n c ho n ei n s t r u c t i o np e rc y c l e L a s tb u tn o t 也el e a s t，i

19、 tc o n t a i n sa ne v a l u a t i o nu n i to fs p e c i a lf u n c t i o n sw i t hh i g ha c c u r a c y,p r o v i d i n gh a r d w a r ea c c e l e r a t e dc o m p u t i n go ff o u rs p e c i a lf u n c t i o n s(r e c i p r o c a l，r a d i c a lr e c i p r o c a l，e x p o n e n ta n dl o g a

20、 r i t h m)U pt i I ln o w，t h eh a r d w a r er e s e a r c hi n t ot h e 3-Dg r a p h i c sp r o c e s s o rw h i c hi sm o b i l ed e v i c e so r i e n t e dh a sb e e nc a r r i e do u tc o m p r e h e n s i v e l yi nf o r e i g nc o u n t r i e s，w i t hs o m ea c h i e v e m e n t sm a d ei

21、nr e l a t e da r e a s H o w e v e r,t h ed o m e s t i cs t u d i e so nt h i ss u b je c ta r es m a l li nn u m b e r B e c a u s et h ek e ya l g o r i t h ma n dh a r d w a r ed e s i g nm e t h o da r ec o r et e c h n o l o g i e sf o rg r a p h i c sc h i pm a n u f a c t u r e r sa n dp r

22、o t e c t e db yi n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s(I P R)，r e l a t e di n f o r m a t i o nf o rd e s i g n i n g3-Dg r a p h i c sp r o c e s s o ri sv e r ys c a r c e I nt h i ss i t u a t i o n，i th a sg r e a ts i g n i f i c a n c et oC a l T yo u tt h er e s e a r c hi n t og

23、r a p h i c sp r o c e s s o rt h a ti sm o b i l ed e v i c eo r i e n t e d K e yW o r d s：M o b i l ed e v i c e s，G r a p h i c sP r o c e s s i n gU n i t，R e a l i s t i cr e n d e r i n g，R e a l t i m er e n d e r i n g，P r o g r a m m a b l eP i x e lS h a d e rI V中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学

24、位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：超签字日期：三里!出鱼垂宴至日中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学

25、位论文在解密后也遵守此规定。、毋薪口保密(午)作者魏蕉照签字日期：三殳翌九垒，重目修西导师签名：签字日期：第一章绪论1 1 研究背景和意义第一章绪论2 0 世纪六，七十年代，受硬件条件的限制，图形显示器只是计算机输出的一种工具。限于硬件发展水平，人们只是纯粹从软件实现的额角度来考虑图形用户界面的规范问题。图形用户界面国际标准G K S(G K S 3 D)，P H I G S 就是其中的典型代表。2 0 世纪8 0 年代初期，出现G E(G e o m e t r yE n g i n e)为标志的图形处理器。G E 芯片的出现使得计算机图形学的发展进入图形处理器引导其发展的年代。G E的核心

26、是四位向量的浮点运算。它可由一个寄存器定制码定制出不同功能，分别用于图形渲染流水线中，实现矩阵，裁剪，投影等运算。1 2 个这样的G E 单元可以完整的实现三维图形流水线的功能。芯片设计者J a m e sC l a r k 以此为核心技术建立的S G I 公司，基于S G I 图形处理器功能的图形晃面G L 及其后的O p e n G L，成为图形用户界面事实上的工业标准。2 0 世纪8 0 年代和9 0 年代，G E 及其图形处理器功能不断增强和完善，使得图形处理功能逐渐从C P U 向G P U 转移。现代图形处理器的流水线主要功能分为顺序处理的两个部分：第一部分对图元实施几何变化以及对

27、图元属性进行处理(含部分光照计算)；第二部分则是扫描转换进行光栅化以后完成一系列的图形绘制处理，包括各种光照效果和合成，纹理映射，遮挡处理，反混淆处理等。2 0 世纪9 0 年代，N V I D I A 进入个人电脑3 D 市场，并于1 9 9 9 年推出具有标志意义的图形处理器G e F o r c e2 5 6，第一次在图形芯片上实现了3 D 几何变换和光照计算。此后G P U 进入高速发展时期，平均每隔6 个月就出现性能翻番的新的G P U。从S G I 的G E 到N V I D I A 的G e F o r c e，G P U 经历2 0 年，芯片的线宽从3 u m 缩小到9 0 n

