CN101006471B - 反向纹理映射三维图形系统 - Google Patents

Abstract

反向纹理映射三维图形处理器将三维模型(WO)映射到屏幕空间(SSP)上。纹理存储器(TM)存储纹理空间网格位置(u _g，v _g)的纹理像素亮度TI(u _g，v _g)。多个屏幕空间光栅化装置(SRASj)确定在所述三维模型(WO)的几何图形数据的采样时刻之间的相同的时态间隔(Tf)期间，在多个相应的不同显示时刻(tj)，不同的屏幕空间多边形(SGP)内的像素网格位置(x _gi，y _gi)。根据所述三维模型(WO)的运动信息，在所述屏幕空间(SSP)中所述屏幕空间多边形(SGP)具有不同的位置。多个相应映射器(MAPj)将在不同的显示时刻(tj)所述屏幕空间多边形(SGP)的所述像素网格位置(x _gi，y _gi)映射到纹理空间位置(uj，vj)。纹理空间重新取样器(TSR)根据保存在纹理存储器(TM)中的纹理空间网格位置(u _g，v _g)的纹理像素网格亮度(TI(u _g，v _g))，确定在纹理空间位置(uj，vj)的纹理像素亮度(PI(uj，vj))。纹理高速缓存(TC)为每个纹理空间多边形(TGP)暂时存储，在所述时态间隔(Tf)期间用于与相同的纹理空间多边形(TGP)有关的所有屏幕空间多边形(SGP)，纹理空间重新取样器(TSR)所需要的所述纹理像素亮度TI(u _g，v _g)。多个相应像素阴影装置(PSj)在所述不同的显示时刻(tj)，根据纹理像素亮度(PI(uj，vj))确定像素亮度(PSI(x _gj，y _gj))。

Description

反向纹理映射三维图形系统

技术领域

本发明涉及一种反向纹理映射三维图形处理器、包括三维图形处理器的图形适配器、包括三维图形处理器的计算机、包括三维图形处理器的显示器设备、和反向纹理映射的一种方法。

背景技术

根据图1、2和3详细地说明已知的反向纹理映射(也被称为ITM)。这样一个ITM系统能够产生数据，以便根据有效数量的例如存储器带宽和计算能力之类的资源和三维场景复杂度以特定的显示帧频在显示屏上显示。更高的显示帧频要求更高的资源量而且完善的ITM处理必须适于能够提供这个更高的显示帧频。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种ITM系统，该系统能提供帧频向上转换而不必增加到纹理存储器的数据带宽。

本发明的第一个方面提供一种反向纹理映射三维图形处理器，用于映射三维模型到屏幕空间上，所述图形处理器包括：

纹理存储器，用于存储纹理空间网格位置的纹理像素亮度，

多个屏幕空间光栅化装置，用于确定在所述三维模型的几何图形数据的采样时刻之间的相同时态间隔期间，在多个相应的不同显示时刻，不同的屏幕空间多边形内部的像素网格位置，其中根据所述三维模型的运动信息，在所述屏幕空间中所述屏幕空间多边形具有不同的位置，

多个相应映射器，用于将不同的显示时刻的所述屏幕空间多边形的所述像素网格位置映射到纹理空间位置，

纹理空间重新取样器，用于根据保存在纹理存储器中的纹理空间网格位置的纹理像素亮度确定在通过映射像素网格位置获得的纹理空间位置处的纹理像素亮度，

纹理高速缓存，用于为每个纹理空间多边形暂时存储，在所述时态间隔期间用于与相同的纹理空间多边形有关的所有屏幕空间多边形，纹理空间重新取样器所需要的所述纹理像素亮度，由此在存在多个显示时刻的时态间隔期间，保存在纹理高速缓存中的纹理像素亮度能够被用于与所述相同纹理空间多边形相关的所有屏幕空间多边形，由此纹理像素亮度仅需要每一时态间隔从存储器提取一次而不需要在每个显示时刻取得，以及

多个相应像素阴影装置，用于在所述不同的显示时刻，根据在通过映射像素网格位置获得的纹理空间位置处的纹理像素亮度确定像素亮度。

本发明的第二个方面提供包括如上所述的反向纹理映射三维图形处理器的图形适配器。本发明的第三个方面提供包括如上所述的反向纹理映射三维图形处理器的计算机。本发明的第四个方面提供包括如上所述的反向纹理映射三维图形处理器的显示设备。

本发明的第五个方面提供一种反向纹理映射方法，用于映射三维模型到屏幕空间上，所述方法包括：

存储纹理空间网格位置的纹理像素亮度，

确定在所述三维模型的几何图形数据的采样时刻之间的相同时态间隔期间，在多个相应的不同显示时刻，不同的屏幕空间多边形内部的像素网格位置，其中根据所述三维模型的运动信息，在所述屏幕空间中所述屏幕空间多边形具有不同的位置，

将在不同的显示时刻所述屏幕空间多边形的所述像素网格位置映射到纹理空间位置，

根据保存在纹理存储器中的纹理空间网格位置的纹理像素亮度，确定在通过映射像素网格位置获得的纹理空间位置处的纹理像素亮度，

为每个纹理空间多边形暂时存储，在所述时态间隔期间用于与相同的纹理空间多边形有关的所有屏幕空间多边形，纹理空间重新取样器所需要的所述纹理像素亮度，由此在存在多个显示时刻的时态间隔期间，已经暂时保存的纹理像素亮度能够被用于与所述相同纹理空间多边形相关的所有屏幕空间多边形，由此纹理像素亮度仅需要每一时态间隔从存储步骤提取一次而不需要在每个显示时刻取得，以及

