CN108519867B - Gpu中一种实现三角形反走样的装置和方法 - Google Patents

Gpu中一种实现三角形反走样的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了GPU中一种实现三角形反走样的装置和方法，该装置包括三角形水平线扫描线生成、扫描线边界扩展、面积比计算与处理和片段融合模块，实现方法是通过计算出三角形内水平扫面线的边界，对边界进行扩展，计算出扫描线上片段的面积比并对面积比进行处理，最后利用面积比作为融合操作的源混合因子，一减去面积比作为目标混合因子将源片段与帧存中对应的像素进行融合操作实现三角形图元反走样效果。

Description

GPU中一种实现三角形反走样的装置和方法
技术领域
本发明主要涉及到GPU设计领域，特指GPU中三角形的反走样实现领域。
背景技术
在光栅图形显示器上绘制三角形时，由于光栅是由离散的点构成，在光栅显示设备上必须在离散位置采样，由于采样信息不充分重建后导致的信息失真就叫走样，用于减少或消除这种效果的技术就称为反走样。由于图形的走样现象对图形质量有很大影响，因此需要对基本图元进行反走样处理，三角形就是基本图元之一。
反走样主要有两种常用方法：SSAA(Super Sampling Anti-Aliasing，超采样反走样)，通过渲染一个大图，然后缩小，这相当于在每个最终像素内部做了一个均匀分布采样(可以均匀分布、随机分布、抖动分布等)，每个采样点都有独立的颜色和深度值，片段处理在每个采样点都执行一遍，SSAA反走样的效果好，但问题是导致存放颜色和深度值的存储空间成倍增大；SSAA需要在每个采样点都执行一次PS并保存color和depth，时间和空间开销都是惊人的；MSAA(Multi-Sampling Anti-Aliasing，多重采样反走样)的出现极大地改善了这点，MSAA在每个片段只执行一次片段处理，输出颜色写入所有通过depth-stencil测试的采样本中，这种方法减小了计算量，但存储空间占用高的缺点并未改善。
发明内容
本发明要解决的问题就在于：1、采用不增加片段数量和存储空间的多重采样技术实现三角形的反走样效果；2、对于三角形非全部需要做反走样的情况进行了处理。
本发明的内容是：
本发明公开了GPU中一种实现三角形反走样的装置，其特征为：该装置用于接收经过顶点处理和屏幕坐标变换后的三角形，对这些三角形执行反走样，其由以下模块构成：
(1)三角形数据接收模块：该模块包含一个缓冲器FIFO，用于从输入缓冲区中读取三角形顶点和属性以及各边是否需要做反走样的标志；
(2)三角形水平线扫描线生成模块：该模块包含一个排序单元，用于对三角形三个顶点按照y坐标大小进行从小到大排序；三个计算单元，用于计算出三角形三边斜率倒数；循环生成水平线单元，用于然后按照y方向从下向上产生水平扫描线；
(3)扫描线边界计算模块：该模块包含三个计算单元，用于对每一条扫描线利用直线方程计算出与三角形边的交点；一个判别单元，用于根据交点的大小关系确定扫描线在三角形内部的范围，同时确定左右边界需要扩展的范围；
(4)扫描线边界扩展模块：该模块包含一个判断单元和计算单元，用于根据边界是否需要做反走样对扫描线边界进行左右扩展；
(5)片段生成模块：包含一个循环单元，用于逐个生成扫描线上的各个片段；
(6)面积比计算模块：将片段分割成多个子片段，通过判断子片段网格点是否在三角形内部得到片段的面积比；
(7)面积比处理模块：根据三角形边界是否需要做反走样对面积比进行处理，得到片段的真实面积比；
(8)融合模块：利用片段真实面积比作为融合操作的源混合因子，一减去面积比作为目标混合因子将源片段与帧存中对应的像素进行融合操作；
本发明还公开了GPU中一种实现三角形反走样的方法，其特征为：设经过顶点处理和屏幕坐标变换后三角形三个点的坐标分别为T0(x0，y0)、T1(x1，y1)、T2(x2，y2)，其中的x0，x1，x2，y0，y1，y2均为单精度浮点数，以及三角形三条边是否需要做反走样的标志寄存器，这些数据以图元为单位存放在缓冲区FIFO中，本发明的实现方法包括以下步骤：
步骤1：从缓冲区FIFO中读取图元数据；
步骤2：对三角形三个顶点按照y坐标大小进行从小到大排序，设排序后的三个点坐标为T(xT，yT)、M(xM，yM)、B(xB，yB)，对应的是否需要做反走样的标志EdgeBT、EdgeBM、EdgeMT；计算三角形三边斜率倒数分别为BT边RSlopeBT，BM边RSlopeBM，MT边RSlopeMT；按照Y方向进行扫描，扫描线的范围为从
