CN104200425A - 一种gpu图形处理过程中图元裁剪装置及裁剪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效的图元裁剪装置及图元裁剪方法，属于计算机图形学技术领域，针对计算机图形处理中的裁剪过程，综合利用Cohen-Sutherland编码线段裁剪算法和Sutherland-Hodgman多边形裁剪算法。首先利用Cohen-Sutherland算法对三角形顶点进行编码，通过码值确定三角形是否需要裁剪，对于需要裁剪的三角形则采用Sutherland-Hodgman算法进行裁剪。由于裁剪后的输出图元必须是三角形，所以在裁剪过程中，需要对顶点的输出进行规定避免重复输出顶点或者输出顶点的顺序打乱，以至于无法生成正确的三角形输出。本专利提出的裁剪单元共包括七个模块：输入缓存、裁决器、缓冲通道、裁剪管线、剖析器、收集器、输出缓存。
Description
技术领域
本发明专利为GPU图形处理过程中的多边形裁剪提供了一种图元裁剪装置及裁剪方法，采用流水线的设计方式，可以增加进行三角形裁剪的吞吐量，进而提高工作效率，减少完成裁剪操作所需要的时间。
背景技术
随着材料技术、半导体技术和计算机科学的迅猛发展，图形显示技术也由2D的平面模型显示发展到今天得富有真实感的3D图形显示。在计算机中实现显示真实的世界场景的过程称为真实感图形显示。3D图形绘制是进行真实感图形显示的基础，作用是将一个3D的场景绘制到一个2D的屏幕中。一个3D图形绘制系统大体上可以分为三部分：应用程序部分、几何部分、光栅部分。其中应用程序部分通过软件实现，负责产生场景、改变场景，最终将场景的图元序列送到几何部分进行处理。几何部分负责对顶点进行操作，典型的操作包括坐标变换、光照、雾化、裁剪及投影运算。光栅部分负责对多边形进行填充，转换成2维屏幕可以显示的像素点。
多边形裁剪单元的功能是对现有的图元进行测试，如果图元位于可视区域内，则保留图元；如果图元位于可视区域外，则丢弃该图元；如果图元部分在可视区域内，则要对图元进行裁剪操作，保留可视部分。
Cohen-Sutherland算法是一种编码线段裁剪算法，对线段的点进行编码，通过编码值判断是否通过裁剪以及如何裁剪，下图1所示为立体空间的编码及其对应的码值：
在图1中，灰色区域即为可见空间，可视区域是经过归一化算法的标准立方体，三个方向坐标都出于[-1，1]。编码算法将三维立体空间划分为27个区间，每个区间对应一个编码值。编码的第一位表示为与x=1的平面比较，当顶点的x坐标大于1时，编码第一位为1，反之则为0。依次类推，可得到6位的编码值，即为附图1所示。
Sutherland-Hodgman算法是一种多边形裁剪算法，算法的每一步，用可视区域的一个面对三角形图元的每一条线段进行裁剪得到新的多边形，然后用另外的面对新得到的多边形的每一条线段进行裁剪，依次类推，所有可视区域的六个面裁剪完成后得到的新的多边形即为最后应得的多边形。
利用Sutherland-Hodgman算法得到的多边形可能会使顶点的数量变多，相应的线段也变多。由于裁剪多输出的图元必须是三角形，所以在裁剪过程中，需要对顶点的输出进行规定，采用三角形扇的方式，避免重复输出顶点或者输出顶点的顺序打乱，以至于无法生成正确的三角形输出。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种GPU图形处理过程中图元裁剪装置及裁剪方法，提高图元裁剪效率。
本发明采用如下技术方案实现发明目的：
一种GPU图形处理过程中图元裁剪装置，其特征在于，包括：
顶点输入缓存单元：每次输入一个独立的三角形的三个顶点的位置数据；
裁决器：利用三角形三个顶点的位置数据，通过Cohen-Sutherland算法，对三角形的三个顶点进行编码，通过编码值确定该三角形是否需要裁剪；
缓冲通道：不需要进行裁剪的三角形顶点数据的传输通道；
裁剪管线：基于管线设计方式，依次用可视区域的六个面及其延长面，利用Sutherland-Hodgman算法依次对多边形的每一条边进行裁剪，得到新的顶点数据；
