CN1242366C

CN1242366C - 电脑绘图系统中交点快取单元、剪辑引擎和修剪图元的方法

Info

Publication number: CN1242366C
Application number: CN 02103598
Authority: CN
Inventors: 吕忠晏; 林翔祺
Original assignee: Silicon Integrated Systems Corp
Current assignee: Silicon Integrated Systems Corp
Priority date: 2002-02-07
Filing date: 2002-02-07
Publication date: 2006-02-15
Anticipated expiration: 2022-02-07
Also published as: CN1437163A

Abstract

一种电脑绘图系统中修剪图元的装置和方法。本发明提供一交点快取单元用以储存先前的经修剪顶点资料，并供后续的运算步骤来重复使用，因此可明显地减少大量的资料运算。上述方法包括提供指定修剪平面的平面识别码和指定绘图图元的一侧边的一对顶点索引，将平面识别码和一对顶点索引与快取平面识别码和一对快取顶点索引来作比较并决定比较步骤的结果，如果上述结果表示快取命中状态时，则取回快取顶点资料来当作定义修剪图元的经修剪顶点资料。

Description

电脑绘图系统中交点快取单元、剪辑引擎和修剪图元的方法

技术领域

本发明为系关于电脑绘图(computer graphics)系统，特别系关于具有一交点快取单元的剪辑引擎(clipping machine)，该交点快取单元可用以与一个以上的边界(boundary)进行修剪(clip)绘图图元(primitive)的运算。

背景技术

电脑绘图系统通常以二维(two-dimensional)的荧幕显示器来显示物件的图形表示。现有电脑绘图系统可提供高度细致(highly detailed)的图形表示且可运用于种种的应用中。

在传统的电脑绘图系统中，荧幕显示器上物件被分解成复数绘图图元来描绘。图元是绘图影像的基本元件，可包括点，线，三角形或四角形的多边形。传统上，以软硬件的方法来表现或描绘绘图图元以呈现二维荧幕显示器上一个以上物件的视觉效果。

一般而言，图元定义了由主电脑所提供需要表现(render)的三维物件，并定义每一图元各项图元资料。举例而言，当图元为三角形时，主电脑以X、Y、Z轴上的顶点和每一顶点的R、G、B(红、录、蓝)色彩值来定义图元的项目。表现硬件对图元资料进行内插(interpolate)以计算应被点亮(turnon)的荧幕显示器像素和每一像素的R、G、B色彩值来表示每一图元。

由电脑绘图系统的剪辑引擎所执行的众多复杂运算里，其中之一为修剪绘图图元。修剪绘图图元以决定绘图图元的某一部份可显示在已知的“修剪区(clip region)”里，修剪区可为二维平面，例如视窗(window)，亦可为三维观景空间(volume)。在修剪区所显示的图元亦可为一维(例如线)或二维(多边形)。

许多技术已被开发来修剪点，线，或多边形。这些技术均为密集计算的图形处理，特别是在应用三维修剪区来修剪多边形。

为了加速电脑绘图系统的运算，通常使用用来专门修剪运算的特定目的电路，但仍需方法来增加效能的改进。特别是减少剪辑引擎所执行的修剪计算的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电脑绘图系统中交点快取单元、剪辑引擎及修剪图元的方法，用以减少在电脑绘图系统的剪辑引擎执行修剪输入图元所需的修剪计算。

本发明提供电脑绘图系统的剪辑引擎所使用的交点快取单元。上述交点快取单元包括交点缓冲器，标记单元和快取控制器。交点缓冲器储存交点资料，即与交点相关的经修剪顶点资料。标记单元具有至少一标记对应上述交点资料，标记单元接收所输入的平面识别码(PID)和一对顶点索引(VID₁，VID₂)，并提供回传的输出讯号。此外，标记单元从上述标记中搜寻一符合标记，上述符合标记是上述标记相符于上述平面识别码和上述顶点索引，如果存在符合标记时，标记单元发出回传讯号以表示命中状态并提供缓冲器地址，否则，如果不存在符合标记时，标记单元发出回传讯号以表示错失状态。快取控制器接收回传讯号的输入，当回传讯号表示命中状态时，快取控制器指示交点缓冲器依据符合标记相关的缓冲器地址来提供交点资料。换句话说，当回传讯号表示错失状态时，快取控制器将新的交点资料储存在交点缓冲器并依据新的交点资料和新标记相关的新地址来更新标记单元。新的地址可用以存取(access)交点缓种器中的新交点资料。