Figure GDA0003750879420000021
到
Figure GDA0003750879420000022
利用线段点斜式方程计算三角形三条边与扫描线的交点横坐标xBT、xMT、xBM；
步骤3：根据三角形三顶点的位置关系和步骤2计算出的交点大小关系确定扫描线对应的左边界LeftX和右边界RightX，当同时根据左、右边界所取的边记录对应的Lcnt和Rcnt，Lcnt为左边界边的斜率倒数取整，Rcnt为左边界边的斜率倒数取整；
步骤4：确定扫描线上最终需要生成的片段的范围：若左边界需要做反走样，扫描线起始位置为
Figure GDA0003750879420000023
否则为
Figure GDA0003750879420000024
若右边界需要做反走样，扫描线终止位置为
Figure GDA0003750879420000025
否则为
Figure GDA0003750879420000026
其中的减1是考虑三角形邻接的需要；
步骤5：根据步骤4确定的水平扫描线的范围生成片段，若右边界需要做反走样，左边界不需要做反走样，则需要从右向左生成片段，其余情况均按照从左到右逐个生成片段；
步骤6：面积比计算：将步骤5得到的片段分成m×m个网格，对应网格交点共(m+1)2个，分别计算确定这些网格点是否在三角形内部，若在内部当前网格点权值取1，否则取0，将所有的网格点权值相加除以总权值(m+1)2，得到该片段的面积比AR；
步骤7：分三种情况确定片段最终面积比：若三角形左右边均需要做反走样，片段最终面积比即AR，若三角形左右边只有1个需要做反走样，当计算至某个片段AR＝1或当前片段的AR小于上一个片段的AR时，扫描线上剩余片段的面积比均置为AR＝1，其余的取当前片段的AR，若三角形左右边均不需要做反走样，将不考AR，将片段面积比强制为1；
步骤8：将步骤7得到的面积比AR作为源融合因子，(1-AR)作为目的融合因子，将片段颜色和背景颜色做融合得到最终写入帧存的像素颜色；
对于本发明实现方法的进一步限定，所述步骤2中的LeftX、RightX以及Lcnt、Rcnt的确定方法为：分成三种情况确定：
1)yT＝yM时，若xBT＞xBM则LeftX＝xBM，RightX＝xBT，
Figure GDA0003750879420000031
Figure GDA0003750879420000032
否则LeftX＝xBT，RightX＝xBM，
Figure GDA0003750879420000033
2)yT≠yM且yB＝yM时，若xBT＞xMT则LeftX＝xMT，RightX＝xBT，
Figure GDA0003750879420000034
Figure GDA0003750879420000035
否则LeftX＝xBT，RightX＝xMT，
Figure GDA0003750879420000036
3)yT≠yM且yB≠yM时，若xBT＞xBM则RightX＝xBT，
Figure GDA0003750879420000037
此时若xBM＞xMT，则LeftX＝xBM，
Figure GDA0003750879420000038
否则LeftX＝xMT，
Figure GDA0003750879420000039
若xBT≤xBM，则LeftX＝xBT，
Figure GDA00037508794200000310
此时若xBM＞xMT，则RightX＝xMT，
Figure GDA00037508794200000311
否则RightX＝xBM，
Figure GDA00037508794200000312
对于本发明实现方法的进一步限定，所述步骤6中的面积比AR计算方法为：将每个片段划分成m×m个网格，其中m取自然数，共计(m+1)2个网格点，设左下角即最小网格点坐标为(xp，yp)，各个网格点坐标为(xn，yn)＝(xp+i，yp+j)，其中i，j∈{0，1/m，2/m，3/m，…，(m-1)/m，1}，若网格点坐标(xn，yn)同时满足以下不等式：
Figure GDA00037508794200000313
则该网格点位于三角形内部，记录该点权值为1，否则该网格点不在三角形内部，记录该点权值为0，(m+1)2个网格点的权值相加除以(m+1)2得到当前片段的面积比AR；
本发明的优点就在于：该方法可以在不增加片段数量和存储空间的基础上实现三角形反走样效果；
附图说明
图1是本发明GPU中一种三角形反走样的实现装置；