剖析器：将新得到的顶点按照一定的规则组成新的三角形图元；
收集器：依次收集具有三角形关系的顶点数据，默认情况下从缓冲通道中接收数据，如果有进行裁剪操作，即剖析器中的数据不为空时，则从剖析器中接收数据；
顶点输出缓存：裁剪完成后的顶点数据或者位于可视区域内不用裁剪的顶点数据最后通过顶点输出缓存被下级操作所利用。
作为对本技术方案的进一步限定，所述裁决器包括码值生成单元和码值检测单元，所述码值生成单元利用三角形三个顶点的位置数据，通过Cohen-Sutherland算法，对三角形的三个顶点进行编码；所述码值检测单元通过编码值确定该三角形是否需要裁剪。
作为对本技术方案的进一步限定，所述裁剪管线包括依次连接的Y=1裁剪单元、Z=1裁剪单元、Z=-1裁剪单元、X=-1裁剪单元、X=1裁剪单元、Y=-1裁剪单元，并且每个裁剪单元之前及全部裁剪完成之后都配有先进先出存储器FIFO。
本发明还公开了一种GPU图形处理过程中图元裁剪方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）裁剪单元通过输入缓冲读入一个三角形图元数据，包括三个顶点A、B、C的位置信息；
（2）裁决器中的码值生成单元利用编码规则对三角形的三个顶点进行编码处理，若得到的三角形的三个顶点的编码值均为000000，则该三角形不需要裁剪，转步骤（3），若得到的三角形的三个顶点编码值中有某一位都为1，则该三角形位于可视区域某个特定面的外侧，三角形不可见，此时转入步骤（4），否则，进行步骤（5）；
（3）将三角形的三个顶点数据送入缓冲通道，并转入步骤（7）；
（4）舍弃该三角形的三个顶点数据，并返回步骤（1）继续下一个三角形的处理；
（5）裁剪管线读入三角形的三个顶点数据，利用Sutherland-Hodgman算法依次在Y=1、Z=1、Z=-1、X=-1、X=1、Y=-1面进行多边形的裁剪操作，最后得到的新的顶点数据暂存在先进先出存储器FIFO中；
（6）剖析器从先进先出存储器FIFO中读入顶点数据，按照三角形扇的图元重组规则组合形成新的三角形图元；
（7）收集器分别从缓冲通道和剖析器中接收顶点数据，默认情况下，收集器接收来自缓冲通道的顶点数据，若裁剪操作有进行，即剖析器中数据不为空时，收集器则从剖析器中接收顶点数据，同时清空剖析器中的顶点数据；
（8）将收集器中的顶点数据暂存入顶点输出缓存中。
作为对本技术方案的进一步限定，所述步骤（2）码值生成单元的编码规则为：将顶点的坐标值和可视区域标准立方体的6个面进行比较，得到一个6位的编码值,编码值的第一位表示与x=1的平面比较，当顶点的x坐标大于1时，编码第一位为1，反之则为0；编码值的第二位表示与x=-1的平面比较，当x的坐标小于-1，编码第二位为1，反之则为0；编码值的第三位表示与z=-1的平面比较，当z的坐标小于-1，编码第三位为1，反之则为0；编码值的第四位表示与z=1的平面比较，当z的坐标大于1，编码第四位为1，反之则为0；编码值的第五位表示与y=-1的平面比较，当y的坐标小于-1，编码第五位为1，反之则为0；编码值的第六位表示与y=1的平面比较，当y的坐标大于1，编码第六位为1，反之则为0。
作为对本技术方案的进一步限定，所述步骤（6）中的三角形扇的图元重组规则为：选取中间点作为扇形中心，依次顺时针首尾相连地选取外围的两个点与中心点组合形成新的三角形。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明先运用Cohen-Sutherland算法对线段进行编码以确定三角形是否裁剪，可以减少需要裁剪的三角形的数量。然后采用Sutherland-Hodgman算法依次用可视区域的六个面对多边形进行裁剪，在全部裁剪完成后才将新得到多边形顶点按照重组规则形成新的三角形图元，可以增加裁剪的效率。
附图说明
图1为三角形顶点编码立体图。
图2为裁剪单元的硬件连接框图
图3为该裁剪单元的硬件结构
其中，1、输入缓冲，2、裁决器，3、缓冲通道，4、裁剪管线，5、收集器，6、剖析器，7、顶点输出缓存。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明作更进一步的详细描述。
