CN103180882A - 基于图块的渲染系统中表面面片的细化 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于在基于图块的三维计算机图形渲染系统中细化表面面片的方法和设备。对于图像中的每个图块，获取每个图块的图元索引列表以用于组成面片的细化图元。然后在面片上执行隐式表面移除并且获取隐式表面移除后剩余的域点。然后该图元被着色以进行显示。

Description

基于图块的渲染系统中表面面片的细化

技术领域

本发明涉及三维计算机图形渲染系统，特别是用于在基于图块的渲染系统中细化表面面片（patch）的方法和设备。

背景技术

高阶表面在有计算机图形渲染工业中是众所周知的技术。是多项式方程的函数的更高阶的表面或者“面片”特别定义了一套控制点，该控制点用于依据众所周知的在变量‘t’（用于二维描绘的曲线）或者两个变量u，v（用于三维描绘的曲线）与曲面之间的数学参数的关系来描述曲面的走势。图1示出了Bezier（贝赛尔）面片，该Bezier面片是在3D计算机图形中使用的高阶表面模型的众所周知的示例。点P 100在Bezier表面110上由参数坐标u，v 120（又称域坐标）和相应的控制点kij 130的函数定义，

$P(u,v)=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Au}}^i{(1-u)}^{n-i}{\mathrm{Bv}}^j{(1-v)}^{m-j}{k}_{i,j}$

其中A和B是常量，被定义为，

$A\frac{n!}{i!(n-i)!}$ 及 $B=\frac{m!}{j!(m-j)!}$

应该注意的是P（u，v）的数值位于由控制点kij 130表示的外壳140的范围内。还应该注意的是这仅仅是一个可能的表面公式化的示例，并且也有一些其他可能。

细化是众所周知的将表面再分为一些位于起始表面的平面上和边界内的更小的相邻表面的技术。图2示出了用于使用二进制再分的Bezier面片的域点的细化。在每个轴线上具有16个域点和0.25个间隔的未细化的域200表示了在细化面片内的点的最小数目，与在Beizer表面内的点的数目相同。细化的一个等级在210处被应用，这导致在位于点的原始集合的每一对相邻点之间的中点的间隔处生成域点的进一步集合。细化220的第二等级在210处这些生成的点之间引入了进一步集合的中点。重复这个过程直到达到根据应用决定的细化的适当的期望等级。应该注意的是这个方法表示许多方法中的一个可能的方法并且在这里仅仅作为一个示例表示。

微软的Dx11应用程序界面（API）引入了用于实施图形硬件管线内的面片的可编程的方法。图3示出了Dx11 API要求的管线。顶点着色器（shader）阶段300持有用于面片的一套单个控制点并且以对于本领域技术人员众所周知的方式将任意的数学转换应用到这些使用的可编程硬件。然后转换的控制点被传递给外壳着色器110，其计算用于面片的边缘的细化因子并且进一步将定义修改的应用应用到转换的控制点。

用于面片的边缘的细化因子被传递给细化单元320。细化单元被分成两个部分，域细化和连接性细化。基于以图2描述的类似的方式提供的细化因子而使用由Dx11 API规定的特定方法，域细化将面片再分为在称为“域”点的多个点。连接性细化确定作为结果的“域”点是怎样结合或者连接到被细化图元的产物。正如域细化，用于实施其的方法被微软的Dx11定义并且对本领域的技术人员来说是常见的。

细化的域点被传递给域着色器330，该域着色器330将其与外壳着色器以可编程的方式生成的控制点结合。典型地，域着色器将应用众所周知的曲面方程式，诸如上述关于图1描述的Bezier面片。然后作为结果的值可以使用诸如位移贴图的众所周知的技术进一步修改。位移贴图是由从纹理贴图取样的顶点取代高阶平面细化结果的技术。典型地，位移贴图意味着在曲面上的点不再属于容易下定义的“外壳”内。