本发明的一剪辑引擎，至少包含：

一存储器，具有存储器位置；

一剪辑处理器，用以决定一输入图元的侧边与至少一修剪平面的交点，并将定义一经修剪图元的经修剪顶点资料，储存于上述存储器位置，其中上述修剪平面具有一平面识别码，且每一上述侧边具有一对顶点索引对应一对顶点资料所定义的上述侧边；

一交点快取单元，用以接收上述平面识别码和上述一对顶点索引且提供一第一讯号，上述交点快取单元包含至少一标记和上述标记对应的交点资料以搜寻至少一符合标记，上述符合标记是上述标记相符于上述平面识别码和上述顶点索引，如果上述符合标记存在时，上述交点快取单元发出上述第一讯号以表示一命中状态，其中如果不存在上述符合标记时，上述交点快取单元发出上述第一讯号以表示一错失状态；以及

一剪辑控制器，从上述交点快取单元接收上述第一讯号并提供上述平面识别码和上述一对顶点索引至上述交点快取单元，当上述第一讯号表示上述错失状态时，指示上述剪辑处理器以上述经修剪顶点资料来更新上述交点快取单元，当上述第一讯号表示上述命中状态时，指示上述剪辑处理器从上述交点快取单元中取回上述交点资料。

一种电脑绘图系统中修剪图元的方法，至少包含：

提供一平面识别码和一对顶点索引，其中平面识别码表示一修剪平面，一对顶点索引表示一绘图图元的一侧边；

接收一快取平面识别码和一对快取顶点索引，并与上述平面识别码和上述一对顶点索引相比较；

从上述比较步骤来决定一结果；

以及如果上述结果表示一快取命中状态时，则取回快取的相应于上述快取平面识别码和上述一对快取顶点索引的一经修剪顶点资料，来当作形成上述绘图图元的上述侧边的经修剪顶点资料。

本发明提供一交点快取单元用以储存先前的经修剪顶点资料，并供后续的运算步骤来重复使用，因此可明显地减少大量的资料运算。

附图说明

图1系包含本发明的几何子系统的较佳电脑绘图系统方块图。

图2系包含本发明的剪辑引擎的几何子系统方块图。

图3系本发明的剪辑引擎实施例方块图。

图4A系以二维修剪边界修剪输入图元的图形。

图4B系以X_MIN、X_MAX、Y_MIN、Y_MAX修剪平面修剪输入图元的几何图形结果。

图4C系以二维修剪边界来修剪表示一物件视觉效果的三相邻图元。

图5系依本发明的交点快取单元实施例方块图。

图6系包含具有依本发明交点快取单元的剪辑引擎运作流程图。

具体实施方式

参考图1，包含本发明剪辑引擎的较佳电脑绘图系统100，图形系统100包含几何子系统(geometry subsystem)102，表现子系统(renderingsubsystem)104和图框缓冲子系统(frame buffer subsystem)106。几何子系统102通过汇流排110从主处理器108中接收需被表现的图元。传统上图元的顶点分成X、Y、Z、W的座标资料，N_X、N_Y、N_Z的资料，R、G、B和α的色彩资料以及S、T、R、Q材值资料等部份。

几何子系统102通过汇流排112经由表现子系统104来提供图框缓冲子系统106图元在三维所代表资料。表现子系统104包含材质贴图引擎，上述材质贴图引擎内插接收到的图元资料来计算在荧幕显示器像素上所表示的图元并决定每一图元像素所对应的最终材质资料。最终材质资料经汇流排114提供给图框缓冲子系统106。表现子系统104决定物件每一像素的色彩值和Z值。表现子系统104以一个一个的像素(pixel-by-pixel)为基础，结合物件的色彩值和可选择的材质贴图引擎所提供最终的材质资料，来产生每一像素的最终图像R，G，B值。

