CN100568288C - 计算机图形处理器和呈现图像的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有前向映射呈现器的计算机图形处理器。该呈现器包括对纹理空间中的图元进行光栅化的纹理空间光栅化引擎(TS)、确定纹理空间光栅化引擎(TS)的输出的色彩并将色彩采样和坐标一起提供的色彩生成单元(PS)、对色彩生成单元(PS)所确定的色彩采样进行重采样的两遍屏幕空间重采样器(SSR1、SSR2)、以及与所述屏幕空间重采样器(SSR1、SSR2)的至少一遍相关联的至少一个一维模糊滤波单元(1PB、2PB)，其在执行所述至少一遍之前执行一维模糊滤波。
Description
技术领域
本发明涉及一种计算机图形处理器和一种呈现图像的方法。
发明背景
在计算机图形和视频处理领域，为了改善系统呈现能力从而以更少的计算量获得更逼真的图像，一直进行着持续不懈的努力。
传统来讲，通过从像素区域反向映射到表面纹理来实现到3D表面投影的纹理映射。在1980年计算机图形(ComputerGraphics(SIGGRAPH’80 Proceedings))，卷14(3)，第279-285页上，Edwin Catmull和Alvy Ray Smith所著的“3-d transformations of imagesin scanline order(扫描线顺序图像的三维变换)”中，示出了一种可选择的方法。将纹理表面作为2D图像来变换，直到它与3D空间内任意放置的多边形的投影相一致。可以将该2D变换或映射分解为一系列两个正交1D变换，称为水平和垂直扫描线顺序。换句话说，可以将重采样操作的多维图像变换作为一系列一维变换来执行。
然而，在这样一系列1D变换中可能会出现一个问题，这个问题就是因切变(shear)出现了锯齿(aliasing)。图1示出了纹理贴图(图1左边)和中间图像(图1右边)的两行，该图说明了切变问题。纹理贴图有一条黑垂直线(在u＝1处)，由于透视映射而发生了切变，这样使第二行的黑像素(x＝6)比第一行的黑像素(x＝1)向右偏移了五个像素。为了防止这种水平锯齿，进行了一遍(pass)水平滤波，但是该处理并不能防止垂直锯齿。切变会引起一条线中的黑像素和下一条线中的白像素之间非常急剧的转变。而且，中间图像中的该线由分离部分组成，这些部分由该线对其无贡献的列分隔开(例如，x＝3)。
对于切变问题的一种解决方法是George Wolberg和Terrance E在1989年七月的计算机图形(Computer Graphics(Proc.Sggraph’89))，卷23(3)，第369-378页，“Separable image warping with spatial lookuptables(具有空间查找表的可分离图像变形)”中提出的所谓超级采样技术。由于下采样引起了锯齿问题，因此这种推荐的解决方法是通过更细密地采样映射函数来提高分辨率。因此，以更精细的分辨率进行光栅化(即，它是超级采样的)，导致生成额外的中间线，用中间位置的黑像素填充窟窿。如果对第一遍处理引入的切变做这种处理，则第二遍处理将较大的中间图像下变换到其最终的分辨率。如果对第二遍处理中的切变使用同样的超级采样方法，则需要进行第三遍处理来将所生成的更高的水平分辨率减小到输出分辨率。因此，超级采样技术是一种计算密集型的方法。
