CN1591478A - 改善计算机绘图系统中深度信息传输频宽的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种改善计算机绘图系统中深度信息传输频宽的方法及装置。根据本发明，译码器因应一个关于一群像素群其深度信息的要求而检查与该群像素相关的型态表，该型态表是存放于存储单元之中，若型态表显示这群像素的深度信息已经过编码，则按照平面态样以及结合于平面态样的参数记录来译码深度信息。当这群像素遭受新的多边形修饰时，编码器会将与其相关的平面态样、参数记录以及存放在存储单元之中的型态表予以更新。

Description

改善计算机绘图系统中深度信息传输频宽的方法及装置

技术领域

本发明是有关于计算机绘图系统的领域，特别是指一种能够改善计算机绘图系统中、描绘引擎(raster engine)和深度缓冲区(depth buffer)之间数据传输瓶颈的方法及装置。

背景技术

在计算机绘图的应用中，三维(two-dimensional，简称3D)的物体是利用足够大量的多边形，如：三角形，来近似其表面。计算机绘图系统一般具有两种主要功能：几何处理以及描绘；转换(transformation)、打光造型(light modeling)、修剪(clipping)和透视投影(perspectiveprojection)之类的几何计算是在几何引擎中执行，而3D表示的影像在转变到二维呈现时，色彩值及隐面消除(hiddens urface removal)之类的许多运算则是在描绘引擎中进行。

一直以来，深度缓冲例程(routine)几乎是最为广泛采用的隐面消除算法，这种例程针对屏幕上的每个像素(pixel)，判断那个多边形上的那个点最接近观察者，该方法需要一种页框缓冲器(frame buffer)和一种Z-缓冲器，页框缓冲器用来储存色彩值，而与其具有同样项目的Z-缓冲器则为画面中的每个像素储存Z-值(即：深度值，为距离观察者的度量)。如图1A所示，页框缓冲器在一开始设成背景颜色，Z-缓冲器100则初始化为零，零所代表的即为后方边界平面；Z-缓冲器100所能存放的最大值便是代表前方边界平面的Z-值。如图1B所示，当多边形上的点被扫瞄转换到屏幕上的某个像素时，若其比起已于页框缓冲器(图中未示)及Z-缓冲器100中存入色彩值和深度值的另一点较为接近观察者，则这个新的点其色彩值和深度值会分别取代现存的对应内容。

针对隐面消除，描绘引擎在3D绘图处理时至少需要读取一次Z-缓冲器100，以及对每一个像素比较新、旧Z-值，依据比较的结果，描绘引擎对Z-缓冲器100进行写入运作，借此以新的Z-值来更新Z-缓冲器100。上述过程的优点在于任何对象所属的多边形能够以随意、且与其远近无关的次序表现；然而，使用深度缓冲例程需要大量的数据在描绘引擎和Z-缓冲器(深度缓冲器)之间传递，使得计算机绘图系统因数据传输瓶颈的现象而导致效能降低。由此观之，Z-缓冲器存取期间存在着传输频宽的问题。

有鉴于此，亟需一种机制，用来减少深度缓冲器存取期间深度信息传递的数量，本发明提出的方法及装置可满足此需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法及装置，以改善计算机绘图系统中由深度缓冲瓶颈所造成的频宽问题。

本发明是针对于一种改善计算机绘图系统中深度信息传输频宽的方法。根据本发明，当一群像素被一个新的多边形修饰时，则求出这个新多边形的一组平面参数，并且标示该群像素中的那一个像素遭到修饰。关于该群像素，检查其先前的深度信息是否已经过编码，若该群像素的先前深度信息已经过编码，则进行下列步骤：先从储存区撷取该群像素其先前深度信息的平面态样及参数记录，再分配一个新平面编号给该平面态样的其中一个位置，该位置是对应到该群像素中被新的多边形所修饰的像素；并将这个新多边形的平面参数组附加到结合于该平面态样的参数记录；然后判断该群像素的新深度信息是否值得编码；若值得编码，则把因编码新深度信息而更新的平面态样及参数记录回存至储存区，还更新与该群像素相关的型态表，以显示上述参数记录中现存有效平面参数组的总数。