几何子系统102通过汇流排110接收主处理器108上的图形应用程式的图元的座标和其他资料。几何子系统102处理图元资料，包括顶点状态(座标)和属性状态(色彩，光源等)资料。并产生表现资料，如果有需要的话，执行浮点与定点(fixed-point)转换，通过汇流排112提供图元资料流(stream)给表现子系统104。

表现子系统104可为任何已广为人知的现有或未来的系统。此外，几何子系统102、表现子系统104最好为管线化(pipelined)的设计且能同时操作多个图元。当表现子系统104运作由几何子系统102先前提供的图元时，几何子系统102可继续运作来提新的图元直到表现子系统104管线满了为止。

图2为包括依据本发明的剪辑引擎204架构的几何子系统102的方块图。本实施例中，剪辑引擎204可支援任何方位的修剪平面的修剪。如上所述，几何子系统102包括转换引擎200，光源引擎202和剪辑引擎204等数个特定引擎。转换引擎200从主处理器108接收图元顶点资料并执行顶点资料的转换，例如依比例(scale)或在空间中移动顶点。转换引擎200亦可计算图元的每一顶点的修剪码来决定剪辑引擎204是否一般地(trivially)接受或驳回图元。计算修剪码(clip code)和决定一般地接收或驳回为习知的技术而在此不作详细的描述。

简略地说，当修剪码表示图元的每一顶点皆位于修剪空间内时，图元可一般地接受。另一方面，当修剪码表示图元的任一顶点均位于修剪空间外部时，则图元被一般地驳回，转换引擎200将所有超过修剪边界的部份作简单去除并得到转换过的顶点资料，然后再处理下一图元。

然而，当图元不是一般的驳回时，转换过的顶点资料通过汇流排208提供给光源引擎202。依据一般地接受和驳回的决定，转换引擎200通过讯号线210提供控制资讯给剪辑引擎204来表示图元是否要修剪或根本不用修剪。转换引擎200通过讯号线210提供修剪码给剪辑引擎204来控制剪辑引擎204。当修剪码表示图元可被一般地接收时，图元全部位于修饰边界内。当修饰码表示图元不被一般地接收也不被一般地驳回时，剪辑引擎204决定图元和修剪边界是否有任何交点。

如图示，上述的光源引擎202，通过讯号线208来接收转换过的图元顶点资料，这些顶点资料并没有被转换引擎200一般地驳回。光源引擎202模拟光源条件来加强影像资料，并通过汇流排212来提供加强顶点资料(enhanced vertex data)给剪辑引擎204。剪辑引擎204接收光源引擎202传来的顶点资料，并决定每一图元是否要执行修剪。剪辑引擎204以修剪边界来修剪图元并通过汇流排112来提供修剪图元资料给表现子系统104。如图元完全剪除在外时，亦即图元无任何部份在修剪边界之内，则不必提供顶点资料给表现子系统104。

图3依据本发明的剪辑引擎204实施例的方块图。剪辑引擎204包括剪辑控制器302，顶点查询表VLUT304，顶点存储器VRAM306，剪辑处理器308，和交点快取单元310。剪辑控制器302通过汇流排312来控制VLUT304、VRAM306、剪辑处理器308以及交点快取单元310。VLUT 304和VRAM306不必然实施在图3的剪辑引擎204内，而可以位于几何子系统102的任何部份。剪辑控制器302接收控制资讯，包括通过讯号线210的修饰码，和通过汇流排212的光源加强顶点资料，和指示剪辑处理器308产生经修剪顶点资料。