在所述不同的显示时刻，根据在通过映射像素网格位置获得的纹理空间位置处的纹理像素亮度确定像素亮度。根据第一个方面的所述反向纹理映射三维图形处理器将三维模型映射到屏幕空间上。所述图形处理器包括用于存储纹理空间网格位置的纹理像素亮度的纹理存储器。在三维模型的几何图形数据的采样时刻之间的相同时态间隔Tf期间多个相应的不同显示时刻，多个屏幕空间光栅化装置确定不同屏幕空间多边形内部的像素网格位置。在屏幕空间中的所述像素网格位置被认为是定位在网格上，与这些像素网格位置相关的所述像素亮度将保存在帧缓冲存储器中而且被用来显示所述图像。这些不同的时刻被称为是显示时刻，因为在这些时刻所述三维模型的屏幕空间投影被渲染用来进行显示。显示时刻和采样时刻之间的的数目比是帧频向上转换的倍率。在这些不同的显示时刻，与三维模型的相同多边形相关联的所述屏幕空间多边形在所述屏幕空间中具有不同的位置，其取决于与相继位置(也称作视点位置)相关的三维模型运动信息。

多个相应映射器将在不同的时刻屏幕空间多边形的所述像素网格位置映射到通常不与纹理像素网格位置重合的纹理空间位置，在所述纹理像素网格位置上存储纹理像素亮度。根据保存在纹理存储器或纹理高速缓存中的纹理空间网格位置的纹理像素网格亮度，纹理空间重新取样器确定在被映射的屏幕空间位置的纹理像素亮度。对于每个纹理空间多边形，纹理高速缓存暂时存储，在时态间隔期间用于与相同的纹理空间多边形相关的所有屏幕空间多边形，纹理空间重新取样器所需要的纹理像素亮度。如果多边形内部的纹理不能装入纹理高速缓存，就要使用将多边形分成更小部分(例如块)的策略。可选择地根据从纹理空间重新取样器接收的纹理像素亮度以及可选择地基于诸如众所周知的Gouraud阴影公式，在所述不同的显示时刻，多个相应像素阴影装置确定像素亮度。

因此，在发生多个渲染的相同时态间隔期间，保存在纹理高速缓存中的相同纹理样品能被用于所有的相关屏幕空间多边形。因此，纹理需要每一时态间隔从纹理存储器提取一次而不需要为每个显示时刻进行提取。由此，纹理高速缓存和纹理存储器之间的数据速率不取决于帧频向上转换的倍率。这是一个重要的改进，因为到纹理存储器的数据速率受纹理存储器的速度和到纹理存储器的总线上的数据速率的限制。如果纹理存储器处于单独的芯片上这尤其是适当的。

在一个实施例中，所述运动信息包括运动数据其可用于在时态间隔内确定屏幕空间中多边形的运动路径。多边形的顶点和到纹理空间的像素映射可以由此运动路径确定。必须注意多边形的顶点可以具有不同的运动路径。因此，多边形的运动路径通过多边形的每一顶点的运动路径来确定。

在另一个实施例中，运动信息是一位移矢量其表示在两个采样时刻之间屏幕空间中多边形顶点的位移。在一个特定渲染时刻的位移可以通过对由位移矢量定义的位移进行(线性)插值来确定。

在另一个实施例中，所述运动数据以两个模型/视图矩阵的形式被使用，一个用于当前的采样时刻而一个用于前一采样时刻。利用这两个矩阵，可以确定在屏幕空间中的运动矢量。此外，对于两个连续的采样时刻之间不同的渲染时刻，映射器的映射函数的参数由此信息确定。这是获得视点或自然空间中的位移向量的一个实用而且有效的方法。为了确定视点空间位移矢量，前一帧的顶点(或更通用的：时态间隔)可以从当前帧的顶点中减去。因此，三维系统计算当前帧时刻(或更通用的：当前采样时刻)和前一帧时刻两者的视点空间矢量的坐标。在普通模型视图矩阵之后，三维应用程序需要为前一帧时刻发送附加的模型视图矩阵。应用程序可以缓冲模型视图矩阵来有效的重新发送它们。三维系统的几何图形转换单元应用两个模型视图矩阵来转换每一顶点为视点空间中的“当前”和“前一”位置。

在另一个实施例中，通过三维应用程序提供运动信息。可替换地，虽然更复杂，ITM三维图形处理器可以通过使当前采样时刻和前一采样时刻的几何图形的顶点相关联来确定运动信息。

在另一个实施例中，ITM处理器包括多个帧缓冲器用于存储在屏栅位置确定的亮度。每一帧缓冲器存储一个特定显示时刻的渲染图像。因此，通过在单个时态间隔期间顺序地读出并且显示所有帧缓冲器，获得帧频向上转换。

在另一个实施例中，对于一个特定三维模型(WO)没有纹理图被保存在纹理高速缓存(TC)中而且像素阴影装置(PSj)被配置来在非纹理数据基础上执行像素阴影化。在如同要求8中要求的实施例中，ITM处理器控制映射器对非运动物体执行到帧缓冲器的相同映射。实际上仅仅一个映射器需要映射并且以这种方法获得的输出被复制到所有帧缓冲器。