根据本发明的另一要点，在接收到一个有关一群像素其深度信息的要求时，先读取与该群像素相关的型态表，然后依据此型态表，判断该群像素的深度信息是否已经过编码，若已经过编码，则从储存区取出平面态样以及结合于该平面态样的参数记录，再根据该参数记录中各组平面参数，计算与该群像素相关的每一可见多边形的对应深度值，其中每组平面参数包含：一对应的可见多边形和该群像素之间的深度初始值，以及这个对应可见多边形于第一、第二方向的第一和第二深度斜率；接着根据该平面态样和这些对应的深度值，译码每一可见多边形在该群像素的深度信息；然后将译码所得的该群像素的深度信息送出。然而，若是该群像素的深度信息未经过编码，则直接将深度信息送出。

本发明的实施例还揭露一种改善计算机绘图系统中深度信息传输频宽的装置，该装置包括一存储单元、一译码器以及一编码器。存储单元用来储存与一群像素相关的型态表；译码器则耦接于存储单元，根据该群像素相关的型态表，译码器可提供该群像素的深度信息，若该型态表显示该群像素的深度信息已经过编码，则译码器按照平面态样以及结合于该平面态样的参数记录来译码该群像素的深度信息；而编码器则耦接于存储单元和译码器之间，当该群像素遭受一个新的多边形修饰时，编码器会更新上述的平面态样、参数记录以及存放在存储单元之中的型态表。本发明的装置最好还包含一高速缓存，其耦接在储存区、译码器及编码器之间，以储放最近存取的平面态样和参数记录。

附图说明

图1A～图1B是运用Z-缓冲例程的示意图；

图2A是一个三角形投映到以像素为基础的屏幕的透视投影示意图；

图2B是图2A中的Z-缓冲器示意图

图3是本发明较佳实施例的方块示意图；

图4是本发明译码器执行的主要步骤流程图；

图5是辅助说明译码器运作的范例；

图6A～图6B是本发明编码器执行的主要步骤流程图；

图7A～图7C是辅助说明编码器运作的范例。

符号说明：

100～Z-缓冲器

200～3D模型空间

202～平面多边形

210～影像平面

220～屏幕

222～图块

230～平面多边形投映到影像平面的结果

250～Z-缓冲器

252～Z-图块

254～平面态样

310～存储单元

320～译码器

330～编码器

340～储存区

350～高速缓存

360～描绘引擎

510～平面态样的范例

520～参数记录的范例

530～译码后的Z-图块

710～修改后的平面态样

712～平面态样更新的结果

720～修改后的参数记录

722～参数记录更新的结果

730～修改后的Z-图块

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：

一般来说，3D计算机绘图的目标是在创造3D模型的屏幕上2D的投影，如同从3D模型中的某个观察点所看到的一样。标准的Z-缓冲器将画在屏幕上的每个像素线性地结合了一个代表距离观察者远近的Z-值(即：画面中相对投影平面的深度)。当第一个物体投映上去时，其像素的属性(例如颜色)会存到页框缓冲器，而每个像素相关的Z-值则另存到Z-缓冲器。如果第二个物体接着由该模型投映到相同像素，针对这个像素，新物体的Z-值会和已储存的Z-值做比较，只有在新的Z-值比较大(表示物体较接近观察者)时，该像素才会被画上新的物体。在特定的实施方式里，Z-值会随着深度的增加而增加，或随着深度的增加而减少；由于本发明并不限于这类或其它的实施方式，所以说明书里有时候会以某个Z-值比其它Z-值较″近″或较″远″于观察点描述之。为获得正确的透视投映，计算机绘图系统运用4×4的矩阵转换来执行投影计算，4×4矩阵转换是以″齐次(homogenous)″坐标系统来表示3D模型空间中的点，而齐次坐标系统是在传统三度空间坐标X、Y、Z加入第四个坐标W。倘若一组齐次坐标是另一组的倍数，则两组齐次坐标所参考到的是3D模型空间中的同一点，因此(X，Y，Z，W)以及(X/W，Y/W，Z/W，1)均参考到同一点，其中第四个坐标(″1″)的表示可以被省略。对于每一个投映到影像平面的点，传统投影计算自然会产生一个1/W的值，故在习知里，某点的1/W值是关于该点在画面中的深度，由于Z-值或1/W都可以表示画面中物体的深度，因此说明书里所称的″深度信息″可泛指这两种值。