剪辑控制器302将输入图元的光源加强顶点资料储存在VRAM306，并将对应储放在VRAM306的顶点资料的顶点索引储存在VLUT 304。VRAM306具有数个位置(locations)用以储存顶点资料。当控制资讯表示无须执行任何修剪，剪辑控制器302仅将光源加强顶点资料提供给表现子系统104。例如，当输入图元完全位于修剪边界内时。否则，当控制信号表示要执行修剪时，剪辑控制器302指示交点快取单元310和剪辑处理器308完成修剪处理。顶点资料通过汇流排314在VRAM306，剪辑处理器308和交点快取单元310之间传递。

图4A以X_MIN、X_MAX、Y_MIN、Y_MAX为边界的二维修剪平面修剪输入图元的示意图。为方便之故，输入图元V0-V1-V2仅以二维方式修剪，熟习此技艺的人士可延伸至以三维处理。剪辑处理器308以修剪平面X_MIN修剪输入图元的每一侧边，并产生第一输出顶点集(set)。首先在侧边V0-V1的交叉点产生了新的顶点V4，剪辑处理器308然后处理侧边V2-V0并决定V5的产生。相同的动作，剪辑处理器308连续地处理其余的修剪平面X_MAX、Y_MIN、Y_MAX。图4B为以X_MIN X_MAX、Y_MIN、Y_MAX为边界来修剪输入图元所产生的经修剪几何图形V4-V5-V10-V9-V7-V6-V8。

在电脑图形中，大部份的物件以相邻的图元表现。图4C，以二维的修剪边界来修剪表示一物件视觉感受的三个相邻图元。如上所述，图元V0-V1-V2和V0-V2-V3有一共同的侧边V0-V2，图元V0-V2-V3和V0-V3-V4有一共同侧边V0-V3。由修剪平面Y_MIN来修剪图元V0-V1-V2且建立二经修剪顶点(clipped vertex)V5和V6。由于V0-V2为图元V0-V1-V2和V0-V2-V3共同侧边，当修剪平面Y_MIN来修剪图元V0-V2-V3时，如果V6已预先存放在快取中就可重覆使用并再建立V7。同样地，修剪平面Y_MIN来修剪图元V0-V3-V4而产生修饰几何图形V0-V7-V8-V4。以此方法，根据本发明储存之前的经修剪顶点资料(clipped vertex data)来重覆使用，可明显地减少修剪的运算。

继续参考图3，当修剪平面修剪图元时，剪辑控制器302首先检查是否可在交点快取单元310中找到修剪平面和侧边的交点资料。如果交点快取单元310发出的第一讯号316表示快取错失状态，剪辑控制器302载入定义输入图元的顶点索引至VLUT 304，并指示剪辑处理器308来决定输入图元和修剪边界适当的交点。然而，如果第一讯号316表示快取命中的状态，剪辑控制器302从交点快取单元310中取回交点资料并载入至VRAM306且更新VLUT 304资料，因此，剪辑处理器308在此侧边不执行任何动作。剪辑处理器308继续修剪输入图元的其他侧边，并将经修剪顶点资料储存在VRAM306，将VLUT 304的顶点索引更新来指向经修剪顶点资料，并将交点快取单元310中的侧边资讯以及与侧边资讯相关的交点资料更新。当控制权回到剪辑控制器302时，剪辑控制器302通过汇流排112提供经修剪顶点资料给表现子系统104。

图5中，交点快取单元的较佳实施例包括标记单元(tag unit)502，快取控制器504和交点缓冲器506。交点缓冲器506储存与交点相关的经修剪顶点资料的交点资料。标记单元502用来决定快取的命中或错失状态。标记单元具有对应交点资料的标记，并从剪辑控制器302接收PID 318和一对顶点索引(VID₁，VID₂)320。标记单元502搜寻符合接收到的PID 318和一对顶点索引(VID₁，VID₂)320的标记。如果存在符合的标记则标记单元502发出第二讯号508以表示快取命中状态且并提供符合标记相关的缓冲器地址514。如果不存在符合的标记则标记单元502发出第二讯号508表示快取错失状态。