根据参考在下文中描述的实施例，本发明的这些及其他方面是显而易见的，而且将进行说明。

附图说明

在附图中：

图1说明在显示屏上显示三维物体，

图2说明现有技术的反向纹理映射三维图形系统的方框图，

图3A和3B说明反向纹理映射系统的操作，

图4说明根据本发明实施例所述反向纹理映射三维图形系统的方框图，

图5A和5B说明图4中所示反向纹理映射系统的实施例的操作，

图6说明包括所述反向纹理映射系统的计算机，以及

图7说明包括所述反向纹理映射系统的显示器设备。

具体实施方式

图1说明在显示屏DS上自然空间中三维物体WO的显示。代替自然空间所述对象还可以用于其他的三维空间例如模型或者视点空间中，在下文中所有这些空间称为自然空间。物体WO，可以是所示的例如立方体的三维物体，被投射到二维显示屏DS上。表面结构或者纹理定义所述三维物体WO的外观。在图1中多边形A具有纹理TA且多边形B具有纹理TB。用更常用的专业术语所述多边形A和B也被称为图形基元。

物体WO到显示屏DS上的投影是通过在自然空间内部定义一视点或者摄像位置ECP获得的。图1说明投射到屏幕DS上的多边形SGP是如何从相应多边形A获得的。通过在屏幕空间SSP中多边形SGP的顶点坐标定义屏幕空间SSP中的多边形SGP。被用来确定多边形SGP的几何形状的仅仅是多边形A几何形状的投影。通常，知道多边形A和投影的顶点足以确定多边形SGP的顶点。

多边形A的纹理TA不直接从现实世界投影到屏幕空间SSP上。现实世界物体WO的不同纹理保存在纹理图存储器TM(参见图2)或者坐标u和v定义的纹理空间TSP中。例如，图1说明在TA表示的区域中多边形A具有在纹理空间TSP中有效的纹理TA，而在TB表示的区域中多边形B具有在纹理空间TSP中有效的另一个纹理TB。多边形A被投射到纹理空间TA上来获得多边形TGP以便当多边形TGP内部存在的纹理被投射到多边形A时获得或者至少尽可能类似现实世界物体WO的纹理。纹理空间TSP和屏幕空间SSP之间的透视转换PPT将多边形TGP的纹理投影到相应多边形SGP上。这个处理也被称为纹理映射。通常，纹理不都存在于全部的纹理空间，但是每一纹理定义它自己的纹理空间TSP。

必须注意对于纹理空间TSP中的多个离散位置，纹理空间TSP中的纹理被保存在纹理存储器TM中。通常这些离散的位置是通过整数值u和v确定的纹理空间TSP中的网格位置。这些离散的网格位置更进一步地被称为网格纹理位置或者网格纹理坐标。不被限制在网格位置的纹理空间中的位置被称为纹理空间TSP中的位置或者u，v空间TSP中的位置。u，v空间中的位置可以由浮点数表示。以同样的方法，要被显示的图像被保存在帧缓冲存储器中。同样，仅仅x，y空间或者屏幕空间SSP中的多个离散位置有效。通常，在通过整数值x和y确定的屏幕空间SSP中这些离散位置是网格位置。这些离散的网格位置被称为栅屏位置或者栅屏坐标。不被限制在网格位置的x，y空间中的位置被称为x，y空间中的位置或者屏幕空间SSP中的位置。x，y空间中的这些位置可以由浮点数表示。

在观在的下文中，术语图形基元表明在自然空间中的多边形(例如多边形A)，或者屏幕空间SSP中的多边形SGP，或者纹理空间TSP中的多边形TGP。根据上下文可以清楚图形基元的意思。

图2说明现有技术的反向纹理映射三维图形系统的方框图。顶点转换和发光单元VER，更进一步地也被称为顶点T&L单元，转换自然空间中的多边形A；B的顶点坐标到屏幕空间SSP来获得屏幕空间多边形SGP的顶点的屏幕空间坐标x_v1，y_v1到x_v3，y_v3。顶点T&L单元更进一步地执行光计算来确定每一顶点的亮度(也称为颜色)。如果纹理TA，TB被用于屏幕空间多边形SGP，顶点T&L单元从应用中接收纹理空间坐标u_v1，v_v1到u_v3，v_v3。顶点T&L单元分别提供屏幕空间多边形SGP和纹理空间多边形TGP的顶点的屏幕空间坐标x_v，y_v(图3A中的x_v1，y_v1；x_v2，y_v2；x_v3，y_v3)和纹理空间坐标u_v，v_v(在图3B中的u_v1，v_v1；u_v2，v_v2；u_v3，v_v3)，以便在屏幕空间SSP和纹理空间TSP中它们的位置分别是已知的。通常，顶点的位置不会分别与屏幕空间网格位置或者纹理空间网格位置重合。

屏幕空间光栅化装置SRAS确定像素的网格位置x_g，y_g，所述像素位于通过它的顶点的屏幕空间坐标x_v，y_v确定的屏幕空间多边形SGP的内部。在图3A中所示的示例中，屏幕空间多边形SGP内部的这些屏幕空间网格位置x_g，y_g通过十字形记号表示。所述光栅化装置SRAS可以包括所谓的光栅化装置设置，其根据顶点属性的插值初始化光栅化装置SRAS对有效处理所需要的暂存的变量。

映射器MAP将屏幕空间网格位置x_g，y_g映射到纹理空间TSP中的相应纹理空间位置u，v，参见图3。通常，这些纹理像素位置u，v不会与纹理空间网格位置u_g，v_g重合。

