CN1161714C - 一种以平行扫描线为处理单元的三维图形处理器及其绘图方法 - Google Patents

Abstract

本发明是有关一种以平行扫描线为处理单元的三维图形处理器及其绘图方法，其特征是利用一资料库存储器透过系统总线而一次并全部接收及储存来自在于主存储器的三角形(triangle)资料，在显像时，以一水平扫描线或多个扫描水平线为处理单元，扫描找寻并计算处理其相对应的三角形成为一像素，并直接像素直接显像于显示器中，如此即可取代图框暂存器及Z-暂存器，且该资料库存储器可同时共同储存2D之子图形，不仅可加快3D绘图的速度，亦可达到多媒体装置整合并简化设计的目的。

Description

一种以平行扫描线为处理单元的三维图形处理器及其绘图方法

技术领域

本发明有关一种以平行扫描线为处理单元的三维图形处理器及其绘图方法，以一水平扫描线或多个扫描水平线为处理单元，可省略一般的图框暂存器及Z-暂存器，并可与2D子图形共用资料库存储器分享资源，不仅可加快3D绘图的速度，亦可达到多媒体装置整合并简化设计的目的。

背景技术

随着资讯产业的进步，一般电脑使用者所追求的不再是早期的简单文字处理或2D画面显像，而是要求可在电脑显示器中显示出虚拟真实场景的3D多媒体立体影像，以更精致、更具真实立体感的画面为追求目标。而3D图形(3D Graphic)绘制技术即是在电脑与现实场景中的中间桥梁，3D图形绘图技术不仅可用于直实世界的事先模拟，亦可用于科学方面的视觉化、娱乐休闲的美观化、或是产品设计的动作中，表现出3D图形绘制技术所能带来的震憾效果，故世界先进诸国莫不把3D图形(3DCraphic)技术视为下一世纪的明星产业。

在3D图形的立体显像中，一般主要是利用一3D图形处理器(3DGraphic Processor)用以达成。常用的3D图形处理器，如图1所示，其处理方式概可分为绘图几何引擎阶段(Geometry Stage)及上色阶段(Rendering Stage)两大部分。其中，在绘图几何引擎阶段中，主要是利用中央处理器(CPU)11透过一系统总线13将主存储器12中的三角形(triangle)资料以一图框(frame)为处理单元而加以运算，换言之，是将3D立体空间座标资料转换为像素(pixel)资料以及管理所有多边形的布置，包括颜色、阴影及纹理等特殊属性，在这个阶段中有相当数量的数学运算需利用中央处理器11的浮点运算(FPU)来完成，此举容易造成中央处理器11资料运算及传输所造成的延滞，而影响其立体图形绘制的速度。

而在上色阶段中，其主要是提供将真实的像素显像在2D显示器上所应呈现出立体与动态的过程，接收来自中央处理器11所下载的像素资料，并藉由一包括有存储器控制器22、资料缓冲器24、图形控制器26、时序产生器28及CRT-控制器29所组合而成的绘图晶片组20而将像素资料转换成最终欲显像于显示器19的影像，并将该影像分别储存于图框暂存器(frame buffer)14及可显示出物体远近的Z-暂存器(Z-buffer)16中，再搭配色彩调色控制器15，色彩调色存储器155、视讯编码器17及显示器同步信号产生器175的功能，而将立体影像显像在显示器19中。

由于该3D图形处理器是以一图框为单元，将众多的3D基本单位三角形予以运算处理，提前增加其相对应的变数，故其图框暂存器14及Z-暂存器16所需配合的存储器容量就不能太小，以一个解析度为256×256(bits)、而像素为16bit的显示器为例，其图框暂存器14的存储器容量就不可小于256K(bytes)，而Z-暂存器16的存储器容量亦不可小于128K(bytes)，否则将造成显像的麻烦。但如此大容量的存储器(SRAM)对消费性电子产业而言，所占的成本支出比例太大，而难以在市场上广泛被应用及嘉惠广大的使用。

再者，常用的3D图形处理器无法与2D子图形运算装置共享存储器，亦难以达到资源共享整合的目的，如此对设计者而言，除了必须要注意到以软件的概念将软件所耗用的大量运算转换成硬件，以缩减软件的运算量来加快处理速度外(中央处理器的浮点运算过程)，还必须思及3D图形及2D图形的硬件配合问题，设计上有其一定的困难度。