如上所述，标记单元502中的符合标记意指符合标记的PID_TAG和接收的PID是相同，且其(VID_TAG1，VID_TAG2)和接收的一对顶点索引(VID₁，VID₂)也是相同，因为(VID₁，VID₂)和(VID₂，VID₁)表示相同的侧边，(VID_TAG1，VID_TAG2)和接收的一对顶点索引(VID₁，VID₂)亦为相同

当第二讯号508表示快取命中状态时，快取控制器504通过汇流排512并依据符合标记相关的缓冲器地址514来指示交点缓冲器506提供交点资料。换句话说，当第二讯号508表示快取错失状态时，快取控制器504在交点缓冲器506中储存新标记对应的新交点资料和新标记相关的新地址，通过汇流排510以新标记来更新标记单元502。新地址用来指向交点缓冲器506的新交点资料。此外，新标记包含接收到的平面识别码和接收到的一对顶点索引。新的交点资料为剪辑处理器308计算的经修剪顶点资料。

图6为包含310的剪辑引擎204的较佳运作流程图。

剪辑控制器302从光源引擎202中接收光源加强的顶点资料且从转换引擎200中接收控制资料(步骤600)。剪辑控制器302决定输入图元是否须要修剪(步骤602)。如果应修剪输入图元，则剪辑引擎204重覆修剪步骤来处理所有的修剪平面(步骤604)。剪辑引擎204从控制资讯中选择一尚未处理的修剪平面来修剪图元(步骤606)。当决定修剪平面后，将图元的每一侧边以修剪平面一个接一个地修剪(步骤608～610)。

剪辑控制器302指示交点快取单元310来搜寻可节省修剪计算的侧边的交点。交点快取单元310比较从剪辑控制器302接收的PID和(VID₁，VID₂)以及从标记单元502内部的快取PID_TAG和快取(VID_TAG1，VID_TAG2)。如果发现符合的标记，交点快取单元显示快取命中并提供快取的顶点资料来当作形成修剪图元的经修剪顶点资料(步骤614)。否则，剪辑处理器308以修剪平面来修剪图元的侧边并决定以新的经修剪顶点资料来当作经修剪顶点资料。然后剪辑控制器302指示剪辑处理器308储存新的顶点资料来当作快取顶点资料且储存PID和(VID₁，VID₂)来当作新的快取平面识别码和一对新的快取顶点索引(步骤616)。

本发明虽以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉本项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内当可做更动和润饰，因此本发明的保护范围以权利要求书界定。

Claims

1.一种电脑绘图系统中的交点快取单元，其特征在于，至少包含：

一交点缓冲器，用以储存与一交点相关的一经修剪顶点资料的一交点资料；

一标记单元，具有至少一标记对应到上述交点资料，接收一平面识别码和一对顶点索引并提供一回传讯号，上述标记单元用以从上述标记中搜寻一符合标记，上述符合标记是上述标记相符于上述平面识别码和上述顶点索引，其中如果存在上述符合标记时，则上述标记单元发出上述回传讯号以表示一命中状态，且提供与上述符合标记相关的一缓冲器地址，如果未搜寻得到上述符合标记时，则上述标记单元发出上述回传讯号以表示一错失状态；以及

一快取控制器，接收上述回传讯号，当上述回传讯号表示上述命中状态时，依上述符合标记相关的上述缓冲器地址来指示上述交点缓冲器提供上述交点资料，当上述回传讯号表示上述错失状态时，将一新的交点资料储存在上述交点缓冲器，并用对应于上述新交点资料的一新标记以及与上述新标记相关的一新地址来更新上述标记单元，其中上述新地址指向上述交点缓冲器中的上述新交点资料。