图2是本发明实现的三角形反走样效果图。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，为本发明公开的GPU中一种实现三角形反走样的装置，该装置用于接收经过顶点处理和屏幕坐标变换后的三角形，对这些三角形执行反走样，其由以下模块构成：
三角形数据接收模块(FIFO)(1)：该模块包含一个缓冲器FIFO，用于从输入缓冲区中读取三角形顶点和属性以及各边是否需要做反走样的标志；
三角形水平线扫描线生成模块(2)：该模块包含一个排序单元，用于对三角形三个顶点按照y坐标大小进行从小到大排序；三个计算单元，用于计算出三角形三边斜率倒数；循环生成水平线单元，用于然后按照y方向从下向上产生水平扫描线；
扫描线边界计算模块(3)：该模块包含三个计算单元，用于对每一条扫描线利用直线方程计算出与三角形边的交点；一个判别单元，用于根据交点的大小关系确定扫描线在三角形内部的范围，同时确定左右边界需要扩展的范围；
扫描线边界扩展模块(4)：该模块包含一个判断单元和计算单元，用于根据边界是否需要做反走样对扫描线边界进行左右扩展；
片段生成模块(5)：包含一个循环单元，用于逐个生成扫描线上的各个片段；
面积比计算模块(6)：将片段分割成多个子片段，通过判断子片段网格点是否在三角形内部得到片段的面积比；
面积比处理模块(7)：根据三角形边界是否需要做反走样对面积比进行处理，得到片段的真实面积比；
融合模块(8)：利用片段真实面积比作为融合操作的源混合因子，一减去面积比作为目标混合因子将源片段与帧存中对应的像素进行融合操作；
具体的实施方案：
设经过顶点处理和屏幕坐标变换后三角形三个点的坐标分别为T0(x0，y0)、T1(x1，y1)、T2(x2，y2)，其中的x0，x1，x2，y0，y1，y2均为单精度浮点数，以及三角形三条边是否需要做反走样的标志寄存器，这些数据以图元为单位存放在缓冲区FIFO中，本发明的实现方法包括以下步骤：
步骤1：从缓冲区FIFO中读取图元数据；
步骤2：对三角形三个顶点按照y坐标大小进行从小到大排序，设排序后的三个点坐标为T(xT，yT)、M(xM，yM)、B(xB，yB)，对应的是否需要做反走样的标志EdgeBT、EdgeBM、EdgeMT；计算三角形三边斜率倒数分别BT边
Figure GDA0003750879420000051
BM边
Figure GDA0003750879420000052
MT边
Figure GDA0003750879420000053
按照Y方向进行扫描，扫描线的范围为从
Figure GDA0003750879420000054
到
Figure GDA0003750879420000055
对某一条扫描线y＝y′计算该扫描线与三条边的交点坐标，BT边xBT＝RSlopeBT*(y′-yB)+xB，MT边xMT＝RSlopeMT*(y′-yM)+xM，BM边xBM＝RSlopeBM*(y′-yB)+xB；
步骤3：根据三角形三顶点的位置关系和步骤2计算出的交点大小关系确定扫描线对应的左边界LeftX和右边界RightX，当同时根据左、右边界所取的边记录对应的Lcnt和Rcnt，Lcnt为左边界边的斜率倒数取整，Rcnt为左边界边的斜率倒数取整，具体实现方法：
根据三角形三顶点的位置关系和第一步计算出的交点大小关系确定扫描线对应的左边界LeftX和右边界RightX，当同时根据左、右边界所取的边记录对应的Lcnt和Rcnt，Lcnt为左边界边的斜率倒数取整，Rcnt为左边界边的斜率倒数取整，分成三种情况确定：
1)yT＝yM时，若xBT＞xBM则LeftX＝xBM，RightX＝xBT，
Figure GDA0003750879420000056
Figure GDA0003750879420000057
否则LeftX＝xBT，RightX＝xBM，
Figure GDA0003750879420000058
2)yT≠yM且yB＝yM时，若xBT＞xMT则LeftX＝xMT，RightX＝xBT，
Figure GDA0003750879420000059
Figure GDA00037508794200000510
否则LeftX＝xBT，RightX＝xMT，
Figure GDA00037508794200000511
3)yT≠yM且yB≠yM时，若xBT＞xBM则RightX＝xBT，
Figure GDA00037508794200000512
此时若xBM＞xMT，则LeftX＝xBM，
Figure GDA00037508794200000513
否则LeftX＝xMT，
Figure GDA00037508794200000514
若xBT≤xBM，则LeftX＝xBT，