28、 m(2 0 0 7 的G e F o r c e8 8 0 0 集成了6 8 1 亿晶体管)，集成电路的逻辑设计能力提高几千倍，但处理器数据通道接口带宽仅提高几十倍。同时对图形处理器计算能力的需求不断增长，出现了可编程的图形处理器，以N V I D I A 和A T I 为代表的G P U 技术正是适应这种趋势。而到目前为止，G P U 已经过六代的发展，每一代都拥有比前一代更强的性能和更完善的可编程架构。第一代G P U(到1 9 9 8 为止)包括N V I D I A 的T N T 2，A T I 的R a g e 和3 d&的V o o d 0 0 3。这些G P U 拥有硬件三角形

29、处理引擎，能处理具有1 或2 个纹理的像素，第一章绪论能够大大提高C P U 处理3 D 图形的速度。但这一代图形硬件没有硬件T&L 引擎，更多只是起到3 D 加速的作用，而且没有被冠以”G P U 的名字。第二代G P U(19 9 9-2 0 0 0)包括N V I D I A 的G e F o r c e2 5 6 和G e F o r c e 2，A T I的R a d e o n 7 5 0 0，S 3 的S a v a g e 3 D。它们将T&L 功能从C P U 分离出来，实现了高速的顶点变换。相应的图形A P I 即O p e n G L 和D i r e c t x 7 都

30、开始支持硬件顶点变换功能。这一代G P U 的可配置性得到了加强，但不具备真正的编程能力。第三代G P U(2 0 0 1)包括N V I D I A 的G e f o r c e 3 和G e f o r c e 4T i，微软的X B O X，及A T I 的R a d e o n 8 5 0 0。这一代G P U 首次引入了可编程，即顶点操作的可操作性。允许应用程序调用一组自定义指令序列来处理顶点数据，并可以将图形硬件的流水线作为流处理器来解释，也正是这个时候，基于G P U 的通用计算开始出现。但是片段操作阶段仍然不具备可编程架构，只提供了更多的配置选项。开发人员可以利用D i r e

31、 c t X 8 以及O p e n G L 扩展(A R B v e r t e x p r o g r a m，N V-t e x t u r e s h a d e r 和N V-r e g i s t e r c o m b i n e r)来开发简单的顶点及片段着色程序。第四代G P U(2 0 0 3)包括N V I D I A 的G e f o r c e F X(具有C i n e F X 架构)，A T I 的R a d e o n 9 7 0 0。相比上一代G P U，它们的像素级和顶点级操作的可编程性得到了大大的扩展，可以包含上千条指令，访问纹理的方式更为灵活，可以用作索

32、引查找。更重要的是具备了对浮点格式的纹理的支持，不在限制在【0，1】范围内，从而可以做任意数组，这对于通用计算而言是个重要突破。D i r e c t x 9 和各种O p e n G L 扩展(A R B v e r t e x-p r o g r a m，A R B f r a g m e n t-p r o g r a m,N V-v e r t e x p r o g r a m 2)可以帮助开发人员利用这种特性来完成原本只能在G P U 上进行的复杂顶点像素操作，C g 语言等其他高级语言在这一代G P U 开始得到应用。第五代G P U(2 0 0 4)主要以N V I D I A

33、G e f o r c e6 8 0 0 为代表，G e f o r c e6 8 0 0 集成了2 亿2 千5 百万晶体管，具有超标量的1 6 条管线架构，功能相对以前更加丰富，灵活。顶点程序可以直接访问纹理，支持动态分支，像素着色器开始支持分支操作，包括循环和子函数调用，T M U 指出6 4 为浮点纹理的过滤和混合，像素输出单元支持多目标渲染等。第六代G P U(2 0 0 6)主要以N V I D I A G e f o r c e7 8 0 0 为代表。G P U 内建的C i n e F X4 0 引擎，做了许多架构上的改良，提高许多常见可视化运算作业的速度，籍此支持更复杂的着色效

