CN101359404A - 实时亮度相关的细分 - Google Patents

Abstract

本发明涉及对实时亮度相关的细分。在一个实施方式中，本发明包括一种方法，该方法接收对应于一场景的多个多边形的几何图形数据，为每个多边形计算亮度度量，以及如果该亮度度量大于阈值级别则将多边形细分为多个多边形。对其它实施方式也予以描述并主张权利。

Description

实时亮度相关的细分

发明背景

在现代图形处理中，一种提供更多细节的常用技术是将场景的每一个多边形细分为若干多边形以提高分辨率。典型的细分算法按每模型或者每场景为基础来工作以把整个模型细分到给定的细分级别。结果是太多细分处于甚至没有照亮的区域。一些系统使用静态层次细节(LOD)开关来改变与离照相机的距离相关的细分级别。离照相机较近的物体使用能将几何图形表现到所需质量水平的静态细节级别。然而，需要将大量的几何图形从诸如中央处理器(CPU)之类的处理器发送到图形处理器，例如图形处理单元(GPU)。当前的LOD技术例如使用3-5级的静态细节级别网格。然而，这并未将多边形置于他们最为重要的地方，并且这类算法没有考虑场景相关的属性，像物体是否被照亮、是否在另一物体后面等等。

附图简述

图1是根据本发明一个实施方式的方法的流程图。

图2是根据本发明一个实施方式产生的所得场景的图形表示。

图3是根据本发明一个实施方式的系统的框图。

详细描述

在各实施方式中，可以在图形流水线中执行与视点相关的细分。由此，各实施方式可以利用诸如几何着色器和流输出性能之类的硬件特性来实现细分。更具体地，各实施方式可以执行与逐场景帧相关的算法来允许最佳的带宽分配并且计算资源以便将几何图形放置在对视觉效果最为有利的场景。这与按每模型为基础上实现的细分内核相反。为了进一步减少带宽，各实施方式不再细分那些隐藏在其它几何图形后面、不面向屏幕的几何图形，以及在清晰阴影中的几何图形。在软性阴影、半透明性的区域或者在雾中，仍然可以执行细分，但细分成较低场景和上下文相关的分辨率。最终结果是将多边形置于它们最为重要的位置。各实施方式也可以利用有限带宽体系结构可能存在的事实(即，瓶颈是存储器层次而非执行资源)，因此可以用执行带宽进行交换以降低到图形存储器的存储器带宽。

尤其是，在最终图像中任何物体的视觉保真度与该物体获渲染的面数成比例。对表面的细分使得可以动态控制这一面数，而不需要增加存储器带宽需求。在虚拟世界里，有许多因素影响从物体反射并且到达观察者眼睛的光线数量(或者换句话说，光强)。这些光线及其它们携带的到达观察者眼睛的能量使得特定物体可以比其它物体更加清晰可见。如果从物体表面反射之后有更多能量到达观察者眼睛，则可预期该物体表面的那一部分更加清晰可见，因此需要更多的面来表现该物体表面的那一部分。在这种情况下，细分各表面可用于调整镶装(tessellation)。

在一些实施方式中，用于动态控制多边形细分的算法可以基于一组将真实性度量与多边形的多个面相联系的等式。具体地，可以根据下列等式1.1-1.4执行算法：

真实性＝F(到达观察者眼睛的能量)〔等式1.1〕

现实＝k×用来表示物体表面的面数〔等式1.2〕

其中k是常数，并且可以对应于任意数。

面数＝常数×细分度〔等式1.3〕

从等式1.1、1.2和1.3可以推导出：

细分度＝K×F(到达观察者眼睛的能量)，其中K＝1/(k^*常数)〔等式1.4〕

到达观察者眼睛的能量是许多参数的函数，在这些参数中，一些与场景相关，例如阴影、沿观察者视线的物体透明度和物体离观察者的距离等，还有一些独立于场景，像雾、环境光等等。