像素阴影装置PS确定具有屏幕空间坐标x_g，y_g的像素的亮度PS I(x_g，y_g)(也被称为颜色)，并由此确定纹理空间坐标u，v。像素阴影装置PS接收每一像素的一组属性ATR，像素的栅屏坐标x_g，y_g和相应纹理坐标u，v。经由纹理空间重新取样器TSR，纹理坐标u，v被用来寻址保存在纹理存储器TM中的网格纹理位置u_g，v_g上的纹理数据TI(u_g，v_g)。像素阴影装置PS可以修改纹理坐标数据u，v而且可以应用并组合在相同像素上的多个纹理图。同时可以不使用纹理数据而是在例如众所周知的Gouraud和Phong阴影方法的一公式基础上执行明暗处理。

所述纹理空间重新取样器TSR确定与像素的亮度PSI(x_g，y_g)相关联的亮度PI(u，v)，其中所述像素位于被映射到纹理像素网格位置(u_g，v_g)中间的纹理空间座标(u，v)的屏幕空间网格位置(x_g，y_g)。与纹理空间网格位置u_g，v_g相应的纹理数据TI(u_g，v_g)是通过TI(u_g，v_g)表示的。纹理空间网格位置u_g，v_g的纹理像素亮度TI(u_g，v_g)被保存在纹理存储器TM中。通过过滤以及累加具有纹理空间网格坐标u_g，v_g而且必须有助于亮度PI(u，v)的纹理像素的纹理像素亮度TI(u_g，u_v)，纹理空间重新取样器TSR确定亮度PI(u，v)。因此，通过过滤在纹理空间位置u，v周围的纹理空间网格位置u_g，v_g上的纹理像素亮度，纹理空间重新取样器TSR确定纹理空间位置u，v上的亮度PI(u，v)。例如，利用纹理空间位置u，v周围的4个纹理空间网格位置u_g，v_g(在图3B中1到4表示的)的双线性插值可以被使用。像素阴影装置PS使用位置u，v的结果亮度PI(u，v)来确定在像素网格位置x_g，y_g上的像素亮度PSI(x_g，y_g)。

隐藏面消除单元HSR，通常包括能够在每一像素基础上确定可见颜色的Z-缓冲器。产生的像素值PSI(x_g，y_g)的深度值z对照保存在Z-缓冲器中同样像素屏幕坐标x_g，y_g上(如此在屏栅上的)的像素值的深度值进行测试。根据测试结果，像素亮度或颜色PIP(x_g，y_g)被写入帧缓冲器FB而且Z-缓冲器被更新。要显示的图像IM从帧缓冲器FB中读取出来。

必须注意通常纹理高速缓存处于纹理空间重新取样器TSR和纹理存储器TM之间。通常，应用程序成组地提供多边形来最小化纹理状态转换。多边形组的每一个与一个相同的纹理有关。被用于特定组多边形的纹理被整体或部分地存储在纹理高速缓存中而且所述纹理数据可以通过来自相同组的连续多边形从纹理高速缓存中取得。随着开始下一组多边形，另一个纹理整个或部分地被存入纹理高速缓存。在处理多边形组期间，因为所有或几乎所有的纹理信息存在于纹理高速缓存中所述纹理存储器TM提取被最小化。

图3A和3B说明反向纹理映射系统的操作。图3A说明屏幕空间SSP中的屏幕空间多边形SGP。多边形SGP的顶点是通过屏幕空间位置x_v1，y_v1；x_v2，y_v2；x_v3，y_v3)表示的，其通常与屏幕空间网格空间位置x_g，y_g不重合。屏幕空间网格位置x_g，y_g是具有x和y整数值的位置。要显示的图像通过位于屏幕空间网格位置x_g，y_g上的像素的亮度(颜色和灰度)PIP(x_g，y_g)确定。光栅化装置SRAS确定多边形SGP内部的屏幕空间网格位置x_g，y_g。这些屏幕空间网格位置x_g，y_g用十字形记号表示而且也被称为像素位置。

图3B说明纹理空间TSP中的纹理空间多边形TGP。纹理空间多边形TGP的顶点通过纹理空间位置(u_v1，v_v1；u_v2，v_v2；u_v3，v_v3)来表示，其通常不与纹理空间网格位置u_g，v_g重合。纹理空间网格位置u_g，v_g是具有u和v的整数值的位置。纹理像素TI(u_g，v_g)的亮度被保存在纹理存储器TM中用于这些纹理空间网格位置u_g，v_g。以同样纹理的不同的分辨率存储多个纹理图。使用这些不同的分辨率纹理的已知方法被称作MIP-映射。多边形TGP内部的纹理空间网格位置u_g，v_g是通过点在图3B中表示的。映射器MAP将屏幕空间网格坐标x_g，y_g映射到纹理空间中的相应纹理空间位置u，v。纹理空间位置u，v的亮度通过过滤确定。例如，以纹理空间网格位置u_g，v_g周围的亮度的加权和确定处于纹理空间位置u，v的亮度，其是或有助于处于屏幕空间网格位置x_g，y_g的像素的亮度。例如，确定通过1，2，3和4表示的在纹理空间网格位置u_g，v_g的纹理像素亮度TI(u_g，v_g)的加权和。

图4说明根据本发明实施例反向纹理映射三维图形系统的一方框图。图4所示I TM的基本结构与图2所示已知ITM相同。区别在于代替图2的单管线，存在由转换和发光模块VERj，光栅化装置SRASj，映射器MAPj，像素阴影装置PSj，隐藏面消除单元HSRj，和帧缓冲器FBj形成的多个管线。下标j表示从图2已知的项是第j项，其中1≤j≤n。由此，如果n＝4，那么所有具有下标j的项都存在4次而且每一个都通过1到4的下标j之一表示。图4的所有项用和图2中的相应项一样的方法操作。在实际的实施例中，所述项可以是出现多次的硬件，可以是以时分多路复用模式使用的相同硬件，或可实现的这两个可能情况的组合。在j个不同的渲染时刻tj，图2中现在处理的计数出现j次。