另一种克服锯齿问题的方法是基于盒式滤波(box filtering)的技术，如1987年Alvy Tay Smith在计算机图形(Computer Graphics(Proceedings Siggraph 1987))，卷21(4)，第263-272页，“Planar 2-passtexture mapping and warping(平面两遍纹理映射和变形)”中所描述的。该文中使用了预滤波，预滤波构成了检查是否像素位于诸如三角形(对于反向映射的情况)内部的过程。该预滤波器可以有delta函数、盒函数(box function)等。如果不进行预滤波，输入纹理的每个纹理像素被映射或不被映射到屏幕空间，这取决于该像素的位置是否位于三角形内。为了减少边缘锯齿，用预滤波器确定哪个纹理像素应对后续重采样做出贡献，即也可能是那些不完全处在三角形内部的采样。在三角形和预滤波覆盖范围之间确定了一定重叠量，其中预滤波器的覆盖范围对应纹理空间内u/v方向上该预滤波器的区域。
图2示出了输出像素覆盖范围映射到输入图像的示意图。图2的左边示出了纹理空间中的纹理贴图76，即纹理像素，而图2的右边示出了水平变换后的中间图像77，即像素。该纹理包括了一条垂直列的灰色纹理像素74。在纹理空间中，正方形72表示纹理像素的盒式(box)重建覆盖范围，ML是中线，75是白色纹理像素，73是一个像素的映射盒式重建预滤波器覆盖范围。屏幕空间中示出了扫描线上一个像素的盒式预滤波器覆盖范围78。因此，将以中线ML表示的扫描线上的该像素的盒式预滤波器覆盖范围78映射到纹理空间76，并构建了映射的盒式重建预滤波器覆盖范围。
在图2中，将输出像素的水平跨度(span)模拟为代表盒式预滤波器覆盖范围的一行相邻正方形。这些映射到输入图像扫描线上的像素的覆盖范围73构建了由平行线段限制上下、由曲线限制左右的区域，具体对于图2所示的某些变换是以直线限制左右的。
经盒式滤波的像素色彩由纹理像素色彩的平均值组成，纹理像素色彩的盒式重建滤波器覆盖范围相交于该像素的映射覆盖范围73。依照重建滤波器覆盖范围72与该像素的映射覆盖范围73相交的尺寸，即依照重建滤波器覆盖范围与映射像素覆盖范围相重叠的区域，将加权函数应用于纹理像素。虽然，这样可以比在这些区域(在图2中仅选择黑纹理像素来作贡献)的中线ML上的严格1D平均能获得更精确的平均值，但在1D扫描线计算中需要进行2D计算(即，区域重叠计算)，结果导致了一种计算密集型技术。
发明概述
因此，本发明的目标是提供一种计算机图形处理器和呈现图像的方法，他们能以适度计算需求量来进一步减少切变引起的锯齿。
该目标可以通过如权利要求1所述的计算机图形处理器和如权利要求8所述的呈现方法来解决。
因此，提供了一种具有前向映射呈现器(renderer)的计算机图形处理器。该呈现器包括：纹理空间光栅化引擎TS，用于对纹理空间中的图元进行光栅化；色彩生成单元PS，用于确定纹理空间光栅化引擎TS的输出的色彩，并将色彩采样连同坐标一起提供；两遍屏幕空间重采样器SSR1、SSR2，用于对色彩生成单元PS确定的色彩采样进行重采样；以及与所述屏幕空间重采样器SSR1、SSR2的至少一遍相关联的至少一个一维模糊滤波器单元1PB、2PB，用于在执行所述至少一遍之前执行一维模糊滤波。
因此，在重采样操作期间仅需进行1D计算。为了避免如图1所示的间隙，将图1中垂直于切变方向的线扩展到更多像素上。这可以通过模糊滤波器来实现，该模糊滤波器提供所必需的2D滤波的良好近似。
根据本发明的一个方面，所述处理器包括第一和第二一维模糊滤波器单元。所述屏幕空间重采样器包括第一遍和第二遍屏幕空间重采样器。将所述第一模糊滤波器单元设置在所述第一遍屏幕空间重采样器之前，并且将所述第二模糊滤波器单元设置在所述第二遍屏幕空间重采样器之前。因此，两遍都使用了模糊。