Figure GDA00037508794200000515
此时若xBM＞xMT，则RightX＝xMT，
Figure GDA00037508794200000516
否则RightX＝xBM，
Figure GDA00037508794200000517
步骤4：确定扫描线上最终需要生成的片段的范围：若左边界需要做反走样，扫描线起始位置为
Figure GDA00037508794200000518
否则为
Figure GDA00037508794200000519
若右边界需要做反走样，扫描线终止位置为
Figure GDA0003750879420000061
否则为
Figure GDA0003750879420000062
其中的减1是考虑三角形邻接的需要；
步骤5：根据步骤4确定的水平扫描线的范围生成片段，若右边界需要做反走样，左边界不需要做反走样，则需要从右向左生成片段，其余情况均按照从左到右逐个生成片段；
步骤6：面积比计算：本实施方式以将每个片段划分成4×4个网格，共计25个网格点为例计算，设最小网格点坐标为(xp，yp)，各个网格点坐标为(xn，yn)＝(xp+i，yp+j)，其中i，j∈{0，1/4，2/4，3/4，1}，若网格点坐标(xn，yn)同时满足以下不等式：
Figure GDA0003750879420000063
则该网格点位于三角形内部，记录该点权值为1，否则该网格点不在三角形内部，记录该点权值为0，25个网格点的权值相加除以25得到当前片段的面积比AR；
步骤7：分三种情况确定片段最终面积比：若三角形左右边均需要做反走样，片段最终面积比即AR，若三角形左右边只有1个需要做反走样，当计算至某个片段AR＝1或当前片段的AR小于上一个片段的AR时，扫描线上剩余片段的面积比均置为AR＝1，其余的取当前片段的AR，若三角形左右边均不需要做反走样，将不考AR，将片段面积比强制为1；
步骤8：融合操作，设背景颜色ColorR，片段图元的颜色为ColorP，利用公式ColorP*AR+ColorB*(1-AR)计算出片段写入帧存的最终颜色ColorF；
如图2所示，(a1)和(a2)为没有做反走样的三角形效果图，其中(a1)是原始大小，(a2)是放大后的效果；(b1)和(b2)为做了反走样的三角形效果图，其中(b1)是原始大小，(b2)是放大后的效果；表明本发明实现的三角形反走样实现方法有效。

Claims (4)

1.GPU中一种实现三角形反走样的方法，其特征为：设经过顶点处理和屏幕坐标变换后三角形三个点的坐标分别为T0(x0,y0)、T1(x1,y1)、T2(x2,y2)，其中的x0，x1，x2，y0，y1，y2均为单精度浮点数，以及三角形三条边是否需要做反走样的标志寄存器，这些数据以图元为单位存放在缓冲区FIFO中，实现方法包括以下步骤：
步骤1：从缓冲区FIFO中读取图元数据；
步骤2：对三角形三个顶点按照y坐标大小进行从小到大排序，设排序后的三个点坐标为T(xT,yT)、M(xM,yM)、B(xB,yB)，对应的是否需要做反走样的标志EdgeBT、EdgeBM、EdgeMT；计算三角形三边斜率倒数分别为BT边RSlopeBT，BM边RSlopeBM，MT边RSlopeMT；按照Y方向进行扫描，扫描线的范围为从
Figure FDA0003717595940000011
到
Figure FDA0003717595940000012
利用线段点斜式方程计算三角形三条边与扫描线的交点横坐标xBT、xMT、xBM；
步骤3：根据三角形三顶点的位置关系和步骤2计算出的交点大小关系确定扫描线对应的左边界LeftX和右边界RightX，当同时根据左、右边界所取的边记录对应的Lcnt和Rcnt，Lcnt为左边界边的斜率倒数取整，Rcnt为左边界边的斜率倒数取整；
步骤4：确定扫描线上最终需要生成的片段的范围：若左边界需要做反走样，扫描线起始位置为
Figure FDA0003717595940000013
否则为
Figure FDA0003717595940000014
若右边界需要做反走样，扫描线终止位置为
Figure FDA0003717595940000015
否则为
Figure FDA0003717595940000016
其中的减1是考虑三角形邻接的需要；
步骤5：根据步骤4确定的水平扫描线的范围生成片段，若右边界需要做反走样，左边界不需要做反走样，则需要从右向左生成片段，其余情况均按照从左到右逐个生成片段；
步骤6：面积比计算：将步骤5得到的片段分成m×m个网格，对应网格交点共(m+1)2个，分别计算确定这些网格点是否在三角形内部，若在内部当前网格点权值取1，否则取0，将所有的网格点权值相加除以总权值(m+1)2，得到该片段的面积比AR；