动态参数使得很难使用像层次细节(LOD)这样的在其中中程序员简单渲染或高或低分辨率模型的静态方法。像阴影这样的许多参数不仅在描绘之前未知，而且贯穿在场景始终都不是常数。换句话说，在阴影中的物体不像明亮照亮的物体传递那么多能量。像阴影这样的投在物体各部分上的事物，或者被半透明物体所部分遮蔽的物体使得将物体的某些部分用比其它部分更高分辨率的网格来渲染成为必要。

各实施方式可以很好地适用于这类关于细分度的动态决定。各实施方式可以在多边形级别颗粒度而非物体级别颗粒度上工作。因此在一个示例中，等式1.4对于一个给定的多边形可以表示为：

细分度＝G(阴影、半透明物体、雾、离观察者的距离、离点光源的距离)〔等式1.5〕

其中G是返回从0到“最大细分级别”的整数的函数。在一些实施方式中，这个最大值可以是4或者5。

用本发明的各实施方式来提供对表面的实时细分可以具有许多优点。例如，各实施方式可以提供低存储器带宽需求和低存储器占用量(footprint)。更进一步，可以按每三角形为基础来动态地作出细分决定，并且在渲染时产生的结果可用于控制该细分。由此，各实施方式可以以GPU为中心，完全利用下一代可编程图形硬件，并且使得可以为一个物体选择多级细分级别。

因此，可以产生渲染的网格，其中在较亮的区域有较多的多边形被渲染，而在阴影区域有较少的多边形被渲染。因此可以形成亮度相关的细分网格。与传统细分实现相比，只需渲染少得多的多边形来为一幅完整图像提供同一级别的分辨率。

现在参见图1，所示是根据本发明一个实施方式的方法的流程图。如图1所示，方法10可以在图形流水线中执行，例如在将多边形数据渲染到网格的期间，而且在一些实施方式中，方法10可以在几何着色器中执行。如图1所示，方法10可以通过获取三角形数据而开始(框20)。尽管关于图1所描述的是在三角形数据上执行，但应理解本发明的范围在这一方面不受限制，并且许多不同形状的多边形可以根据该实施方式被细分并渲染。例如，这种三角形数据可以从诸如CPU之类的主处理器处获得并且存储在图形存储器中。可以在例如图形流水线中接收的三角形数据可用于计算可见性度量(框30)。在一些实施方式中可见性度量可以根据上述等式1.1-1.5计算，但本发明的范围在这一方面不受限制。接下来，在菱形框40处可以确定为给定多边形计算的值是否大于阈值。在一些实施方式中该阈值可以是整数值，但本发明的范围在这一方面不受限制。

如果确定计算值不大于该阈值，则控制传递到框50，在其中可以将三角形数据输出到例如渲染引擎而不进一步细分。因此，可以执行各种处理步骤来渲染包括该给定三角形的网格。相反如果在菱形框40处确定计算值大于阈值，则控制传递到框60，在其中细分该三角形。在将每一个三角形的数据细分为例如两个三角形之后，控制可以传递回框20以进一步处理细分的三角形数据。尽管在图1的实施方式中示出了这一特定的实现，本发明的范围在这一方面不受限制。

因此，各种实施方式可以利用亮度相关性或者如下事实，即在透明物体后面的多边形会需要较低级别的细分以减少带宽，同时为高亮度区域提供足够的细分级别。另外，各实施方式可以考虑诸如雾之类的大气效应或者其它条件。

现在参见图2，所示是根据本发明一个实施方式渲染的物体100的图示。如图2所示，可以是场景中物体的物体100包括具有不同亮度的不同区域。具体地，如图2所示，物体100包括第一区域110，该区域具有最大数量的光线(即能量)反射到视点。因此，如图2所示，区域110具有大量多边形来表现对于区域110的多边形数据的多次细分。在图2中也示出了第二区域120，该区域具有较少数量的光线提供给观察者眼睛。因此，在区域120中执行较少数量的细分。更进一步，第三区域130具有最少量的能量到达观察者的眼睛。因此，在区域130可以执行最小量的细分。尽管在图2的实施方式中示出了这一特定的实现，但本发明的范围在这一方面不受限制。