34、果，且仍能维持更高的影像质量。新方案在每个管线层面运用许多创新技术：1 重新设计的顶点着色单元，缩短几何坐标处理的设定与执行流程。2 新开发的像素着色单元提供高出两倍的浮点运算效率，大幅提升其他数学运算的速度，提高处理流量。3 先进的材质运算单元结合许多新型硬件算法以及更优异的快取机制，加快2第章绪论过滤与混色等运算作业。图形加速技术是实时计算机图形学的重要组成部分，其目标就是在计算机的显示设备上实时的对2 D 3 D 场景进行渲染绘制。早期的图形加速主要是2 D 图形加速，如文本文字显示、平面图像、伪3 D 图形显示等。随着计算机技术的迅速发展，人们对图形显示的效果提出了更高的要求，出现了3

35、 D 图形显示系统。建立在3 D 图形基础上的雾化、阴影技术、纹理、高动态范围光照等真实感3 D 图形技术也逐渐被提出和日趋完善。目前，以N V I D I A、A T I、I n t e l 为代表的显卡芯片制造商已经将应用于桌面P C 的高性能图形加速卡发展到了第九代(徐文广，2 0 0 7)。如今由于实时计算机图形学算法的进步和微电子工艺的飞快发展，现代的图形处理器刷新速率达6 0F P S 以上，甚至可以实时绘制一幅具有上万个三角面的非常细腻的场景，并且可以非常逼真的重现各种光照和纹理效果，这些图形处理器被广泛应用于图形工作站或者普通的台式计算机，给人们带来了前所未有的视觉享受。桌面P

36、 C 上3 D 图形加速的飞速发展相比，在计算能力有限的嵌入式设备上进行实时的3 D 图形绘制仍是一个非常具有挑战性的课题。这是因为嵌入式设备的微处理器运算能力较低，存储带宽更是有限，此外还受到成本、功耗等诸多限制。早期的解决方案一般是采用嵌入式微处理器进行软件实现，在只需要绘制2 D 简单3 D 图形的应用中，这种方式不失为性价比较高的选择。但在目前对真实感图形需求越来越高的情况下，尤其对于利用处理器软件实时绘制具有真实感的3 D 场景，即使目前主流的P C，也很难达到要求。因此，设计一套专用的面向移动设备的3 D 图形处理系统，承担所有或者部分图形绘制工作，将嵌入式C P U 从中解放出来

37、，是非常有意义的。然而，面向移动设备的图形处理器的设计面临着如下瓶颈问题：1)处理速度要快。3 D 场景复杂度日益增长，无论是场景中的物体数量，还是物体的绘制方式，图元变得越来越小，光照模型也变得越来越复杂，对场景进行照片级真实感绘制越来越困难，这要求我们必须设计出高速度的面向移动设备的图形处理器。2)功耗要低。移动设备没有稳定的供电系统，因此，必须通过算法的改进、电路结构的改进以及工艺的改进来降低功耗，延长用户的体验时间。3)灵活性要高，不同的用户对图形渲染效果的速度和效果要求都不相同，因此这要求我们必须设计出高灵活性的面向移动设备的图形处理器。面向移动设备的3 D 图形处理器的设计仍然是一

38、个难题，国外的图形芯片厂商和研究小组在面向移动设备额的3 D 图形处理器的。近年来，国外的几大芯片第一章绪论厂商分别推出了自己的针对移动设备的显示加速芯片。主要有A R M 和I m a g i n a t i o nT e c h n o l o g i e s 公司联合开发的P o w e r V RM B X 系列、I n t e l 的2 7 0 0 G、N V I D I A 的G o F o r c e 系列、A T I 的I m a g e o n 系列等。以A R M 和I m a g i n a t i o nT e c h n o l o g i e s 公司联合开发的P

39、o w e r V RM B XR-S3 D 图形加速芯片为例(K r i s t o fB e e t s，2 0 0 5)，它采用0 1 8 微米工艺，面积约4 7 w 门，设计核心频率为8 0 M H z，功耗小于1 5 m W M H z。采用了块状渲染(t i l e b a s e dr e n d e r i n g)的方式来实现全频宽密集型像素处理，其像素填充率为2 5 0 百万像素秒，三角形生成速度为1 5 0万个秒，支持Q C I F(1 7 6 x 1 4 4)和Q V G A(3 2 0 x 2 4 0)两种显示分辨率。它采用A M B AA H B 总线接口和统一显存