根据本发明的优选方面，所述第一和第二模糊滤波器单元是一维模糊滤波器，其具有的覆盖范围的尺寸取决于相应切变因子，这样当有更多切变时可以引入更多的模糊。从而可有效防止切变引起的锯齿。
根据本发明的另一方面，所述第一和第二模糊滤波器单元是具有加权覆盖范围的盒式低通滤波器。有了这样的覆盖范围，可以更有效率地接近2D覆盖范围的贡献。
本发明还涉及一种基于前向映射呈现来呈现图像的方法。在纹理空间内将图元进行光栅化。确定该光栅化步骤的输出的色彩，并且将色彩采样连同坐标一起提供。对在色彩生成步骤中确定的色彩采样执行两遍屏幕空间重采样。在执行至少一遍重采样之前，执行至少一次一维模糊滤波。
此外，本发明涉及一种计算机程序产品，包括存储在计算机可读取介质上的程序代码模块，用于当所述程序在计算机上运行时执行以上方法。
由从属权利要求定义本发明的其它方面。
本发明基于的思想是，避免纹理像素的覆盖范围与像素的映射覆盖范围的重叠区域的计算，即2D计算。取而代之，通过在纹理像素上应用1D滤波器而仅使用了1D计算。
附图说明
在图中：
图1示出了纹理映射导致的切变引起锯齿的示意图；
图2示出了将输出像素覆盖范围映射到输入图像的示意图；
图3示出了如本发明第一实施例所述的前向映射流水线；
图4以1D滤波示出了图2右边的详细示意图；
图5示出了改进1D滤波来近似2D滤波覆盖范围的示意图；
图6示出了图5的收缩(shrunk)覆盖范围的示意图，以及
图7示出了图6覆盖范围的加权示意图。
优选实施例详述
图3示出了如本发明第一实施例所述的前向映射流水线。该前向映射流水线包括纹理空间光栅化引擎TS、纹理存储器TM、纹理空间重采样器TSR、像素着色器PS、第一遍和第二遍模糊单元1PB、2PB、第一遍和第二遍屏幕空间重采样器SSR1、SSR2以及像素片断(fragment)合成器PFC。
首先，描述前向呈现流水线的基本操作。在纹理空间执行光栅化，通过将纹理坐标选做光栅化处理过程的变量，纹理空间光栅化引擎TS遍历(traverse)图元在纹理贴图上投影。纹理空间光栅化引擎TS可以遍历纹理栅格上的纹理贴图。将被光栅化的图元或多边形所限制的纹理像素喷涂(splat)到屏幕空间的像素上。
因此，像素着色器PS和纹理空间重采样器TSR(其中，如果几个纹理存在时，可以有一个或多个重采样器，串行或并行地获取纹理采样)对应于传统流水线中的像素着色器和纹理空间重采样器。像素着色器PS接收某一位置的一组(内插的)属性，包括纹理和屏幕坐标。纹理坐标和着色程序一起确定经由纹理空间重采样器TSR将纹理贴图索引到什么位置。如传统流水线中相同的方式，着色器还可以在把纹理坐标发送给纹理空间重采样器TSR之前修改这些纹理坐标，以实现相关的纹理化。
着色器PS将着色后的色彩和相关的屏幕坐标一起传递到屏幕空间重采样器SSR上。这些坐标一般来说并不是整数，但这与传统像素着色器流水线中的像素着色器在进行超级采样时如何接收子像素屏幕位置相类似。屏幕空间重采样器SSR将映射的纹理像素喷涂在整数屏幕位置，这样将图元的图像提供到屏幕上。可以在像素片断合成器PFC中将来自屏幕空间重采样器SSR的像素片断合成。
将产生自像素着色处理的着色后色彩采样和它的屏幕坐标一起向前传给屏幕空间重采样器SSR。该屏幕空间重采样器SSR将这些色彩采样(一般位于非整数像素位置)重采样到显示所需的整数像素位置。