现在参见表1，所示是可利用本发明一个实施方式和常规多边形渲染操作进行渲染来实现的有关多边形总数节省净百分比的示例。如表1所示，通过使用本发明的实施方式可以实现节省超过88％并且一直到超过99％。

                               表1

标准细分场景中的多边形	1,000,000	1,000,000	1,000,000
				投射阴影体积的光数	1	4	16
背面多边形的百分比	50％	50％	50％
				阴影中多边形的百分比	50％	60％	70％
半透明多边形的百分比	20％	20％	20％
				隐藏在雾后的多边形的百分比	10％	10％	10％
视点相关细分的多边形的总数	5000	24000	112000
				未视点相关细分的渲染多边形数量	1,000,000	1,000,000	1,000,000
亮度相关细分的节省	99.5	97.6	88.8

图3示出了一个在其中可以实现各实施方式的示例系统300。系统300可以包括主存储器310、处理器320、数据总线330、图形存储器340、图形处理器345和帧缓冲器370，其中图形处理器345可以包括一个或者多个顶点着色器350、一个或者多个几何着色器355和一个或者多个像素着色器360以及诸如其它渲染引擎之类的其它流水线部件等等。在一些实现中，元件340-370中的一个或者多个可被包括在经由数据总线330连接到处理器320的物理上分立的图形处理器或者卡，但是本发明的范围在这一方面不受限制。在其它实施方式中，处理器320可以包括图形处理部件。

主存储器310可以包括存储几何图形数据的存储设备，诸如象是动态随机存取存储器(DRAM)之类的RAM。主存储器310可以存储预计算的几何图形和/或从中计算几何图形的图形数据。处理器320可以是通用处理器、专用处理器和/或为特定用途配置的逻辑。可以安排处理器320将几何图形数据经由数据总线330从主存储器310分发到图形存储器340。在诸如渲染、游戏、图形创建或者其它类型的图形相关程序之类的程序控制之下，处理器320可以经由数据总线330发送几何图形数据。数据总线330可以将处理器320连接到图形存储器340。数据总线330可以具有定义给定时间内可传送最大数据量的关联带宽。在一些实现中，数据总线330的带宽可能限制系统300其它部分(比如着色器350和/或360)的性能。

图形存储器340可以包括存储设备以存储几何图形数据。图形存储器340可以包括诸如动态随机存取存储器(DRAM)之类的RAM。图形存储器340可以接收并且存储来自处理器320和顶点着色器350的几何图形数据。除了经由写操作存储几何图形数据外，图形存储器340可以经由读操作向顶点着色器350、几何着色器355和像素着色器360提供这类几何图形数据。例如，图形存储器340可以存储各种与几何图形数据相关联的“每顶点”数据。这类顶点数据可以包括顶点位置、纹理坐标、色坐标或法向矢量中的一个或者多个。

根据本发明的一个实施方式，可以安排几何着色器355从图形存储器340读取多边形数据并且细分该多边形数据以产生高分辨率顶点数据。顶点着色器350可以具有并行架构，并且可以具有比例如像素着色器360大的指令集。几何着色器355可以使用各种几何图形生成程序和细分方案来增加几何图形数据的分辨率。例如，图形处理器345可以例如使用几何着色器355来实现基于亮度的细分方法，诸如本文描述的为物体的不同区域提供不同层次细节的顶点数据。几何着色器355可以接收三角形/多边形数据以及可任选的邻近数据作为输入数据。为了执行根据本发明一个实施方式的细分，几何着色器355可以在包括各级的多级流水线中处理引入数据，各级诸如可以是输入级、顶点着色器级、几何着色器级、光栅化器级(注意在一些实施方式中，流输出级可以提供来自几何着色器级的输出数据)、像素着色器级以及输出/合并级。在一些实现中，像素着色器级可以接收来自存储器的数据以与来自光栅化器级的光栅化输出一起供处理。当然，在其它实施方式中几何着色器可以采取不同的形式。