基于图块的渲染系统是众所周知的。这些系统将图像再分为多个矩形块或图块。完成该过程的一种方式和随后执行的纹理化和着色在图4中示意性地示出。这些技术是众所周知的。

基于图块的渲染通常分为两个阶段，第一个阶段被称为几何结构处理阶段，其执行以下操作。

首先，图元/命令获取单元401从存储器恢复命令和图元数据并且将其传递到几何结构（geometry）处理单元402。其使用众所周知的方法将图元和命令数据传输至屏幕空间。

然后这个数据被提供给图块化单元403，该图块化单元203将对象数据从屏幕空间几何结构插入到用于一组定义的矩形区域或图块的每个矩形区域或图块的对象列表中。用于每个图块的图块对象列表包含全部或者部分地存在于该图块中的图元。图块对象列表存在以用于屏幕上的每个图块，尽管某些对象列表中可能没有数据。

基于图块的渲染的第二阶段通常被称为栅格化阶段，该阶段执行以下操作。

对象列表通过图块参数获取单元405获取，该图块参数获取单元405一个图块一个图块地向隐式表面移除单元（HSR）406提供对象列表，隐式表面移除单元（HSR）406移除不能有助于最终场景的表面（通常因为他们被另一表面遮盖）。HSR单元处理图块中的每个图元并且仅传递可见像素的数据到着色单元408。

着色单元从HSR得到数据并使用纹理化单元410将其用来提取纹理以及使用众所周知的技术将着色应用到可见对象内的每个像素。然后着色单元将纹理化和着色的数据馈送到片上图块缓冲器412。因为操作被应用片上图块缓冲器中，与其相关联的外部存储器带宽被淘汰。

一旦每个图块都已经被完成，作为结果的数据就被写入外部场景缓冲器414。

Dx11可编程细化管线添加到基于图块的渲染系统意味着在没有第一完全细化和应用以上讨论的类型的位移贴图的情况下图块化面片数据是不可能的。这导致了存储器和与图块化的屏幕空间参数列表204相关联的带宽需求的大幅增长。

发明内容

本发明的优选实施方式提供了允许基于图块的渲染系统在没有与将面片数据扩展至图块化的屏幕空间参数缓冲器相关联的存储器和带宽损耗的情况下支持可编程的细化/高阶表面和位移贴图的方法和设备。这是通过将细化过程划分为三个阶段而实现的。

·位置细化和图块化

·位置细化和隐式表面移除

·位置和特性细化及着色

第一阶段发生在基于图块的渲染系统的几何结构处理阶段并产生具有组成与每个图块重叠面片的图元的参考的屏幕空间几何结构列表。没有扩展的几何结构被写入处于这个阶段的参数缓冲器。这是通过执行用于全部面片的顶点着色和外壳着色并且将外壳着色器的输出数据写入到屏幕空间参数缓冲器来实施的。然后细化单元的域细化部分产生组成面片的所有域点，以及连接性细化部分产生组成面片的图元的索引的列表。域着色器330仅仅执行图3的域着色器的位置部分来产生图元的位置数据，然后该位置数据与索引的列表一起使用以图块化细化的图元。这一阶段的结果是用于细化的图元的每个图块的图元索引列表，以及外壳着色器的该结果被一次写入参数缓冲器。应该注意的是细化的图元索引列表可能被压缩。

第二阶段和第三阶段都发生在基于图块的渲染的栅格化期间。

第二阶段在面片数据上执行隐式表面移除。这是通过重新计算域点并且仅仅实行位于每个图块的细化图元的域着色器的位置部分来执行的。这产生了可见的图元的列表。

第三阶段在隐式表面移除后重新计算剩余图元的域点。然后域着色器被全部应用于这些点，即还计算顶点特性。然后作为结果的图元被正常向下传递到管线。在隐式表面移除后执行的第三阶段，需要处理剩余图元至其完整范围的工作量比之前两个阶段的任何一个阶段已经完全处理的要少。