根据本发明，描绘引擎把屏幕分割成较小的图块(tile)，每个图块由一群M×N个像素所构成，将像素以如图块般的群组来运作，描绘引擎可以增加存取数据的效率。对于每个图块，描绘引擎会决定那个多边形对那个图块有贡献，因此深度以及页框缓冲器两者均以图块为基础来安排。参考图2A，一平面多边形202呈现在离其一段距离的投影面或影像面210，屏幕220中的最终影像则是投映到影像面210所形成-即图2中的标号230；其中，屏幕220分成许多较小的图块，而每个图块是M×N像素的矩阵。图2B所示为对应于屏幕220的Z-缓冲器250，同样地，Z-缓冲器250亦分成较小的单位，称为″Z-图块″，其中每个Z-图块分别对应到屏幕的图块。3D模型空间200中的多边形(三角形)202可以用典型的平面方程式来表示：

AX+BY+CZ+D＝0

或是

$Z=-\frac{\mathrm{AX}+\mathrm{BY}+D}{C}$

假设三角形202投映到屏幕220的图块222，则图块222对应的Z-图块252中每个位置(i，j)的Z-值可由下式计算而得：

$Z(i,j)=Z_0+(-\frac{A}{C})\×i+(-\frac{B}{C})\×j=Z_0+\mathrm{\Δ}{Z}_X\×i+\mathrm{\Δ}{Z}_Y\×j$

其中，Z₀是Z-图块252于原点(0，0)的深度初始值，ΔZ_X是多边形202于X方向的深度斜率，而ΔZ_Y是多边形202于Y方向的深度斜率。本发明以Z₀、ΔZ_X、ΔZ_Y当做是多边形及其对应Z-图块所属的一组平面参数。有可能一个以上的多边形会被画到同一个Z-图块，因此每个Z-图块会配给一个平面态样来表示Z-图块中的各个位置保有那一个多边形的Z-值。如图2B所示，Z-图块252搭配着一个平面态样254，根据本发明，利用平面态样以及平面参数组可将屏幕所有图块的深度信息予以编码和译码。

参考图3的实施例，存储单元310储存了与屏幕所有图块相关的型态表，而每个图块相关的型态表可以表示K个值。在一实施例中，型态表中的值″0″代表图块只被一个多边形投映到，″1″代表图块被两个多边形投映到，以此类推；值得注意的是：″K-1″代表对应的Z-图块未经编码。在另一实施例中，型态表中的值″0″代表对应的Z-图块尚未初始化，″1″代表图块被一个多边形投映到，″2″代表图块被两个多边形投映到，以此类推；″K-1″同样代表对应的Z-图块未经编码。后者的优点是在初始期间，只有存储单元310中储存的型态表需经初始化，但Z-图块则不需要，借以减少内存存取的次数。

继续参考图3，译码器320耦接于存储单元310，根据上述的型态表，译码器320可提供深度信息给描绘引擎360；若某个图块相关的型态表显示该图块的深度信息已经过编码，则译码器320从储存区340撷取该图块的平面态样及结合于该平面态样的参数记录，并且按照平面态样和参数记录来译码该图块的深度信息。除此之外，编码器330耦接于存储单元310和译码器320之间，当图块遭受一个新的多边形修饰时，编码器330会更新该图块的平面态样、参数记录以及存放在存储单元310之中的型态表。实施例还可加上(非必须的)高速缓存350，其耦接在储存区340、译码器320及编码器330之间，以储放最近存取的平面态样和参数记录，如此可加速深度信息处理的速度。

接下来以范例和搭配的流程图来彰显本发明的特征，参考图4，在译码器320从描绘引擎360接收到一个有关某个图块其深度信息的要求时，译码器320会先从存储单元310读取与该图块相关的型态表(步骤S410)；依据此型态表，译码器320判断该图块的深度信息在之前是否已经过编码(步骤S420)；若是型态表显示该图块的深度信息未经过编码，则译码器320从储存区(深度缓冲器)340取出深度信息，并直接将深度信息送至描绘引擎360(步骤S470)；若深度信息已经过编码，例如：型态表显示该图块已被两个多边形投映上去，则译码器320从储存区340取出该图块的平面态样以及结合于该平面态样的参数记录(步骤S430)。

图5所示为说明用的平面态样510以及结合该平面态样510的参数记录520，由于范例的图块大小为4×4，所以平面态样510有16个位置。在图5中，参数记录520包含了三组平面参数，其中第0组代表后方边界平面，每一组平面参数由Z₀、ΔZ_X、ΔZ_Y所构成。回到图4，译码器320根据参数记录520中的各组平面参数，计算图块上每一可见多边形的对应深度值(步骤S440)；同时，译码器320根据平面态样510和这些对应的深度值，译码得到每一可见多边形在该图块的深度信息(步骤S450)。图5亦显示译码后的Z-图块530。因此，针对图块里的每一位置，译码器320可从平面态样510得到一个平面编号，并且从参数记录520得到一组与这个平面编号关联的平面参数，然后译码器320以下列的式子计算Z-图块中每个位置Z(i，j)的深度值：