40、架构，即绘图子系统和C P U 一起共用系统存储器，支援无损抗锯齿和P o w e r V R 纹理压缩，整合了2 D 显示单元及顶点几何处理器。M B X 核心易于与A R M 9 及A R M l l 等平台整合，从而缩短产品研发周期。N V I D I A的G o F o r c e5 5 0 0 是另外一款性能强大的嵌入式3 D 图形加速芯片(N v i d i a，2 0 0 6)，它的3 D 引擎每秒可以处理多达2 6 0 万个三角形，具有2 0 0 百万像素秒处理能力，并且功耗极低，最高功耗只有2 0 0 m W。此外，它还可以支持1 0 2 4 7 6 8 的高分辨率显示，并且

41、支持高达7 2 0 5 7 6 分辨率的H 2 6 4、W M V 9、M P E G 4 等媒体的硬件加速播放。由于手持设备的广泛使用，如何使视觉效果更加逼真，已成为消费类嵌入式设备设计的研究热点。嵌入式技术和网络技术的发展已经让这一概念逐渐成为现实。如今，我们已经可以使用掌上电脑来浏览网页、收看视频等。作为一种方便有效的信息传送装置，嵌入式设备可以提供更多的信息，因此，开展面向移动设备的图形处理器的研究是非常必要而且紧迫的。1 23 D 图形绘制概述1 2 13 D 图形渲染流水线3 D 图形渲染流水线是图形处理器渲染技术的基础。它的任务是将一个3 D 的场景显示在一个2 D 的屏幕当中。

42、从概念上可以将3 D 图形渲染流水线粗略的分为3 个阶段：应用程序、几何部分、光栅部分。4第一i 镕论矧113 D 图形绘制管线3 D 图形渲染管线中，一个复杂的三维物体表面是由很多的三角面、线或者点来近似的。譬如图12 中的一个直升机就是用计多三角面绘制而成的。这种表示方法简单易懂且非常有效。它使3 D 图形绘制系统的处理对象变得非常简单。这种三角而近似方法只需要计算三角面数据和顶点属性，顶点着色器产生变换和着过色的顶点序列，物体表面每个顶点的颜色可以用光源及其特性、巧!点的位置和法线、顶点所在的材质属性来计算，三角嘶山1；f I 点的渲染可以通过插值得到，如图12 所示。第一章绪论鬻图12

43、 一个直升机的三角而近似和绘制3 D 图形处理器的算法 旺作过程将在第二章中详细介绍，这里先给出一个一般性的概括：应用程序阶段由应用程序来驱动，因此可以通过软件来实现，这个阶段包括碰撞检测，加速算法，动而，以及力反馈等。开发者能够对该阶段发生的情况进行完全控制，可以通过改变实现方法来改变实际性能。在应用程序阶段的末端，将需要绘制的儿何体输入到绘制管线的下一个阶段。这些几何体都是绘制图元(如点，线，矩形等)，最终需要在屏幕上(具体形式取决于具体输出设备)显示出来，这就是应用程序额阶段最重要的任务。几何阶段主要负责大部分多边形和顶点操作，可以将这个阶段进一步划分为模型与视点变换，光照，投影。裁剪，

44、屏幕映射等。在屏幕上的显示过程中，模型通常需要变换到若干不同的空间或坐标系中。起初，模型处于自身所在的模型空间里可以简单的认为它根本没有进行任何变换。每个模型可以和一个模型变换相联系，这样它就可以进行定位和定向。同一个模型还可以和几种不同的模型变换联系在一起。允许同一个模型有多个副本，可以在同一场景中具有不同的位置，力向和大小，而不需要对基本几何体进行复制操作。模型变换的变换对象是模型的顶点和法线。物体的坐标称为模型坐标，如果将模型变换应用到这些坐标中，那么可以说这个模型位于世界坐标或世界空间中。世界空间是唯一的，所有模型经过变换以后都位于同一个空间中。正如前面所迷，只对相机可以看到的模型进行