在一个实施方式中，第一阶段和第二阶段可能伴随着一些效率的损耗组合成一个阶段。

附图说明

本发明优选的实施方式现在将通过参考附图以示例的方式进行描述，其中：

图1示出了Beizer面片；

图2示出了细化的过程；

图3示出了Dx11可编程细化管线；

图4显示了以上讨论的已知的基于图块的渲染系统的原理图；

图5示出了本发明实施方式的图块化阶段；

图6示出了本发明实施方式的隐式表面移除阶段；

图7示出了本发明实施方式的特性阶段；以及

图8示出了修改以支持本发明实施方式的基于图块的渲染系统。

具体实施方式

图5示出了体现本发明的基于图块的渲染系统中用于处理可编程细化图元的所推荐的系统的图块化阶段。顶点着色单元500和外壳着色单元505如以上对于Dx11的描述的进行操作。该外壳着色单元传递计算的边缘细化因子到域细化单元510和连接性细化单元515。该外壳着色器也传递处理的控制点数据到域着色器520。

连接性细化单元515计算用于三角形的顶点索引。这些索引涉及通过在从域细化单元生成的域点上的域着色器的行为生成的顶点。顶点索引被传递给高速缓存单元522，该高速缓存单元522缓冲域着色单元之前生成的顶点值。应该注意的是高速缓存不是必须的，但是建立细化面片的图元的互连特性意味着高速缓存的存在能够显著减少通过域着色单元处理的顶点的数量。其中可以从域着色单元请求在高速缓存中不存在的顶点。

域着色单元仅处理位置部分的顶点数据。这是仅有的部分需要进行图块细化的几何结构。高速缓存单元522传递建立图元的顶点到裁减和剔除单元525，该裁减和剔除单元525消除一些返回面，关屏或亚像素图元（即不可见图元）。一些剩余的图元被传递到投影单元530，该投影单元530将图元/顶点转换至屏幕空间中以使他们能够通过图块化单元535进行图块化。该图块化单元确定属于每个图块的图元并传递图块索引列表到索引压缩单元540。该索引压缩单元使用众所周知的方法压缩索引流。所压缩的索引被写入每个图块的几何结构列表545，同时对外壳着色单元505输出的参考也一起被写入。还应该注意的是图元索引不需要被压缩但这是优选的特征。对场景内所有面片重复这个过程。

应该注意的是场景不需要被压缩，基于整个面片的图元和基于传统三角形、线或点的几何结构也可以包括在场景内，这些图元与基于正常图块的渲染系统一样被处理。

还应该注意的是尽管以上描述的方法储存用于图块化几何结构列表的所生成的图元的连接性信息，但也可能仅仅储存没有连接性信息的唯一顶点的列表。然后这个信息能够在随后的传递中被用于重新生成连接性信息。

图6示出了在图4之后执行的基于面片的几何结构的栅格化处理的隐式表面移除阶段。图块参数获取单元600获取外壳着色器生成的数据和来自几何结构缓冲区545（图5）用于每个图块的压缩的索引列表。由外壳着色器生成的数据组成的边缘细化因子被传递至域细化单元610以及控制点数据被传递至域着色单元620。应该注意的是仅仅所述外壳着色器控制点数据的位置部分由图块化的参数获取单元获取。由位于当前图块内的面片生成的用于图元的索引的压缩的列表被传递到索引解压单元605，该索引解压单元605在将其传递至高速缓存单元615之前解压索引。

高速缓存单元615包含由域着色单元602之前产生的用于顶点的数据以使多次引用的顶点仅仅需要生成一次。当高速缓存单元错过需要的顶点的数据时，高速缓存单元从域着色器620请求顶点的数据，在生成相应的顶点位置之前域着色器620从用于潜在的域点数据的域细化单元请求数据。应该注意的是与图块化阶段一样，域着色器继续仅仅生成由顶点组成的位置。高速缓存单元615将用于图元的顶点传递至裁减和剔除单元625，在该裁减和剔除单元625再次执行一些裁减以用于图元。然后由裁减和剔除单元生成的顶点被传递到投影单元630，该投影单元630然后将其转换到屏幕空间内。然后所述屏幕空间顶点/图元被传递到隐式表面移除单元635，该隐式表面移除单元635以与正常的基于图块的渲染系统一样的方式进行操作。然后隐式表面移除单元传递可见图元索引的列表和面片参考至下一个阶段的操作。