如此，根据本发明，具有相同纹理的相同纹理空间多边形TSP被用于不同的显示时刻。如此，如果这一纹理被保存在纹理高速缓存TC中，对于所有不同的显示时刻，所述纹理必须仅仅从纹理存储器TM恢复一次。必须注意使用平行管线是已知的。但是，这些已知的平行管线被用来获得更高的性能(每秒处理更多多边形和像素)。在纹理高速缓存TC中这些已知的系统不存储具有相同纹理的相同纹理空间多边形TSP，以便可以在不同的显示时刻使用来减少纹理存储器TM的数据传输量。

如参考图2讨论的，根据现有技术ITM系统的纹理高速缓存TC，在不同的显示时刻也存储一特定纹理但是这一纹理用于需要相同纹理的多边形组中的不同的多边形而不用于相同的多边形。

此外，图4所示信号(数据)和图2中的相同，仅有的区别在于下标j被添加来表示信号取决于渲染时刻tj。将要参考图5来说明图4所示ITM系统的操作。

图5A和5B说明如图4所示反向纹理映射系统的实施例的操作。图5A说明在渲染时刻t1的屏幕空间多边形SGP1，和在渲染时刻tn的屏幕空间多边形TGPn。为了清楚，在其他的渲染时刻tj其他的多边形(如果存在的话(如果n＞2，j≤1≤n))就不显示。图5B和图3B相同。

图5A说明屏幕空间多边形SGP1和SGPn，两者根据来自自然空间WO的相同源多边形映射，沿着运动路径根据相关的渲染时刻t1，tn，仅仅使用不同的映射。显示时刻t1-tn也被总体称为tj，屏幕空间多边形SGP1-SGPn也被一起称为屏幕空间多边形SGPj。在几何图形数据的两个连续的采样时刻ts，屏幕空间多边形SGPj的位置取决于，由应用程序提供的运动数据或者取决于从屏幕空间多边形SGPj的位置决定的运动数据。三维应用可以是三维游戏，VRML浏览器，三维用户接口，MPEG4可视渲染器，可视电话或任何其他的三维应用。虽然在图5中屏幕空间多边形SGPn是屏幕空间多边形SGP1的转化版本，除了跨直线的其他运动也是可能的。屏幕空间多边形SGP1的顶点是通过屏幕空间位置x_v11，y_v11；x_v12，y_v12；x_v13，y_v13表示的，其通常与屏幕空间网格空间位置x_g，y_g不重合。屏幕空间多边形SGPn的顶点是通过屏幕空间位置x_vn1，y_vn1；x_vn2，y_vn2；x_vn3，y_vn3表示的。

纹理空间多边形TGP的顶点u_v1，v_v1到u_v3，v_v3通过三维应用提供而且在时间上保持相同(或至少在时间上的特定周期期间)。在屏幕空间SSP中必须适用于移动投影(由不同的屏幕空间多边形SGPj定义的)的是相同的纹理。映射到屏幕空间SSP中的移动三维模型和透视图确定屏幕空间多边形SGPj的顶点。必须注意下标j被用来表示与多个n屏幕空间多边形SGP1到SGPn相关的项。

要显示的图像IM通过位于屏幕空间网格位置x_gj，y_gj上的像素的亮度PIP(x_gj，y_gj)确定。例如，如果n＝4，图像IM的显示比率(也称为帧频)就通过比三维应用提供的输入数据的采样速率高4倍。或不同地说，在一个时态间隔Tf中，存在4个显示时刻tj(t1-t4)，在屏幕空间SSP中的屏幕空间多边形SGPj的4个位置是相关的。时态间隔Tf是在通过三维应用程序提供的几何图形数据的两个连续的采样时刻之间的一段时间。在现有技术系统中经常在两个显示的渲染图像(帧)之间的时态间隔被称为帧周期而且等于输入信号(通过三维应用传送的几何图形的采样)的采样周期。然而，在根据本发明的系统中输出信号的帧周期是通过在时态间隔Tf或输入信号的采样周期内发生的显示时刻tj的数目确定的。几何图形的数据包括纹理空间多边形TGP的顶点，从三维空间透视映射到屏幕空间SSP所定义的数据，和运动数据。优选地，提供运动数据，其表示在时态间隔Tf内屏幕空间多边形SGPj顶点的运动路径。运动数据可用于获得运动路径，其可以用表示从前一采样时刻到当前采样时刻的多边形顶点位移的位移矢量来描述。多边形顶点的位移矢量可以在方向和尺寸上不同。例如三角形多边形可以绕它的一个顶点旋转(所以其顶点的位移大小是零)，于是其他两个顶点的位移矢量(如果它们不在彼此内部)在方向上就不同(如果两个顶点到第一个顶点的距离不同的话，在长度上也不同)。然而，除了位移矢量，运动数据可以是所述运动路径更先进的描述，诸如，例如，用二次曲线、组合曲线、贝塞尔曲线、B样条曲线，或有理多项式描述的曲线。在弯曲运动路径的情况下，在几何图形数据的两个以上连续采样时刻ts，根据屏幕空间多边形SGPj的位置决定的运动数据可以被使用。优选地，应用程序应该提供运动数据和几何图形数据。然而，在特别的情况下，在不同采样时刻根据几何图形数据测定运动数据也是可能的。顶点转换和发光单元VER被分成用VERj表示的多个单元。每一单元VERj将自然空间顶点坐标转换为多边形SGPj的顶点的屏幕空间坐标而且凭借在显示时刻tj的发光状态和顶点位置计算顶点颜色。