45、绘制。相机在世界空间中有一骤图第一章绪论个位置和方向。用来放置和校准相机，为了便于投影和裁剪，必须对相机和所有的模型进行变换。变换的目的就是把相机放在原点，然后进行视点校准，使其朝向Z 轴的负方向，Y 轴指向上方，X 轴指向右边。在视点变换后，实际位置和方向就依赖于当前的应用程序接口，称上述描绘的空间为相机空间或者观察空间。为了让模型看起来更加真实，可以给场景配上一个或多个光源。同时还可以选择是否使灯光影响几何体的外观，几何模型可以有与其每个顶点相关联的颜色或者覆盖其上的纹理。对于受光源影响的模型来说，可以用光照方程来计算模型上每个顶点的颜色，这个方程近似模拟了光子和表面之间的实际作用。在现实

46、世界中，光源发出光子，然后哦被表面反射或吸收。通常，光照计算是在世界空间中进行的。但是，如果对光源进行视点变换，在观察空间中会得到同样的光照效果。这是因为：即使将参与光照计算的所有实体都变换到同一个空间中，光源，相机以及模型之间的相对位置依然保持不变。在光照处理之后，图形处理系统就开始进行投影，目的是将视体变换为一个单位立方体。这个立方体的对角顶点分别是(1，1，1)和(1，1，1)。通常也称单位立方体为规范视体。只有当图元完全或部分的存在于视体内部的时候，才需要将其发送到光栅阶段，在这个阶段可以把这些图元在屏幕上绘制出来。当一个图元完全位于一个视体内部份的时候，那么它可以直接进入下一个阶段。

47、完全在视体外部的图元，将来不会进入下一个阶段，因为它们没有被绘制，需要对那些部分位于视体内部的图元进行裁剪处理。只有在视体内部经过裁剪的图元，才可以进入屏幕映射阶段。给定经过变换和投影之后的顶点，颜色以及纹理坐标(均来自于几何阶段)，光栅阶段的目的就是给每个像素正确配色，以便正确绘制整幅图像，这个过程称为光栅化或者扫描转换，也就是吧屏幕空间的二维顶点转换为屏幕上的像素。屏幕空间有一个Z 值，一种或两种颜色，以及一组或者多组纹理坐标，其中纹理坐标会与顶点或者屏幕上的像素联系在一起。光栅阶段进行的是单个像素操作，每个像素的信息存储在颜色缓冲器里，颜色缓冲器是一个矩形的颜色序列，对于高性能图形处理器

48、来说，光栅阶段必须在硬件中完成。1 2 23 D 图形绘制技术的发展图形处理器(G P U)因为越来越多的图形应用而变得越来越重要，在各种系统中的重要性不亚于C P U。上个世纪的绝大多数图形加速芯片并不能称为G P U，因为他们仅有填充像素和纹理的功能。N V I D I A 公司在1 9 9 9 年发布G e f o r c e2 5 6 图形处理芯片时首先提出G P U 的概念，G P U 使系统减轻了对C P U 的依赖，并进行部分原本C P U 的工作，尤其是在3 D 图形处理时，G P U 所采用的核心技术有7第一章绪论硬件T&L，顶点混合着色，纹理压缩等等。T&L(T r a n

49、 s f o r m a t i o na n dL i g h t i n g)是3 D 渲染中的一个重要部分，其作用主要是几何变换。在G e F o r c e 问世之前，这部分任务都是C P U 处理的，由于C P U 的任务繁多，因此T&L 的性能低下，转交给G P U 做这部分大大改进了系统的图形处理性能。G P U 的下一次重大改进是引入了S h a d e r 的概念，S h a d e r 是配合D i r e c t X8 的标准产生的图形处理器架构技术，它进一步扩展了G P U 的能力，使原来的渲染管线带有了可编程的能力，极大的增强了G P U 绘制出来的3 D 图形的表现

50、力。从G e F o r c e3 一直到现在的G e F o r c e9,G P U 的发展一直延续着可编程的路线。S h a d e r 分为两种，一种是像素渲染器(v e r t e xs h a d e r)，取代固定渲染管线中的变换和光照部分，程序员可以自己控制顶点变换，光照等，一种是像素渲染器(p i x e ls h a d e r)，取代传统的固定的像素着色方式，程序员可以自由控制像素着色方法。1 3 国内外研究现状图形加速器已经完成了从管线末端向后的演化，如今的图形加速器通常都具有几何阶段和光栅阶段的加速功能。在图形硬件中，通常有两种主要的方法来进行快速处理，他们分别是管线