图7示出了用于基于面片的数据的栅格化过程的特性阶段。基于图块的参数获取单元700接收参考以修补来自当前图块内的面片的数据和用于可见图元的索引列表。基于图块的参数获取单元获取面片引用的外壳着色器数据并将边缘细化因子传递到域细化单元705以及将控制点数据传递到域着色单元710。应该注意的是在这个阶段参数获取单元700恢复与控制点相关联的所有数据并且将其传递至域着色单元715。用于图元顶点的索引数据被传递至高速缓存单元715，在以前的阶段中，该高速缓存单元715包含以前由域着色器生成的顶点的数据。在顶点不存在的地方，高速缓存单元请求域着色器单元生成顶点。在这个阶段域着色单元执行需要生成所有顶点要素的代码。然后与以前的阶段将图元顶点传递到如正常的基于图块的渲染过程处理图元顶点的着色单元730之前一样，高速缓存单元传递图元顶点到裁减、剔除和投影单元720和725。

图8示出了已经被修改以支持使用以上描述的三个阶段过程的细化的基于图块的渲染系统。图元/命令获取单元800首先从应用（application）获取图元和状态信息并将其提供给着色单元805。如阶段1描述的那样着色单元执行顶点着色和外壳着色。然后着色单元传递外壳着色数据至域细化单元825和连接性细化单元830并且将同样的数据写出到参数缓冲器860。然后域细化单元生成域点，该域点被反馈到着色单元，该着色单元应用域着色器的位置部分并馈送所生成的顶点至高速缓存单元850。连接性细化单元830馈送图元索引至高速缓存单元。然后参考的顶点被馈送到裁减和剔除单元855，在该裁减和剔除单元855，（不可见的）亚像素、非样本、横越和返回面图元被剔除并且应用了一些需要的裁减。作为结果的顶点被传递至投影单元815，该投影单元815将这些顶点投影至屏幕空间。然后作为结果的屏幕空间图元被传递至图块化单元865并且每个图块图元列表像以上阶段1的描述的那样生成，该屏幕空间图元被写入参数缓冲器860。正如正常的基于图块的渲染，重复这个过程以用于场景内的所有图元。

正如正常的基于图块的渲染设备，栅格化被一个图块一个图块地执行。对象列表由图块化的参数获取单元835获取，对于正常的图元类型，如描述的用于正常的基于图块的渲染设备，图块化的参数获取单元835将对象列表一个图块一个图块地应用到HSR单元。当图块化的参数获取单元遇到基于面片的图元时，正如在细化过程的阶段1中发射到着色单元805内的一样，图块化的参数获取单元载入相关联的外壳着色器输出数据。然后图块化的参数获取单元馈送来自域着色器作用的细化的域的用于顶点的索引域细化单元825。域细化单元生成与提供的索引相对应的细化的域中的u，v值并将其传递至着色单元805，该着色单元805应用如细化过程的阶段2所述的域着色器的位置部分。所生成的位置值然后被传递至高速缓存单元850。顶点位置着色的域由裁减和剔除单元从高速缓存850读取，裁减和剔除单元将未裁剪/未剔除的图元传递至投影单元870，投影单元870将顶点投影到屏幕空间内。作为结果的屏幕空间图元然后被传回隐式表面移除单元840，在隐式表面移除单元840，如每个正常的基于图块的渲染一样执行隐式表面移除。在隐式表面移除之后一些可见的图元被传回至图块化的参数获取单元835，图块化的参数获取单元835发布剩下的图元的索引至域细化单元825。作为结果的域点再次被传递至着色单元805，着色单元805现在应用产生所有需要的位置和纹理化坐标值的全部域着色器。在所产生的值被传回FPU 845之前，所产生的值被向下传递至高速缓存、裁减/剔除和投影块。FPU执行一些被传递至着色单元805的特性的重复，在着色单元805，正如正常的基于图块的渲染设备，执行正常的像素着色。