因故，如何设计出一种三维图形处理器及其绘图方法，以有效解决图框暂存器及Z-暂存器的存储器容量问题，还可加速其图形的处理速度，并达到整合2D图形及3D场景的资源共享，长久以来一直是使用者殷切盼望及本发明欲行解决的困难点所在，本发明人基于多年从事于电脑资讯相关产业设计的实务经验，有鉴于常用3D图形处理器的弊端，并突破传统点火因在上始点之前，而造成作功时的必经过上始点，以造成重大能量损耗的缺点，以穷其个人的专业知识，经多方设计、探讨，并经无数次试作样品及改良后，终能创作出一种以平行扫描线为处理单元的三维图形处理器及其绘图方法。

发明内容

本发明的主要目的，在于提供一种以平行扫描线为处理单元的三维图形处理器及其绘图方法，舍弃常用以图框为处理单元的概念，而是以一条水平扫描线或数条水平扫描线为处理单元，以立即运算需要显像的像素而直接储存于一像素暂存器中，再搭配显示器的同步显示信号来加以显像出其立体影像，不仅可省略图框暂存器及Z-暂存器的存储器使用量，亦可大幅节省其成本支出。

本发明的次要目的，在于提供一种以平行扫描线为处理单元的三维图形处理器及其绘图方法，其3D图形的基本单元三角形(triangle)全部转储存入一资料库存储器中，而无需透过中央处理器的运算，故不会造成中央处理器资料运算及传输所造成的延滞，以加快3D图形的绘制速度。

本发明的又一目的，在于提供一种以平行扫描线为处理单元的三维图形绘图方法，以管线作业方式(pipe-line)来计算处理其三角形的上色部分及绘图几何引擎部分，而可完全发挥其硬件的功能，以加快3D图形的绘制速度。

本发明的又一目的，在于提供一种以平行扫描线为处理单元的三维图形处理器，其资料库存储器可分别储存2D图形的子图形(sprite)及3D图形的三角形(triangle)，以达到两者整合及资源共享的目的。

本发明的又一目的，在于提供一种以平行扫描线为处理单元的三维图形处理器，其图形处理器的资料库存储器可内建于与中央处理器一起的单晶片中，以简化其设计及制程上的困难度。

本发明的目的可以按下述实现，一种以平行扫描线为处理单元的三维图形处理器的绘图方法，其特征在于步骤包括有：

(A)把一组群所有欲绘制显像的三角形，全部由主存储器转送储存予一3D图形处理器的资料库存储器中；

(B)因应每一单位水平扫描线的需要，从资料库存储器中扫描并找出其相对应的三角形；

(C)相对应的三角形经一3D功能运算器中的三角形配置检测器、端点运算器、三角形X值运算器、三角形查表控制器、色彩调色控制器及色彩调色存储器，以管线式作业方式，运算而成为所欲绘制的像素，并經由一像素控制器直接储存入一像素暂存器中；及

(D)搭配显示器的同步信号而将储存于像素暂存器中的像素显像于显示器中。

(A)步骤中的三角形组群是以一图框为单位。

(A)步骤中的三角形组群是以多个水平扫描线为单位。

(B)步骤中的每一单位水平扫描线是指以一水平扫描线为单位。

(B)步骤中的每一单位水平扫描线是指以多条水平扫描线为单位。

(C)步骤中的像素暂存器容量大小可视显示器的解析度大小而调整。

(C)步骤中的运算方式是指以管线式作业方式对三角形所进行的绘图几何引擎动作及上色动作。

该3D图形处理器的资料库存储器亦可用来储存2D图框的子图形。

储存于资料库存储器内的2D图框子图形及3D像素三角形是可藉由每一笔资料的一位元变化不同以资判断。

尚可外载一图框暂存器，用以接收整个图框的像素。

实现本发明目的的硬件结构为，一种以平行扫描线为处理单元的三维图形处理器，其特征在于结构包括：

一资料库存储器，藉由一系统总线而分别与一主存储器及一中央处理器连接，而可用以储存来自于主存储器中的多个三角形资料；

一扫描控制器，连接该资料库存储器，可因应每一单位水平扫描线而在资料库存储器中检测出其相对应的三角形；

一3D功能运算器，连接并接收自该扫描控制器所传来的相对应三角形资料，并经运算致使其成为可显像的像素，该3D功能运算器依电性连接顺序关系至少包括有一三角形配置检测器、端点运算器、三角形X值运算器、三角形查表控制器、色彩调色控制器及色彩调色存储器，其中该三角形配置检测器与该扫描控制器电连接在一起；