在每个渲染时刻tj，光栅化装置SRASj确定多边形SGPj内部的屏幕空间网格位置x_gj，y_gj。如此，在渲染时刻t1，光栅化装置SRAS1确定多边形SGP1内的屏幕空间网格位置x_g1，y_g1。屏幕空间多边形SGPj内部的这些屏幕空间网格位置x_gj，y_gj用十字形记号表示而且也被称为像素位置。

映射器MAPj将屏幕空间多边形SGPj内部的屏幕空间网格位置x_gj，y_gj映射到通常与纹理空间网格坐标u_g，v_g不重合的纹理空间坐标uj，vj，对于纹理空间网格坐标u_g，v_g，其亮度TI(u_g，v_g)被保存在纹理存储器TM中。纹理空间网格位置u_g，v_g是具有u和v的整数值的位置。因为相同纹理空间多边形TGP需要提供纹理给不同的屏幕空间多边形SGPj，映射器MAPj总是将不同的屏幕空间多边形SGPj内部的屏幕空间网格位置x_gj，y_gj映射到相同纹理空间多边形TGP内部的纹理空间坐标uj，vj。

每一个像素阴影装置PSj接收每一像素的一组属性ATR，像素的栅屏坐标x_gj，y_gj和相应纹理坐标uj，vj。经由纹理空间重新取样器TSR和纹理高速缓存TC，纹理坐标uj，vj被用来寻址保存在纹理存储器TM中的网格纹理位置u_g，v_g上的纹理数据TI(u_g，v_g)。像素阴影装置PSj可以修改纹理坐标数据uj，vj而且可以应用并组合相同像素上的多个纹理图。基于诸如众所周知的Gouraud和Phong阴影方法的公式，它们也可以执行明暗处理而不必使用纹理数据。

所述纹理空间重新取样器TSR确定与像素的亮度PSI(x_gj，y_gj)有关的亮度PI(u_j，v_j)，所述像素位于映射到纹理像素网格位置(u_g，v_g)中间的纹理空间座标(u_j，v_j)的屏幕空间网格位置(x_gj，y_gj)上。纹理空间网格位置u_g，v_g的纹理像素亮度TI(u_g，v_g)被保存在纹理存储器TM中。通过过滤以及累加具有纹理空间网格坐标u_g，v_g而且必须有助于亮度PI(uj，vj)的纹理像素的纹理像素亮度TI(u_g，u_v)，纹理空间重新取样器TSR确定每个亮度PI(uj，vj)。因此，通过过滤在纹理空间位置uj，vj周围的纹理空间网格位置u_g，v_g上的纹理像素亮度，纹理空间重新取样器TSR确定纹理空间位置uj，vj上的亮度PI(uj，vj)。例如，利用纹理空间位置uj，vj周围的4个纹理空间网格位置u_g，v_g(在图5B中1到4表示的)的双线性插值可以被使用。在位置uj，vj的最终亮度PI(uj，vj)被像素阴影装置PS使用以便确定在像素网格位置x_gj，y_gj上的像素亮度PSI(x_gj，y_gj)。

纹理高速缓存TC暂时存储确定由映射器MAPj映射的纹理空间座标(uj，vj)的所有亮度PI(uj，vj)所需要的纹理像素亮度TI(u_g，v_g)。像素阴影装置PSj确定亮度PI(uj，vj)对像素亮度PSI(x_gj，y_gj)的贡献。如此，与如果当前多边形的所有纹理像素亮度TI(u_g，v_g)都被装入纹理高速缓存TC中，仅仅渲染单个屏幕空间多边形SGP相比，如果在所有显示时刻tj，为相同纹理空间多边形TGP，然后依次为每一个屏幕空间多边形SGP，确定对像素亮度PSI(x_gj，y_gj)的所有这些贡献，纹理高速缓存TC和纹理存储器TM之间的数据传输量不会增加。如果应用在屏幕空间多边形SGP上的所有纹理像素不能装入纹理高速缓存TC内，多边形SGP可以被细分成更小的部分(例如块或其他的多边形)以便这种部分的纹理像素完全地装入纹理高速缓存TC。尽管如此，与渲染时刻tj的数目无关，在每个时态间隔Tf中对于每个纹理空间多边形TGP仅仅需要一个从纹理存储器TM的相关数据提取。纹理高速缓存TC和纹理空间重新取样器TSR之间的数据带宽以等于渲染时刻tj的数目的倍率增加并由此以帧频向上转换的倍率增加。因此，如果外部纹理存储器TM经由总线连接ITM系统的其余部分，在这个总线上的数据速率就不取决于帧频向上转换的倍率。这与现有技术ITM系统相反，现有技术ITM系统不具有纹理高速缓存TC而且对所有渲染时刻tj的每一个，没有一个接一个地处理纹理空间多边形TGP。

所述隐藏面消除单元HSRj，通常包括Z-缓冲器，其能够在每一像素基础上确定可见颜色。通常，Z-缓冲器具有帧或区块的尺寸大小。如果是基于区块的渲染，区块的尺寸是相对小的而且甚至可以制造得比在目前的帧频向上转换方法中使用的最理想的尺寸更小。对照保存在属于帧缓冲器FBj的Z-缓冲器中相同像素屏幕坐标x_gj，y_gj上(如此属于屏栅上的)的像素值的深度值，所产生的像素值PSI(x_gj，y_gj)的深度值z被测试。根据测试结果，像素亮度或颜色PIP(x_gj，y_gj)被写入帧缓冲器FBj而且属于FBj的Z-缓冲器被更新。从帧缓冲器FBj中读取要被显示的图像IM。