Claims (18)

1.一种在基于图块的三维计算机图形渲染系统中用于细化表面面片的方法，该方法包括以下步骤：

获取每个图块的用于组成面片的细化图元的图元索引列表；

在所述面片上执行隐式表面移除；

获取隐式表面移除后剩余图元的域点；以及

对所述图元进行着色，以进行显示。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述获取每个图块的图元索引列表的步骤包括：

接收图元数据；

根据所述图元数据确定域点细化数据和连接性细化数据；

将所述域点数据和连接性细化数据请求的图元投影至屏幕空间；以及

根据所投影的数据确定每个图块的图元索引列表。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述隐式表面移除的步骤包括：

重新计算面片的域点数据，根据与所述域点数据相关联的位置数据确定在图块中图元是否可见，以及获取每个图块的可见图元列表。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述获取隐式表面移除后剩余图元的域点数据的步骤包括：重新计算所述域点数据，以及获取用于所述着色步骤的域点的全顶点特性。

5.根据上述任一项权利要求所述的方法，其中所述获取每个图块的细化图元的图元索引列表的步骤将来自外壳着色单元的输出提供至屏幕空间结构缓冲器。

6.根据上述任一项权利要求所述的方法，其中所述获取每个图块的图元索引列表的步骤包括以下步骤：移除不可见的细化数据以使这些数据不包括在所述每个图块的图元索引列表。

7.根据权利要求6所述的方法，其中每个图块列表的图元索引列表包括所述细化图元的压缩的或未压缩的索引数据。

8.根据上述任一项权利要求所述的方法，其中所述执行隐式表面移除的步骤包括以下步骤：将数据存储在高速缓存中以用于之前生成的顶点。

9.根据上述任一项权利要求所述的方法，其中所述获取隐式表面移除后剩余图元的域点的步骤包括以下步骤：将索引数据存储在高速缓存中以用于图元顶点。

10.一种在基于图块的三维计算机图形渲染系统中用于细化表面面片的设备，该设备包括：

用于获取每个图块的用于组成面片的细化图元的图元索引列表的装置；

用于在所述面片上执行隐式表面移除的装置；

用于获取隐式表面移除后剩余图元的域点的装置；以及

用于对所述图元进行着色以进行显示的装置。

11.根据权利要求10所述的设备，其中所述用于获取每个图块的图元索引列表的装置包括：

用于接收图元数据的装置；

用于根据所述图元数据确定域点细化数据和连接性细化数据的装置；

用于将所述域点数据和连接性细化数据请求的图元投影至屏幕空间的装置；以及

用于根据所投影的数据确定每个图块的图元索引列表的装置。

12.根据权利要求11所述的设备，其中所述用于执行隐式表面移除的装置包括：用于重新计算面片的域点数据的装置，用于根据与所述域点数据相关联的位置数据确定所述图元在图块中是否可见的装置，用于确定每个图块的可见图元列表的装置。

13.根据权利要求12所述的设备，其中所述用于获取隐式表面移除后剩余图元的域点数据的装置包括：用于重新计算所述域点数据的装置，以及用于获取用于所述着色步骤的域点的全顶点特性数据的装置。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的设备，其中所述用于获取每个图块的细化图元的图元索引列表的装置包括：将输出数据提供至屏幕空间结构缓冲器的外壳着色单元。

15.根据权利要求10至14中任一项所述的设备，其中所述用于获取每个图块的图元索引列表的装置包括：用于移除不可见的细化数据以使这些数据不包括在所述每个图块的图元索引列表的装置。

16.根据权利要求15所述的设备，其中每个图块列表的所述图元索引列表包括所述细化图元的压缩的或未压缩的索引数据。

17.根据权利要求10至16中任一项所述的设备，其中所述用于执行隐式表面移除的装置包括：用于将数据存储在高速缓存中以用于之前生成的顶点的装置。

18.根据权利要求10至17中任一项所述的设备，其中所述用于获取隐式表面移除后剩余图元的域点的装置包括将索引数据存储在高速缓存中以用于图元顶点的装置。

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