一像素控制器，连接于该色彩调色控制器及至少一像素暂存器之间，而可自色彩调色控制器处将处理运算好的像素直接选择移存至其中一像素暂存器中；及

一视讯编码器，分别连接该像素控制器及一同步信号产生器，可将欲显像的像素进行数字类比信号转换，并搭配该同步信号产生器所产生的显示器同步信号，而依时序在一显示器中显像出其3D图形。

该资料库存储器与系统总线之间尚可连设有一直接存储器存取控制器。

该资料库存储器尚可储存2D图形的子图形资料，致使该资料库存储器可再连接有一2D子图形运算装置。

该2D子图形运算装置是由一片段产生器、视讯混合器、2D功能运算器及功能产生器所组合而成，由该片段产生器以连接该资料库存储器，再从2D功能运算器连接该像素控制器，而视讯混合器则分别连接该片段产生器、2D功能运算器及功能产生器。

尚可包括有一可储存整个图框资料的图框暂存器，分别连接该3D功能运算器及像素控制器。

该像素暂存器数量是以两个为最佳。

该三维图形处理器是可与该中央处理器同时内建于一单晶片中。

附图说明

兹为使对本发明的结构、特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，佐以较佳的实施图例及详细说明如后：

附图说明：

图1为常用3D图形处理器的主要构造示意图；

图2为本发明3D图形的绘图流程图；

图3为本发明一较佳实施例的主要构造示意图；

图4为图3所示实施例的3D功能运算器内部构造示意图；

图5为本发明另一实施例构造示意图；及

图6是本发明又一实施例构造示意图。

具体实施方式

首先，请参阅图2，是为本发明3D图形的绘图流程图；如图所示，本发明主要绘图方法至少包括有下列步骤：

步骤201，中央处理器(CPU)侦测是否有3D图形绘制的请求，若无，则回至原始状态，继续侦测；

步骤203，已测得3D图形绘制要求，故将所有欲绘制的3D图形三角形组群(如一图框或多条水平扫描线)以管线式作业方式全部放入一3D图形处理器的资料库存储器中；

步骤205，因应每一单位水平扫描线(如一条水平扫描线或多条水平扫描线)，扫描已储存于资料库存储器中的三角形，并找出与其相对应的三角形；

步骤207，将该相对应的三角形经3D图形处理器的计算而成为像素，并把该像素直接储存于一像素暂存器中；

步骤209，搭配视讯编码器及显示器的同步信号而将该像素显像于显示器中；及

步骤210，判断是否已完成3D图形的绘制工作，若是，则结束工作；若否，则回至步205，进行下一单位水平扫描线的3D图形三角形的绘制工作。

在上述步骤中，可发现其中央处理器(CPU)并不做为三角形的运算工作，且其3D图形三角形是以组群为单位一次存入图形处理器中，故不会造成中央处理器资料运算及传输所造成的延滞，而得以加快3D图形的绘制速度功能。且以管线作业方式运算处理过后的像素直接储存于像素暂存器中，而无需使用大容量的图框暂存器及Z-暂存器一储存以图框为处理单元的大量数据，故可节省存储器的使用量。

再者，请参阅图3，是为本发明一较佳实施例的主要构造示意图；如图所示，本发明3D图形处理器(3D Graphic Processor)主要是包括有一直接存储器存取控取器(Fragment Attribute DMA)34、资料库存储器(Database Memory)35、扫描控制器(Scan Controller)41、3D功能运算器50、像素控制器(Pixel Controller)43、及至少一像素暂存器(PixelBuffer)451、455，其中该直接存储器存取控取器34可透过一系统总线33而受控于一中央处理器(CPU)31的指令，以控制该资料库存储器35接收来自于一主存储器32的三角形(triangle)资料，其是以一图框或多条水平扫描线的组群方式一次全部而将其三角形资料予以存入。当显示器39欲显像出其3D场景时，该扫描控制器41将至资料库存储器35扫描并寻找出欲在该条水平扫描线或多条水平扫描线绘制出现的三角形资料，再经过3D功能运算器50的运算以成为像素(pixel)资料，并受制于像素控制器43而选择暂存于第一像素暂存器451或第二像素暂存器455中，其中一像素暂存器451可储存下一条水平扫描线欲显示的像素，而此同时另一像素暂存器455则搭配视讯编码器37及显示器同步信号产生器38的作用，而在显示器39中的该条水平扫描线或多条水平扫描线显像出该3D场景。