纹理像素TI(u_g，v_g)的亮度被保存在用于纹理空间网格位置u_g，v_g的纹理存储器TM中。以同样纹理的不同的分辨率存储多个纹理图。使用这些不同分辨率的纹理的已知的方法被称作MIP-映射。纹理空间多边形TGP内部的纹理空间网格位置u_g，v_g在图5B中通过点表示。在纹理空间TSP中映射器MAPj将屏幕空间网格坐标x_gj，y_gj映射到相应纹理空间位置uj，vj上。纹理空间位置uj，vj上的亮度PI(uj，vj)通过过滤确定。例如，在纹理空间位置uj，vj上的亮度PI(uj，vj)被确定作为纹理空间网格位置u_g，v_g周围的亮度的加权和，所述亮度PI(uj，vj)或是有助于屏幕空间网格位置x_gj，y_gj上的像素的亮度PSI(x_gj，y_gj)。例如，确定在通过1，2，3和4表示的纹理空间网格位置u_g，v_g上的纹理像素亮度TI(u_g，v_g)的加权和。

图6说明包括反向纹理映射系统的计算机。计算机PC包括处理器3，图形适配器2和存储器4。处理器3被适当地编程来提供输入数据II给图形适配器2。处理器3和存储器4经由总线D1通信。图形适配器2包括ITM系统1。通常，图形适配器是一模块，其被插入到适当的槽中(例如一AGP槽)。通常，图形适配器包括它自己的存储器(例如纹理存储器TM和帧缓冲器FB)。但是图形适配器可以使用计算机PC的部分存储器4，现在图形适配器就需要和存储器4经由总线D2或经由处理器3和总线D1进行通信。经由标准接口图形适配器2为显示设备DA提供输出图象OI。显示设备可以是任何适当的显示器，诸如，例如阴极射线管，液晶显示器，或任何其他的矩阵显示器。

计算机PC和显示器DA不必是经由标准接口通信的独立装置，但是可被组合到单个设备中，诸如，例如，个人数字助理(PDA或小型PC)或任何其他的具有用于显示图象的显示器的移动装置。

图7说明包括反向纹理映射系统的显示设备。显示设备DA包括ITM管线1，其接收输入数据(几何图形和相关数据)II而且提供输出图象OI到信号处理电路11。信号处理电路11处理输出图象OI来获得用于显示器12的驱动信号DS。

最后，在一个优选实施例中，反向纹理映射三维图形处理器将三维模型WO映射到屏幕空间SSP上。纹理存储器TM存储纹理空间网格位置u_g，v_g的纹理像素亮度TI(u_g，v_g)。在三维模型WO的几何图形数据的采样时刻ts之间的相同时态间隔Tf期间多个相应的不同显示时刻tj，多个屏幕空间光栅化装置SRASj确定不同屏幕空间多边形SGPj内部的像素网格位置x_gj，y_gj。在屏幕空间SSP中屏幕空间多边形SGPj具有不同的位置，其取决于相对于照相机三维模型WO的运动信息。多个相应映射器MAPj将屏幕空间多边形SGP在不同的显示时刻tj的像素网格位置x_gj，y_gj映射到纹理空间位置uj，vj。根据保存在纹理存储器TM中的纹理空间网格位置u_g，v_g的纹理像素网格亮度TI(u_g，v_g)，纹理空间重新取样器TSR确定在纹理空间位置uj，vj的纹理像素亮度PI(uj，vj)。对于纹理空间多边形TGP，纹理高速缓存TC暂时存储，在时态间隔Tf期间用于与相同的纹理空间多边形TGP有关的所有屏幕空间多边形SGP，纹理空间重新取样器TSR所需要的纹理像素亮度TI(u_g，v_g)。在所述不同的显示时刻tj，多个相应像素阴影装置PSj根据纹理像素亮度PI(uj，vj)确定像素亮度PSI(x_gj，y_gj)。

应该注意到以上实施例说明本发明而不是限制本发明，而且在没有离开附加权利要求书范围情况下本领域技术人员将能设计出许多可替换的实施例。

在权利要求中，位于括号内的任何参考符号不应该认为是对所述权利要求的限定。动词“包括”和它的变化形式的使用不排除权利要求中所述之外的元件或步骤的存在。在元件前面的冠词“一”不排除存在多个这样的元件的情况。本发明可以通过包括多个清楚的元件的硬件，以及通过适当地编程计算机来实现。在装置权利要求中列举多个装置，部分这些装置可以实现为同一项硬件。在彼此不同的从属权利要求中叙述特定方法的情况并不表明这些方法的组合不能被有益地使用。

Claims (13)

1.一种反向纹理映射三维图形处理器，用于映射三维模型(WO)到屏幕空间(SSP)上，所述图形处理器包括：

纹理存储器(TM)，用于存储纹理空间网格位置(u_g，v_g)的纹理像素亮度TI(u_g，v_g)，

多个屏幕空间光栅化装置(SRASj)，用于确定在所述三维模型(WO)的几何图形数据的采样时刻之间的相同时态间隔(Tf)期间，在多个相应的不同显示时刻(tj)，不同的屏幕空间多边形(SGP)内部的像素网格位置(x_gj，y_gj)，其中根据所述三维模型(WO)的运动信息，在所述屏幕空间(SSP)中所述屏幕空间多边形(SGP)具有不同的位置，