这里对屏幕空间重采样作更详细地描述。减少屏幕空间重采样中切变所引起的锯齿的方法是基于盒式滤波技术的一种近似，针对避免纹理像素的(盒式重建的)覆盖范围与像素的映射覆盖范围相重叠区域的计算。该处理过程近似仅使用中线上的1D计算：将1D模糊(低通)滤波器应用于纹理像素，该滤波器覆盖范围尺寸取决于局部切变因子(更多切变导致更多模糊)。可以从纹理空间光栅化引擎TS接收该切变因子。可以在第一遍(例如，水平)和第二遍(例如，垂直)中应用该模糊。
图4示出了图2右边的详细视图，但是是将盒式重建纹理像素的覆盖范围映射到输出空间。如果仅仅将纹理像素在中线ML(以双边箭头表示)上的1D覆盖范围映射到输出空间，将得到一条不连续的斜线，仅表示为所示分开的黑灰色正方形区域。如果将有切变的变换应用于垂直线纹理像素的2D重建覆盖范围，则获得由这些纹理像素的映射覆盖范围组成的、代表映射线的连续平行四边形20。将第一遍引起的切变表示为距离23。为了确定给定纹理像素的水平切变因子，光栅化引擎可以确定屏幕上中线以上半像素间隔的位置(在对先前行进行光栅化时计算该位置)和中线以下半像素间隔的位置。两个屏幕位置的水平距离23与水平切变因子相对应。通过观察与中线以左半像素间隔和中线以右半像素间隔的两个位置相对应的屏幕位置的垂直距离，可以确定垂直切变因子。如果映射仅仅基于中线上的1D滤波器覆盖范围，则距离22代表不相邻的映射滤波器覆盖范围之间的间隔。
图5示出了改进的纹理像素滤波器覆盖范围的表示。这里，实现了“拉伸纹理像素”的概念，该概念用1D滤波构建了纹理像素的映射切变2D覆盖范围的改进近似。根据局部切变因子将中线ML上纹理像素的1D覆盖范围进行拉伸。具体地，图5示出了四个纹理像素在中线上的四个1D覆盖范围A、B、C、D。拉伸该1D覆盖范围来产生四个拉伸的纹理像素30。拉伸的纹理像素与局部切变因子有相同的长度。另外，对重叠的拉伸纹理像素进行平均，以得到所期望的抗锯齿和模糊的纹理像素31，将该纹理像素向前传给屏幕空间重采样器。因此，重叠部分的平均31以及模糊纹理像素31得出了(A+B+C)/3、(B+C+D)/3以及(A+B+C+D)/4。
然而，需要有能容纳n个拉伸纹理像素的延迟单元来对n个拉伸纹理像素进行平均。n的最大值可以是8，这样使用了最多8个延迟元件。在这种情况下，可以将拉伸的纹理像素限制在8个纹理像素间隔的宽度内。但是，其它可替换的拉伸纹理像素宽度也是可能的。
图6表示收缩图5的覆盖范围。这里，将盒式低通重建滤波器用于拉伸的纹理像素，即，沿覆盖范围均匀分布。盒式拉伸纹理像素的覆盖范围并不直接适合于该覆盖范围的2D边界41，而覆盖范围40在两边收缩了半个映射纹理像素间隔，即产生的1D覆盖范围延伸在覆盖范围的切变中点MP之间。因此，将排除了区域a的贡献，但是这些区域a与被包括进来做出贡献的区域b相等。根据局部切变因子将中线ML上的1D覆盖范围42拉伸到1D覆盖范围41，最终的1D覆盖范围40收缩并延伸在2D覆盖范围的中点之间。
图7示出了用于2D覆盖范围的一种可替换滤波器的示意图。以线性权重来对拉伸的纹理像素50在两端进行加权。有了这样的加权滤波器，沿着拉伸纹理像素的1D覆盖范围可以获得2D覆盖范围贡献的更好近似。
作为上述盒式重建滤波器的替代，也可以将切变抗锯齿原理用于更宽(更高阶)重建滤波器。然而，对拉伸纹理像素取平均(这时用更高阶的滤波器沿着这些纹理像素的覆盖范围进行加权)将会变得更困难。