Z(i，j)＝Z₀+ΔZ_X×i+ΔZ_Y×j

最后，将译码所得的深度信息输出给描绘引擎360(步骤S460)。

接下来参考图6A、图6B，当图块被一个新的多边形修饰时，编码器330从描绘引擎360接收一组属于这个新多边形的平面参数(步骤S605)，描绘引擎360同时标示该图块中的那一个像素遭到修饰；编码器330还从存储单元310读取与该图块相关的型态表，依据此型态表判断该图块先前的深度信息是否已经过编码(步骤S610)；编码器330再从储存区340撷取该图块先前深度信息的平面态样及参数记录(步骤S615)，此处仍然利用图5当做说明范例；编码器330会为这个新多边形分配一个新平面编号给平面态样510的其中一或多个位置，这些位置是对应到该图块中被新多边形所修饰的像素，并将这个新多边形(平面3)的平面参数组附加到参数记录520(步骤S620)。如图7A、图7B所示，平面态样710为平面态样510因此修改的结果，而参数记录720则改自参数记录520，图7C则显示该图块对应的修改后Z-图块730。

因为新多边形(平面3)在上述的图块内完全覆盖一个由平面参数组″1″所代表的先前多边形(平面1)，导致参数记录720中的平面参数组″1″变成多余，因此将多余的平面参数组″1″从参数记录720中删除(步骤S625)；再将参数记录720中的有效平面参数组，包括新多边形(平面3)的平面参数组，以最少的数目重新进行编号(步骤S630)；平面态样710亦随之更改，这些步骤后的结果显示在图7中的平面态样712以及参数记录722。接着，编码器330评估现存于参数记录722中有效平面参数组的总数来决定这个图块的新深度信息是否值得编码(步骤S635)，就这点而言，倘若投映到同一个图块上的可见多边形总数太多，则深度信息编码所需的位数会超过没有编码的原始位数，因此在编码器330设定一个既定数目来当做是一个图块上的可见多边形总数临界值。当有效平面参数组的总数大于设定的既定数目，代表新的深度信息没有编码的必要，编码器330将没有编码的新深度信息(Z-图块)直接存到储存区340(步骤S680)，编码器330还更新图块相关的型态表以显示新的深度信息未经编码(步骤S685)。

倘若图块的新深度信息值得编码，则编码器330把因编码新深度信息而更新的平面态样712及参数记录722回存至储存区340(步骤S640)，编码器330同时更新与该图块相关的型态表，以显示参数记录722中现存有效平面参数组的总数(步骤S645)。下表一所列的压缩增益是依不同的图块大小及当中的平面数目来表示，而平面参数Z₀、ΔZ_X、ΔZ_Y则以32位浮点数格式，深度信息每次以32位为单位来存取，以及用2位编码平面态样中的值。

表一

          压缩增益

图块大小1个平面           2个平面          3个平面       4个平面

  4×4     4.00             2.29              1.60        1.23

  4×8     6.40             4.00              2.91        2.29

  8×8     9.14             6.40              4.92        4.00

倘若先前的深度信息未经过编码，参考图6B，编码器330会判断图块中的每一像素是否都被上述的新多边形修饰(步骤S650)，若是每一像素都被修饰，编码器330以新多边形的平面参数组来初始化参数记录(步骤S655)，回存初始化过的参数记录至储存区340(步骤S660)，并且更新该图块相关的型态表以显示参数记录中存放着新多边形的平面参数组(步骤S670)；若图块中的像素不是全部都被修饰，则编码器330将新的深度信息直接输出(步骤S680)，这意谓着投映到该图块上的可见多边形总数已超过设定的既定数目。

Claims (10)