几何着色器355可以使用细分方案来创建新的顶点和多边形连接信息。典型的细分方案可以将网格中的数据量增加到原来的四倍。因此可以安排几何着色器355对给定网格执行一级或多级细分，并且一旦细分完，存储在图形存储器340中的数据例如就可由几何着色器355用来产生第二级细分数据(例如，以更高/更精细的分辨率)以存储在图形存储器340中。

可以安排像素着色器360来读取来自图形存储器340的细分的几何图形数据并且将其准备好用于显示。在一些实现中，像素着色器360可以使用来自处理器320的低分辨率几何图形数据(可以保留在图像存储器340中)作为显示图元将新的网格图像光栅化。可以安排帧缓冲器370接收来自像素着色器360的像素数据并且必要时在显示之前将其缓冲。帧缓冲器370也可以向显示器或者显示器接口(未示出)输出数据。

各实施方式可以用代码实现，并且可以存储在其上具有指令存储的存储介质上，这些指令可用于给系统编程以便执行这些指令。存储介质可以包括但不限于，任何类型的盘包括软盘、光盘、致密盘只读存储器(CD-ROM)、可重写致密盘(CD-RW)和磁光盘，例如只读存储器(ROM)的半导体器件、诸如动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)之类的随机存取存储器(RAM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、闪存，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、磁卡或者光卡、或者适于存储电子指令的任何其它类型的介质。

尽管本发明以有限的几个实施方式予以描述，本领域的技术人员将会从其中意识到许多改变和变型。所附权利要求旨在覆盖所有这样的改变和变型，只要其位于本发明的实质精神和范围内。

Claims (14)

1.一种方法，包括：

接收对应于要被渲染到网格中的一场景的多个多边形的几何图形数据；

为每个多边形计算亮度度量并且将所述亮度度量与预定阈值相比较；以及

如果所述亮度度量大于所述预定阈值，则将所述多边形细分为多个细分的多边形，否则就不细分所述多边形并且将所述多边形的所述几何图形数据输出到渲染引擎。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括为所述多个细分的多边形中的每一个计算所述亮度度量并且将所述亮度度量与所述预定阈值相比较，并且如果所述相应的亮度度量大于所述预定阈值，则进一步细分所述多个细分的多边形的每一个。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括如果多边形处于所述场景的阴影区域，则阻止对所述多边形的细分。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括如果多边形是面向后的、半透明的或者隐藏在雾后，则阻止对所述多边形的细分。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括基于所述亮度度量为大于所述预定阈值的所述多个多边形中的每一个，动态确定细分级别。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括为单个物体的所述多个多边形中的每一个，动态确定不同的细分级别。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述亮度度量是基于与从所述多边形发出到观察者的光线强度的真实性值以及用来表现所述场景中物体表面的面数。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括从第一处理器接收所述几何图形数据并且在第二处理器中计算所述亮度度量，所述第二处理器包括图形处理单元。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将所述多边形细分为第一多个细分的多边形，并且将第二多边形细分为第二多个细分的多边形，其中所述第一多个细分的多边形比所述第二多个细分的多边形要多，并且所述多边形的亮度度量比所述第二多边形要高，并且其中所述多边形和所述第二多边形属于单个物体。

10.一种装置，包括：

处理器，所述处理器接收对应于要被渲染到网格中的一场景的多个多边形的几何图形数据，为每个多边形计算亮度度量并且将所述亮度度量与预定阈值相比较，并且如果所述亮度度量大于所述预定阈值则将所述多边形细分为多个细分的多边形。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，如果多边形处于所述场景的阴影区域，是面向后的、半透明的或者隐藏在雾后，则所述处理器将阻止对所述多边形的细分。

12.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述处理器基于所述亮度度量为大于所述预定阈值的所述多个多边形中的每一个动态确定细分级别。

13.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述处理器包括图形处理器，所述图形处理器包括几何着色器并与图形存储器相耦合，其中所述图形处理器将所述多个细分的多边形的数据存储到所述图形存储器中。

14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述图形处理器包括渲染引擎以使用所述图形存储器中的数据来渲染所述场景。

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