步骤7：分三种情况确定片段最终面积比：若三角形左右边均需要做反走样，片段最终面积比即AR，若三角形左右边只有1个需要做反走样，当计算至某个片段AR＝1或当前片段的AR小于上一个片段的AR时，扫描线上剩余片段的面积比均置为AR＝1，其余的取当前片段的AR，若三角形左右边均不需要做反走样，将不考AR，将片段面积比强制为1；
步骤8：将步骤7得到的面积比AR作为源融合因子，(1-AR)作为目的融合因子，将片段颜色和背景颜色做融合得到最终写入帧存的像素颜色。
2.根据权利要求1所述的GPU中一种实现三角形反走样的方法，其特征为：所述步骤2中的LeftX、RightX以及Lcnt、Rcnt的确定方法为：分成三种情况确定：
1)yT＝yM时，若xBT>xBM则LeftX＝xBM，RightX＝xBT，
Figure FDA0003717595940000021
Figure FDA0003717595940000022
否则LeftX＝xBT，RightX＝xBM，
Figure FDA0003717595940000023
2)yT≠yM且yB＝yM时，若xBT>xMT则LeftX＝xMT，RightX＝xBT，
Figure FDA0003717595940000024
Figure FDA0003717595940000025
否则LeftX＝xBT，RightX＝xMT，
Figure FDA0003717595940000026
3)yT≠yM且yB≠yM时，若xBT>xBM则RightX＝xBT，
Figure FDA0003717595940000027
此时若xBM>xMT，则LeftX＝xBM，
Figure FDA0003717595940000028
否则LeftX＝xMT，
Figure FDA0003717595940000029
若xBT≤xBM，则LeftX＝xBT，
Figure FDA00037175959400000210
此时若xBM>xMT，则RightX＝xMT，
Figure FDA00037175959400000213
否则RightX＝xBM，
Figure FDA00037175959400000211
3.根据权利要求1所述的GPU中一种实现三角形反走样的方法，其特征为：所述步骤6中的面积比AR计算方法为：将每个片段划分成m×m个网格，其中m取自然数，共计(m+1)2个网格点，设左下角即最小网格点坐标为(xp,yp)，各个网格点坐标为(xn,yn)＝(xp+i,yp+j)，其中i,j∈{0,1/m,2/m,3/m,…,(m-1)/m,1}，若网格点坐标(xn,yn)同时满足以下不等式：
Figure FDA00037175959400000212
则该网格点位于三角形内部，记录该点权值为1，否则该网格点不在三角形内部，记录该点权值为0，(m+1)2个网格点的权值相加除以(m+1)2得到当前片段的面积比AR。
4.实现权利要求1所述的GPU中一种实现三角形反走样的装置，其特征为：该装置用于接收经过顶点处理和屏幕坐标变换后的三角形，对这些三角形执行反走样，其由以下模块构成：
(1)三角形数据接收模块：该模块包含一个缓冲器FIFO，用于从输入缓冲区中读取三角形顶点和属性以及各边是否需要做反走样的标志；
(2)三角形水平线扫描线生成模块：该模块包含一个排序单元，用于对三角形三个顶点按照y坐标大小进行从小到大排序；三个计算单元，用于计算出三角形三边斜率倒数；循环生成水平线单元，用于按照y方向从下向上产生水平扫描线；
(3)扫描线边界计算模块：该模块包含三个计算单元，用于对每一条扫描线利用直线方程计算出与三角形三边的交点；一个判别单元，用于根据交点的大小关系确定扫描线在三角形内部的范围，同时确定左右边界需要扩展的范围；
(4)扫描线边界扩展模块：该模块包含一个判断单元和计算单元，用于根据边界是否需要做反走样对扫描线边界进行左右扩展；
(5)片段生成模块：包含一个循环单元，用于逐个生成扫描线上的各个片段；
(6)面积比计算模块：将片段分割成多个子片段，通过判断子片段网格点是否在三角形内部得到片段的面积比；
(7)面积比处理模块：根据三角形边界是否需要做反走样对面积比进行处理，得到片段的真实面积比；
(8)融合模块：利用片段真实面积比作为融合操作的源混合因子，一减去面积比作为目标混合因子将源片段与帧存中对应的像素进行融合操作。
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