1、一种改善计算机绘图系统中深度信息传输频宽的方法，至少包含下列步骤：

若一群像素被一新多边形修饰，则求得该新多边形的一组平面参数，并且指出该群像素中何者遭到修饰；

判断该群像素的先前深度信息是否已经过编码；

若该群像素的先前深度信息已经过编码，则至少进行下列步骤：

从一储存区撷取该群像素的先前深度信息的一平面态样及一参数记录；

分配一新平面编号给该平面态样中的一位置，其中该位置对应到该群像素中被该新多边形所修饰的像素；

将该新多边形的平面参数组附加到结合于该平面态样的该参数记录；

判断该群像素的新深度信息是否值得编码；

若该群像素的新深度信息值得编码，则至少进行下列步骤：

因编码该群像素的新深度信息而更新的该平面态样及该参数记录回存至该储存区；以及

更新与该群像素相关的一型态表以显示该参数记录中现存有效平面参数组的总数。

2、根据权利要求1所述的改善计算机绘图系统中深度信息传输频宽方法，其中上述新多边形的平面参数组至少包含：上述新多边形和上述像素群间的一深度初始值；上述新多边形于一第一方向的一第一深度斜率；以及上述新多边形于一第二方向的一第二深度斜率。

3、根据权利要求2所述的改善计算机绘图系统中深度信息传输频宽方法，更至少包含下列步骤：

若上述新多边形在上述像素群的范围内完全覆盖住一先前的多边形，而该先前的多边形可由另一组平面参数所代表，则将多余的该先前多边形的平面参数组从上述参数记录中删除；以及

将上述参数记录中的有效平面参数组，其中包括上述新多边形的平面参数组，进行重新编号。

4、根据权利要求3所述的改善计算机绘图系统中深度信息传输频宽方法，其中上述判别是否值得编码的步骤至少包含：

计算上述参数记录中现存有效平面参数组的总数；

若是由上述参数记录中现存有效平面参数组所算出来的总数超过一既定数目，则判定上述像素群的新深度信息不须进行编码。

5、根据权利要求4所述的改善计算机绘图系统中深度信息传输频宽方法，更至少包含下列步骤：

若是收到一有关上述像素群新深度信息的要求，则：

读取上述像素群相关的上述型态表；

根据上述型态表，判断上述像素群的新深度信息是否已经过编码；

若上述像素群的新深度信息已经过编码，则至少进行下列步骤：

从上述储存区取出上述平面态样以及结合于上述平面态样的上述参数记录；

根据上述参数记录中的各组平面参数，计算上述像素群的每一可见多边形的对应深度值；以及

根据上述平面态样和该些对应的深度值，译码得到每一可见多边形在上述像素群的新深度信息。

6、一种改善计算机绘图系统中深度信息传输频宽的装置，其特征在于所述装置至少包含：

一存储单元，用以储存与一群像素相关的一型态表；

一译码器，耦接于该存储单元，根据该群像素相关的该型态表来提供该群像素的深度信息，若该群像素相关的该型态表显示该群像素的深度信息已经过编码，则该译码器按照一平面态样以及结合于该平面态样的一参数记录来译码该群像素的深度信息；以及

一编码器，耦接于该存储单元和该译码器之间，当该群像素遭受一新多边形修饰时，该编码器用以更新该平面态样、该参数记录以及存放在该存储单元之中的该型态表。

7、根据权利要求6所述的改善计算机绘图系统中深度信息传输频宽装置，其特征在于：若上述像素群的深度信息已借由上述平面态样及上述参数记录来编码，则上述译码器从一储存区撷取上述平面态样及上述参数记录；若上述像素群的深度信息先前未经过编码，则该储存区直接保存上述像素群的深度信息。

8、根据权利要求7所述的改善计算机绘图系统中深度信息传输频宽装置，其特征在于：上述参数记录至少包含一组平面参数，其是关于上述像素群内的一可见多边形，该组平面参数至少包含：该可见多边形和上述像素群间的一深度初始值；该可见多边形于一第一方向的一第一深度斜率；以及该可见多边形于一第二方向的一第二深度斜率。

9、根据权利要求8所述的改善计算机绘图系统中深度信息传输频宽装置，其特征在于：上述译码器根据上述参数记录中的上述平面参数组，计算上述可见多边形于上述像素群的对应深度值，并且根据上述平面态样和该对应深度值，译码得到上述可见多边形在上述像素群的深度信息。

10、根据权利要求8所述的改善计算机绘图系统中深度信息传输频宽装置，其特征在于：上述编码器分配一新平面编号给上述平面态样中的一位置，而该位置对应到上述像素群中被上述新多边形所修饰的像素，并且将有关上述新多边形的一组新平面参数附加到上述参数记录，若上述编码器判断上述像素群的新深度信息值得编码，则进一步更新上述像素群相关的上述型态表以显示上述参数记录中现存有效平面参数组的总数。

Images