参见图2和图3，本发明公开了一种GPU图形处理过程中图元裁剪装置，具体包括：
顶点输入缓存单元：每次输入一个独立的三角形的三个顶点的位置数据；
裁决器：利用三角形三个顶点的位置数据，通过Cohen-Sutherland算法，对三角形的三个顶点进行编码，通过编码值确定该三角形是否需要裁剪；
缓冲通道：不需要进行裁剪的三角形顶点数据的传输通道；
裁剪管线：基于管线设计方式，依次用可视区域的六个面及其延长面，利用Sutherland-Hodgman算法依次对多边形的每一条边进行裁剪，得到新的顶点数据；
剖析器：将新得到的顶点按照一定的规则组成新的三角形图元；
收集器：依次收集具有三角形关系的顶点数据，默认情况下从缓冲通道中接收数据，如果有进行裁剪操作则从剖析器中接收数据；
顶点输出缓存：裁剪完成后的顶点数据或者位于可视区域内不用裁剪的顶点数据最后通过顶点输出缓存被下级操作所利用。
所述裁决器包括码值生成单元和码值检测单元，所述码值生成单元利用三角形三个顶点的位置数据，通过Cohen-Sutherland算法，对三角形的三个顶点进行编码；所述码值检测单元通过编码值确定该三角形是否需要裁剪。
所述裁剪管线包括依次连接的Y=1裁剪单元、Z=1裁剪单元、Z=-1裁剪单元、X=-1裁剪单元、X=1裁剪单元、Y=-1裁剪单元，并且每个裁剪单元之前及全部裁剪完成之后都配有先进先出存储器FIFO。
本发明还公开了一种GPU图形处理过程中图元裁剪方法，包括如下步骤：
（1）裁剪单元通过输入缓冲读入一个三角形图元数据，包括三个顶点A、B、C的位置信息；
（2）裁决器中的码值生成单元利用编码规则对三角形的三个顶点进行编码处理，若得到的三角形的三个顶点的编码值均为000000，则该三角形不需要裁剪，转步骤（3），若得到的三角形的三个顶点编码值中有某一位都为1，则该三角形位于可视区域某个特定面的外侧，三角形不可见，此时转入步骤（4），否则，进行步骤（5）；
（3）将三角形的三个顶点数据送入缓冲通道，并转入步骤（7）；
（4）舍弃该三角形的三个顶点数据，并返回步骤（1）继续下一个三角形的处理；
（5）裁剪管线读入三角形的三个顶点数据，利用Sutherland-Hodgman算法依次在Y=1、Z=1、Z=-1、X=-1、X=1、Y=-1面进行多边形的裁剪操作，最后得到的新的顶点数据暂存在先进先出存储器FIFO中；
（6）剖析器从先进先出存储器FIFO中读入顶点数据，按照三角形扇的图元重组规则组合形成新的三角形图元；
（7）收集器分别从缓冲通道和剖析器中接收顶点数据，默认情况下，收集器接收来自缓冲通道的顶点数据，若裁剪操作有进行，即剖析器中数据不为空时，收集器则从剖析器中接收顶点数据，同时清空剖析器中的顶点数据；
（8）将收集器中的顶点数据暂存入顶点输出缓存中。
所述步骤（2）码值生成单元的编码规则为：将顶点的坐标值和可视区域标准立方体的6个面进行比较，得到一个6位的编码值,编码值的第一位表示与x=1的平面比较，当顶点的x坐标大于1时，编码第一位为1，反之则为0；编码值的第二位表示与x=-1的平面比较，当x的坐标小于-1，编码第二位为1，反之则为0；编码值的第三位表示与z=-1的平面比较，当z的坐标小于-1，编码第三位为1，反之则为0；编码值的第四位表示与z=1的平面比较，当z的坐标大于1，编码第四位为1，反之则为0；编码值的第五位表示与y=-1的平面比较，当y的坐标小于-1，编码第五位为1，反之则为0；编码值的第六位表示与y=1的平面比较，当y的坐标大于1，编码第六位为1，反之则为0。
所述步骤（6）中的三角形扇的图元重组规则为：选取中间点作为扇形中心，依次顺时针首尾相连地选取外围的两个点与中心点组合形成新的三角形。
本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种GPU图形处理过程中图元裁剪装置，其特征在于，包括：
顶点输入缓存单元：每次输入一个独立的三角形的三个顶点的位置数据；
裁决器：利用三角形三个顶点的位置数据，通过Cohen-Sutherland算法，对三角形的三个顶点进行编码，通过编码值确定该三角形是否需要裁剪；