应注意到上面所提的实施例举例说明了本发明而不是限制本发明，本领域的技术人员可以设计出许多其它可替换的实施例，而不背离附加权利要求的范围。在权利要求中，不应将任何放在括号内的参考标记解释为对权利要求的限制。单词“包括”不排除出现权利要求规定之外的元素或步骤，元素之前的单词“一个”并不排除多个这种元素的出现。该设备权利要求中列举了几种装置，这些装置中的一些可以由一个相同硬件项来具体实现。在彼此不同的从属权利要求中叙述了某些措施的单纯事实并非表示不能够将这些措施结合起来有利使用。
此外，不应将权利要求中的任何参考标记理解为对权利要求范围的限制。
Claims (10)
1、计算机图形处理器，具有前向映射呈现器，包括：
-纹理空间光栅化引擎(TS)，用于对纹理空间中的图元进行光栅化，
-色彩生成单元(PS)，用于确定所述纹理空间光栅化引擎(TS)的输出的色彩，并将色彩采样连同坐标一起提供，
-两遍屏幕空间重采样器(SSR1、SSR2)，用于对所述色彩生成单元(PS)确定的色彩采样进行重采样，以及
-与所述屏幕空间重采样器(SSR1、SSR2)的至少一遍相关联的至少一个一维模糊滤波器单元(1PB、2PB)，用于在执行所述至少一遍之前执行一维模糊滤波；
其中，至少一个一维模糊滤波器单元(1PB、2PB)具有覆盖范围，该覆盖范围的尺寸取决于切变因子，
所述光栅化引擎(TS)适用于确定所述切变因子。
2、如权利要求1所述的计算机图形处理器，包括
第一和第二一维模糊滤波器单元(1PB、2PB)，其中，所述屏幕空间重采样器(SSR1、SSR2)包括第一遍和第二遍屏幕空间重采样器(SSR1、SSR2)，
其中，将所述第一一维模糊滤波器单元(1PB)设置在所述第一遍屏幕空间重采样器(SSR1)之前，并将所述第二一维模糊滤波器单元(2PB)设置在第二遍屏幕空间重采样器(SSR2)之前。
3、如权利要求1所述的计算机图形处理器，还包括：
延迟单元，用于存储多个色彩采样，以便对重叠的色彩采样进行平均，从而确定模糊色彩采样。
4、如权利要求2所述的计算机图形处理器，其中
所述第一和第二一维模糊滤波器单元(1PB、2PB)是盒式低通滤波器，其覆盖范围由所述切变因子确定。
5、如权利要求2所述的计算机图形处理器，其中
所述第一和第二一维模糊滤波器单元(1PB、2PB)是具有加权覆盖范围的低通滤波器。
6、基于前向映射呈现来呈现图像的方法，包括以下步骤：
-对纹理空间中的图元进行光栅化，
-确定所述光栅化步骤的输出的色彩，并将色彩采样连同坐标一起提供，
-对确定的所述色彩采样进行两遍屏幕空间重采样，以及
-在执行至少一遍重采样之前，执行至少一次一维模糊滤波；
其中，所述至少一次一维模糊滤波是基于一维模糊滤波器执行的，所述一维模糊滤波器具有尺寸取决于切变因子的覆盖范围，所述切变因子是在所述光栅化步骤中确定的。
7、如权利要求6所述的方法，包括以下步骤：
第一和第二一维模糊滤波，
其中，所述重采样步骤包括第一遍和第二遍屏幕空间重采样，
其中，在所述第一遍屏幕空间重采样之前执行所述第一一维模糊滤波，并且在第二遍屏幕空间重采样之前执行所述第二一维模糊滤波。
8、如权利要求6所述的方法，还包括以下步骤：
存储多个色彩采样，以便对重叠的色彩采样进行平均，从而确定模糊色彩采样。
9、如权利要求7所述的方法，其中
所述第一和第二一维模糊滤波是基于其覆盖范围由所述切变因子确定的盒式低通滤波器执行的。
10、如权利要求7所述的方法，其中
所述第一和第二一维模糊滤波是基于具有加权覆盖范围的低通滤波器执行的。
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