2.如权利要求1所述的交点快取单元，其特征在于，当上述回传讯号为上述错失状态时，上述新标记包括接收的上述平面识别码和上述一对顶点索引。

3.如权利要求1所述的交点快取单元，其特征在于，上述一对顶点索引对应到一对顶点资料所定义的一输入图元的一侧边。

4.如权利要求3所述的交点快取单元，其特征在于，上述交点为以上述平面识别码所表示的一修剪平面来修剪上述输入图元的上述侧边而产生的一经修剪顶点。

5.一剪辑引擎，至少包含：

一存储器，具有存储器位置；

一交点快取单元，用以接收上述平面识别码和上述一对顶点索引且提供一第一讯号，上述交点快取单元包含至少一标记和上述标记对应的交点资料以搜寻至少一符合标记，上述符合标记系上述标记相符于上述平面识别码和上述顶点索引，如果上述符合标记存在时，上述交点快取单元发出上述第一讯号以表示一命中状态，其中如果不存在上述符合标记时，上述交点快取单元发出上述第一讯号以表示一错失状态；以及

6.如权利要求5所述的剪辑引擎，其特征在于，上述交点快取单元至少包含：

一交点缓冲器，用以储存与一上述交点相关的上述经修剪顶点资料的上述交点资料；

一标记单元，具有至少一上述标记对应上述交点资料，上述标记单元接收上述平面识别码和上述一对顶点索引且发出一第二讯号，以从上述标记中搜寻一符合标记，上述符合标记是上述标记相符于上述平面识别码和上述顶点索引，其中如果上述符合标记存在时，上述标记单元发出上述第二讯号表示上述命中状态并提供与上述符合标记相关的一缓冲器地址，如果上述符合标记不存在时，上述标记单元发出上述第二讯号表示上述错失状态；以及

一快取控制器，用以接收上述第二讯号且发出上述第一讯号，当上述第二讯号表示上述命中状态时，上述快取控制器发出上述第一讯号表示上述命中状态并指示上述交点缓冲器，依据上述符合标记相关的上述缓冲器地址来提供上述交点资料，当上述第二讯号表示上述错失状态时，上述快取控制器发出上述第二讯号以表示上述错失状态，并在上述交点缓冲器中储存新交点资料且以一新标记对应上述新交点资料和上述新标记相关的一新地址来更新上述标记单元，其中上述新地址指向上述交点缓冲器的新交点资料。

7.如权利要求6所述的剪辑引擎，其特征在于，当上述第二讯号表示上述错失状态时，上述新标记包括接收到的上述平面识别码和上述一对顶点索引。

8.如权利要求6所述的剪辑引擎，其特征在于，上述新交点资料为上述剪辑处理器所计算的上述经修剪顶点资料。

9.一种电脑绘图系统中修剪图元的方法，其特征在于，至少包含：

从上述比较步骤来决定一结果；以及

如果上述结果表示一快取命中状态时，则取回快取的相应于上述快取平面识别码和上述一对快取顶点索引的一经修剪顶点资料，来当作形成上述绘图图元的上述侧边的经修剪顶点资料。

10.如权利要求9所述的电脑绘图系统中修剪图元的方法，其特征在于，更至少包含：

如果上述结果表示一快取错失状态时，以上述修剪平面来修剪上述绘图图元的上述侧边，以决定新的经修剪顶点资料，来当作上述形成上述经修剪图元的上述经修剪顶点资料；以及

储存上述新的经修剪顶点资料当作新快取顶点资料并储存上述平面识别码和上述一对顶点索引来当作一新快取平面识别码和一对新快取顶点索引。

11.如权利要求9所述的电脑绘图系统中修剪图元的方法，其特征在于，上述一对顶点索引对应到上述一对顶点资料所定义的上述绘图图元的上述侧边。

12.如权利要求9所述的电脑绘图系统中修剪图元的方法，其特征在于，如果上述平面识别码符合上述快取平面识别码和上述一对顶点索引符合上述一对快取顶点索引时，则上述决定步骤产生上述结果以表示上述快取命中状态。

13.如权利要求9所述的电脑绘图系统中修剪图元的方法，其特征在于，如果上述平面识别码不符合上述快取平面识别码时，则上述决定步骤产生上述结果以表示上述快取错失状态。

14.如权利要求9所述的电脑绘图系统中修剪图元的方法，其特征在于，如果上述一对顶点索引不符合上述一对快取顶点索引时，则上述决定步骤产生上述结果以表示上述快取错失状态。