缓冲通道：不需要进行裁剪的三角形顶点数据的传输通道；
裁剪管线：基于管线设计方式，依次用可视区域的六个面及其延长面，运用Sutherland-Hodgman算法依次对多边形的每一条边进行裁剪，得到新的顶点数据，其中每个面裁剪前顶点数据将会被存入先进先出存储器FIFO中，裁剪完成后得到的新的顶点数据亦被存入先进先出存储器FIFO中；
剖析器：将新得到的顶点按照一定的规则组成新的三角形图元；
收集器：依次收集具有三角形关系的顶点数据，默认情况下从缓冲通道中接收数据，如果有进行裁剪操作，即剖析器中的数据不为空时，则从剖析器中接收数据；
顶点输出缓存：裁剪完成后的顶点数据或者位于可视区域内不用裁剪的顶点数据最后通过顶点输出缓存被下级操作所利用。
2.根据权利要求1所述的GPU图形处理过程中图元裁剪装置，其特征在于，所述裁决器包括码值生成单元和码值检测单元，所述码值生成单元利用三角形三个顶点的位置数据，通过Cohen-Sutherland算法，对三角形的三个顶点进行编码；所述码值检测单元通过编码值确定该三角形是否需要裁剪。
3.根据权利要求1所述的GPU图形处理过程中图元裁剪装置，其特征在于，所述裁剪管线包括依次连接的Y=1裁剪单元、Z=1裁剪单元、Z=-1裁剪单元、X=-1裁剪单元、X=1裁剪单元、Y=-1裁剪单元，并且每个裁剪单元之前及全部裁剪完成之后都配有先进先出存储器FIFO。
4.一种GPU图形处理过程中图元裁剪方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）裁剪单元通过输入缓冲读入一个三角形图元数据，包括三个顶点A、B、C的位置信息；
（2）裁决器中的码值生成单元利用编码规则对三角形的三个顶点进行编码处理，若得到的三角形的三个顶点的编码值均为000000，则该三角形不需要裁剪，转步骤（3），若得到的三角形的三个顶点编码值中有某一位都为1，则该三角形位于可视区域某个特定面的外侧，三角形不可见，此时转入步骤（4），否则，进行步骤（5）；
（3）将三角形的三个顶点数据送入缓冲通道，并转入步骤（7）；
（4）舍弃该三角形的三个顶点数据，并返回步骤（1）继续下一个三角形的处理；
（5）裁剪管线读入三角形的三个顶点数据，利用Sutherland-Hodgman算法依次在Y=1、Z=1、Z=-1、X=-1、X=1、Y=-1面进行多边形的裁剪操作，最后得到的新的顶点数据暂存在先进先出存储器FIFO中；
（6）剖析器从先进先出存储器FIFO中读入顶点数据，按照三角形扇的图元重组规则组合形成新的三角形图元；
（7）收集器分别从缓冲通道和剖析器中接收顶点数据，默认情况下，收集器接收来自缓冲通道的顶点数据，若裁剪操作有进行，即剖析器中数据不为空时，收集器则从剖析器中接收顶点数据，同时清空剖析器中的顶点数据；
（8）将收集器中的顶点数据暂存入顶点输出缓存中。
5.根据权利要求4所述的GPU图形处理过程中图元裁剪方法，其特征在于，所述步骤（2）码值生成单元的编码规则为：将顶点的坐标值和可视区域标准立方体的6个面进行比较，得到一个6位的编码值,编码值的第一位表示与x=1的平面比较，当顶点的x坐标大于1时，编码第一位为1，反之则为0；编码值的第二位表示与x=-1的平面比较，当x的坐标小于-1，编码第二位为1，反之则为0；编码值的第三位表示与z=-1的平面比较，当z的坐标小于-1，编码第三位为1，反之则为0；编码值的第四位表示与z=1的平面比较，当z的坐标大于1，编码第四位为1，反之则为0；编码值的第五位表示与y=-1的平面比较，当y的坐标小于-1，编码第五位为1，反之则为0；编码值的第六位表示与y=1的平面比较，当y的坐标大于1，编码第六位为1，反之则为0。
6.根据权利要求4所述的GPU图形处理过程中图元裁剪方法，其特征在于，所述步骤（6）中的三角形扇的图元重组规则为：选取中间点作为扇形中心，依次顺时针首尾相连地选取外围的两个点与中心点组合形成新的三角形。
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