而由本发明是以一水平扫描线或多条水平扫描线为处理单位及时运算，而舍弃常用以图框为处理单位的运算方式，故其欲暂存的资料容量即无需太大，只需一资料库存储器35及一像素暂存器45即可取代存储器大容量的图框暂存器及Z-暂存器，所以相对就可节省成本支出。

请参阅图4，是为本发明3D功能运算器50的内部构造示意图，在其中主要是由一三角形配置检测器(Triangle Inrange Checker)52、端点运算器(End Point Calculator)53、三角形X值运算器(Triangle X ValueCalculator)54、三角形查表控制器(Triangle Look Up Table Controller)56、及一色彩调色控制器(Color Palette Controller)58、色彩调色存储器585所组合而成，其主要是把常用处理三角形的上色部分及绘图几何引擎部分以管线作业方式(pipe-line)来计算处理，不再透过中央处理器(CPU)，而可完全发挥其硬件的功能，藉此以加快3D图形的绘制速度及减少因中央处理器处理资料运算及传输所造成的延滞现象。

再者，请参阅图5，是为本发明的另一实施例示意图；由于2D图形的子图形(sprite)或动画资料的架构本来即与3D绘制图形的架构有许多相同之处极为类似，故本发明的资料库存储器35亦可连接一2D子图形运算装置60以用来储存2D的子图形资料，在该2D子图形运算装置60中是包括有一片段产生器(Fragment Generator)61、功能产生器65、视讯混合器63、及一2D功能运算器67，其中该片段产生器61可接收来自于资料库存储器35属于2D的属性资料，并经过可产生文字、视讯功能、及视讯时序资料的功能产生器65作用，再一起传送至视讯混合器63叠整，及藉由2D功能运算器67的运算以得到2D图形资料，并受控像素控制器43以搭配该3D图形一起至显示器39中显像出完美的图样。因为，2D图形及3D图形皆透过同一架构及资料库存储器35，因此轻易可达到两者密切整合的目的，而简化其设计的麻烦。而存在于资料库存储器35内的资料则可藉由资料内其中一属性位元的变化不同(未显示)而加以判断该笔资料是为2D图形或3D图形资料并选择是何种传输路径。

最后，请参阅图6，是为本发明又一实施例示意图；由于本发明的资料库存储器35容量是固定式，其水平扫描线所能处理的三角形个数总量亦有一定的限制。为可配合各种显示器解析度的不同，而避免本发明3D图形处理器有所使用上的限制，故在本发明此实施例中尚可设有一图框暂存器(Frame Buffer)70，分别连接于该3D功能运算器50及像素控制器43，3D功能运算器50以管线式(pipeline)及整个图框的方式接收资料库存储器内资料而运算完成时，可立即把完成的图框资料储存于该图框暂存器70中，而像素控制器43还是以水平扫描线为处理单元方式，依时序控制图框暂存器70内的资料选择储存于第一像素暂存器451或第二像素暂存器455中，以等待在显示器39中的该水平扫描线中显像出来。由于图框暂存器70的协助，本发明图形处理器亦可一次运算处理整个图框的资料，而无三角形个数总量的限制，当然也就无需如前述实施例的扫描控制器41，且由于其中的运算还是以管线式作业方式运算，故其运算速度还是可保持一定的快速。

当然，其资料库存储器35及像素暂存器45的存储器容量大小亦可视显示器39的解析度及其实际的需要而得以随意调整其大小。但由于本发明是以每一条水平扫描线为处理的单位，而有别于常用以图框为处理单元的态样，故其总合存储器使用的容量相对于常用的图框暂存器及Z-暂存器存储器的总合还是可节省相当的可观数字。且，本发明的3D图形处理器是可内建于与中央处理器同一单晶片中，故其所可选择使用的存储器种类及容量大小相对亦就较富弹性。

综上所述，当知本发明是有关一种以平行扫描线为处理单元的三维图形处理器及其绘图方法。以一水平扫描线或多个扫描水平线为处理单元，可省略一般的图框暂存器及Z-暂存器而节省大量的存储器使用量，并可与2D子图形共用资料库存储器分享资源，不仅可加快3D绘图的速度，亦可达到多媒体装置整合并简化设计的目的。故本发明实为一富有新颖性、进步性，及可供产业利用功效，应符合专利申请要件无疑；故依法提出发明专利申请。

惟以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，如，在像素控制器功能强大的情况下，其第一像素暂存器及第二像素暂存器亦可结合为一。故即凡依本发明申请专利范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的申请专利范围内。

Claims (17)