多个相应映射器(MAPj)，用于将不同的显示时刻(tj)的所述屏幕空间多边形(SGP)的所述像素网格位置(x_gj，y_gj)映射到纹理空间位置(uj，vj)，

纹理空间重新取样器(TSR)，用于根据保存在纹理存储器(TM)中的纹理空间网格位置(u_g，v_g)的纹理像素亮度TI(u_g，v_g)确定在通过映射像素网格位置(x_gj，y_gj)获得的纹理空间位置(uj，vj)处的纹理像素亮度(PI(uj，vj))，

纹理高速缓存(TC)，用于为每个纹理空间多边形(TGP)暂时存储，在所述时态间隔(Tf)期间用于与相同的纹理空间多边形(TGP)有关的所有屏幕空间多边形(SGP)，纹理空间重新取样器(TSR)所需要的所述纹理像素亮度TI(u_g，v_g)，由此在存在多个显示时刻的时态间隔期间，保存在纹理高速缓存中的纹理像素亮度能够被用于与所述相同纹理空间多边形相关的所有屏幕空间多边形，由此纹理像素亮度仅需要每一时态间隔从存储器提取一次而不需要在每个显示时刻取得，以及

多个相应像素阴影装置(PSj)，用于在所述不同的显示时刻(tj)，根据在通过映射像素网格位置(x_gj，y_gj)获得的纹理空间位置(uj，vj)处的纹理像素亮度(PI(uj，vj))确定像素亮度(PSI(x_gj，y_gj))。

2.如权利要求1要求的反向纹理映射三维图形处理器，其中所述运动信息包括确定所述时态间隔(Tf)内部的运动路径的运动数据。

3.如权利要求1要求的反向纹理映射三维图形处理器，其中所述运动信息包括位移矢量，该矢量表示在前一采样时刻屏幕空间多边形(SGP)的顶点(x_v11，y_v11；x_v12，y_v12；x_v13，y_v13)以及在当前采样时刻屏幕空间多边形(SGP)的顶点(x_vn1，y_vn1；x_vn2，y_vn2；x_vn3，y_vn3)的位移。

4.如权利要求1要求的反向纹理映射三维图形处理器，其中所述运动数据包括两个模型/视图矩阵，一个用于当前采样时刻而一个用于前一采样时刻。

5.如权利要求1要求的反向纹理映射三维图形处理器，其中所述运动信息接收自三维应用。

6.如权利要求1要求的反向纹理映射三维图形处理器，进一步包括多个帧缓冲器(FBj)，用于存储在像素网格位置(x_gj，y_gj)确定的亮度(PIP(x_gj，y_gj))。

7.如权利要求1要求的反向纹理映射三维图形处理器，其中对于特定三维模型(WO)之一，没有纹理图被保存在所述纹理高速缓存(TC)中而且其中所述像素阴影装置(PSj)被配置用于在非纹理数据基础上执行像素阴影化。

8.如权利要求6要求的反向纹理映射三维图形处理器，其中所述映射器(MAPj)被配置用于对非运动物体执行到帧缓冲器(FBj)的相同映射。

9.如权利要求1要求的反向纹理映射三维图形处理器，更进一步包括装置，用于如果在所述屏幕空间多边形(SGP)上应用的所有纹理像素不能装入所述纹理高速缓存(TC)内，细分所述屏幕空间多边形(SGP)为更小的部分，以便每个更小部分的纹理像素完全地装入所述纹理高速缓存(TC)。

10.一种图形适配器，包括权利要求1的所述反向纹理映射三维图形处理器。

11.一种计算机，包括权利要求1的所述反向纹理映射三维图形处理器。

12.一种显示器设备，包括权利要求1的所述反向纹理映射三维图形处理器。

13.一种反向纹理映射的方法，用于映射三维模型(WO)到屏幕空间(SSP)上，所述方法包括：

存储(TM)纹理空间网格位置(u_g，v_g)的纹理像素亮度TI(u_g，v_g)，

确定(SRASj)在所述三维模型(WO)的几何图形数据的采样时刻之间的相同时态间隔(Tf)期间，在多个相应的不同显示时刻(tj)，不同的屏幕空间多边形(SGP)内部的像素网格位置(x_gj，y_gj)，其中根据所述三维模型(WO)的运动信息，在所述屏幕空间(SSP)中所述屏幕空间多边形(SGP)具有不同的位置，

将在不同的显示时刻(tj)所述屏幕空间多边形(SGP)的所述像素网格位置(x_gj，y_gj)映射(MAPj)到纹理空间位置(uj，vj)，

根据保存在纹理存储器(TM)中的纹理空间网格位置(u_g，v_g)的纹理像素亮度TI(u_g，v_g)，确定(TSR)在通过映射像素网格位置(x_gj，y_gj)获得的纹理空间位置(uj，vj)处的纹理像素亮度(PI(uj，vj))，

为每个纹理空间多边形(TGP)暂时存储(TC)，在所述时态间隔(Tf)期间用于与相同的纹理空间多边形(TGP)有关的所有屏幕空间多边形(SGP)，纹理空间重新取样器(TSR)所需要的所述纹理像素亮度TI(u_g，v_g)，由此在存在多个显示时刻的时态间隔期间，已经暂时保存的纹理像素亮度能够被用于与所述相同纹理空间多边形相关的所有屏幕空间多边形，由此纹理像素亮度仅需要每一时态间隔从存储步骤提取一次而不需要在每个显示时刻取得，以及

在所述不同的显示时刻(tj)，根据在通过映射像素网格位置(x_gj，y_gj)获得的纹理空间位置(uj，vj)处的纹理像素亮度(PI(uj，vj))确定(PSj)像素亮度(PSI(x_gj，y_gj))。

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