1、一种以平行扫描线为处理单元的三维图形处理器的绘图方法，其特征在于步骤包括有：

(A)把一组群所有欲绘制显像的三角形，全部由主存储器转送储存予一3D图形处理器的资料库存储器中；

(B)因应每一单位水平扫描线的需要，从资料库存储器中扫描并找出其相对应的三角形；

(C)相对应的三角形经一3D功能运算器中的三角形配置检测器、端点运算器、三角形X值运算器、三角形查表控制器、色彩调色控制器及色彩调色存储器，以管线式作业方式，运算而成为所欲绘制的像素，并經由一像素控制器直接储存入一像素暂存器中；及

(D)搭配显示器的同步信号而将储存于像素暂存器中的像素显像于显示器中。

2、如权利要求1所述的三维图形处理器的绘图方法，其特征在于：(A)步骤中的三角形组群是以一图框为单位。

3、如权利要求1所述的三维图形处理器的绘图方法，其特征在于：(A)步骤中的三角形组群是以多个水平扫描线为单位。

4、如权利要求1所述的三维图形处理器的绘图方法，其特征在于：(B)步骤中的每一单位水平扫描线是指以一水平扫描线为单位。

5、如权利要求1所述的三维图形处理器的绘图方法，其特征在于：(B)步骤中的每一单位水平扫描线是指以多条水平扫描线为单位。

6、如权利要求1所述的三维图形处理器的绘图方法，其特征在于：(C)步骤中的像素暂存器容量大小可视显示器的解析度大小而调整。

7、如权利要求1所述的三维图形处理器的绘图方法，其特征在于：(C)步骤中的运算方式是指以管线式作业方式对三角形所进行的绘图几何引擎动作及上色动作。

8、如权利要求1所述的三维图形处理器的绘图方法，其特征在于：该3D图形处理器的资料库存储器亦可用来储存2D图框的子图形。

9、如权利要求8所述的三维图形处理器的绘图方法，其特征在于：储存于资料库存储器内的2D图框子图形及3D像素三角形是可藉由每一笔资料的一位元变化不同以资判断。

10、如权利要求8所述的三维图形处理器的绘图方法，其特征在于：尚可外载一图框暂存器，用以接收整个图框的像素。

11、一种以平行扫描线为处理单元的三维图形处理器，其特征在于结构包括：

一资料库存储器，藉由一系统总线而分别与一主存储器及一中央处理器连接，而可用以储存来自于主存储器中的多个三角形资料；

一扫描控制器，连接该资料库存储器，可因应每一单位水平扫描线而在资料库存储器中检测出其相对应的三角形；

一3D功能运算器，连接并接收自该扫描控制器所传来的相对应三角形资料，并经运算致使其成为可显像的像素，该3D功能运算器依电性连接顺序关系至少包括有一三角形配置检测器、端点运算器、三角形X值运算器、三角形查表控制器、色彩调色控制器及色彩调色存储器，其中该三角形配置检测器与该扫描控制器电连接在一起；

一像素控制器，连接于该色彩调色控制器及至少一像素暂存器之间，而可自色彩调色控制器处将处理运算好的像素直接选择移存至其中一像素暂存器中；及

一视讯编码器，分别连接该像素控制器及一同步信号产生器，可将欲显像的像素进行数字类比信号转换，并搭配该同步信号产生器所产生的显示器同步信号，而依时序在一显示器中显像出具3D图形。

12、如权利要求11所述的三维图形处理器，其特征在于：该资料库存储器与系统总线之间尚可连设有一直接存储器存取控制器。

13、、如权利要求11所述的三维图形处理器，其特征在于：该资料库存储器尚可储存2D图形的子图形资料，致使该资料库存储器可再连接有一2D子图形运算装置。

14、如权利要求11所述的三维图形处理器，其特征在于：该2D子图形运算装置是由一片段产生器、视讯混合器、2D功能运算器及功能产生器所组合而成，由该片段产生器以连接该资料库存储器，再从2D功能运算器连接该像素控制器，而视讯混合器则分别连接该片段产生器、2D功能运算器及功能产生器。

16、如权利要求11所述的三维图形处理器，其特征在于：尚可包括有一可储存整个图框资料的图框暂存器，分别连接该3D功能运算器及像素控制器。

17、如权利要求11所述的三维图形处理器，其特征在于：该像素暂存器数量是以两个为最佳。

18、如权利要求11所述的三维图形处理器，其特征在于：该三维图形处理器是可与该中央处理器同时内建于一单晶片中。

Images