KR100243184B1 - 가상 서브픽셀 메모리를 이용한 안티에일리어싱 그래픽스 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가상 서브픽셀 메모리를 이용한 안티에일리어싱 그래픽스장치에 관한 것으로서, 스팬 생성기; 스팬 보간기; 서브픽셀 마스크 생성부; 프레임 버퍼; Z 버퍼; 서브픽셀로 처리되었는가를 나타내는 서브픽셀 인덱스 메모리; 제1메모리 콘트롤러; FIFO 버퍼; 서브픽셀 데이타 생성부; 현재 계산된 서브픽셀의 Z 값과 이전 Z 값을 비교하는 Z 비교기; 가상 서브픽셀 메모리; 제2메모리 콘트롤러; 및 가상 서브픽셀 메모리에서 픽셀 데이타를 생성하는 픽셀 생성기를 포함함을 특징으로 이루어진다.

본 발명은 오브젝트 전체에 대한 프레임 버퍼와 Z 버퍼를 갖는 대신, 오브젝트의 경계선에 걸리는 픽셀에 대해서만 서브픽셀 버퍼와 서브픽셀 Z 버퍼만을 가지므로써 적은 양의 메모리로 antialiasing을 수행할 수 있도록 했다.

Description

가상 서브픽셀 메모리를 이용한 안티에일리어싱 그래픽스 장치

제1도는 본 발명을 이루는 블럭들의 구성도.

본 발명은 컴퓨터 그래픽스에서 안티에일리어싱(antialiasing)을 위한 장치에 관한 것으로서, 특히 컴퓨터 그래픽스에서 가상 서브픽셀(subpixel) 메모리를 이용한 안티에일리어싱 그래픽스 장치에 관한 것이다.

컴퓨터 그래픽에 있어서 화상 표시를 할 때 스크린 이외의 좌표계로 정의되어 있는 화상을 래스터 주사형의 스크린 좌표계로 변환하여 표시할 때 에일리어스가 발생한다. 이로 인해 도형의 경계가 울퉁불퉁하게 된다든지 가는 도형은 도중에서 끊긴다든지 하는 현상이 생기며, 동화상의 경우에는 경계가 흔들린다든지 가는 도형은 보였다 보이지 않았다하는 현상이 발생한다. 이러한 에일리어싱을 제거하는 antialiasing 기술은 화상의 이미지 질(quality)의 측면에서 볼 때 매우 중요한 기법 중의 하나이다. 그러나 antialiasing 기능을 제공하기 위해서는 데이타의 계산 시간이 길고 많은 양의 메모리를 필요로 하기 때문에 고성능, 고가의 시스템을 제외하고는 이를 제대로 실현한 시스템이 드문 편이다. 특히 게임기와 같이 제품의 단가가 시장성에 미치는 영향이 크고 실시간으로 영상을 처리해야 하는 제품 중에서는 antialiasing 기능을 갖춘 시스템은 거의 없는 형편이다.

일반적으로 그래픽 시스템은 지오미트리 엔진, 라스터엔진, 및 프레임 버퍼순의 파이프라인 구조를 갖게 되는데, 이와같은 그래픽 시스템은 안티엘리어싱 처리를 라스터엔진과 프레임버퍼에서 하게된다. 이를 위한 방법으로 보통 하드웨어로 구현이 용이한 슈퍼 샘플링 방법이 많이 사용된다. 이러한 슈퍼샘플링 방식은 스크린의 해상도를 높이는 효과를 얻기 위하여 하나의 픽셀을 다수의 서브픽셀들로 분할하고, 서브픽셀 단위로 Z 버퍼링과 컬러값 계산을 위한 메모리 오퍼레이션을 수행한다. 이러한 일은 폴리곤 내의 모든 화소에 대해 수행된다. 그러므로, 전체 스크린에 대해 안티에일리어싱을 하기 위해서는 전체 스크린의 픽셀 갯수에 샘플링 수 만큼을 곱한 메모리 용량이 필요하게 되고 그 만큼의 메모리 오퍼레이션 수행이 요구된다. 즉 16 서브픽셀 샘플링을 한다면 16 배의 프레임 버퍼 메모리와 Z 버퍼 메모리가 필요하게 된다. 그러므로 고해상도 디스플레이 시스템의 경우에는 전체 시스템에 사용되는 메모리의 양이 1기가 이상이 되는 것도 있다. 저해상도 디스플레이 시스템의 경우에는 이 방법을 사용할 수 있지만 메모리의 용량이 제품 단가에 민감하므로 상품으로서의 시장성이 거의 없는 실정이다. 에일리어싱이 제거된 좋은 이미지를 생성하기 위해서는 샘플링수를 늘려서 안티엘리어싱을 수행하여야 하지만 그에 따르는 메모리 양의 증가와 메모리 오퍼레이션의 증가로 인하여 경제성이 있고 실시간으로 처리하는 그래픽 시스템을 개발하는데 많은 어려움이 있었다.

따라서 본 발명에서는 non-antialiasing 일 때와 비교를 해서 화상 이미지의 성능 손실이 적으면서도 적은 양의 메모리 만으로 실시간 처리가 가능한 antialiasing을 구현할 수 있는 내용 주소화 기억장치(content-addressable memory)를 특징으로 포함하는 가상 서브픽셀 메모리(virtual subpixel memory)를 갖는 구조를 제안한다.

즉, 본 발명에서는 전체 화면에 대한 프레임 버퍼와 Z 버퍼를 갖는 대신 오브젝트의 경계선에 걸리는 픽셀에 대한 서브픽셀 버퍼와 서브픽셀 Z 버퍼만을 가지므로써 적은 양의 메모리로 antialiasing을 수행할 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가상 서브픽셀 메모리를 이용한 antialiasing 그래픽스 장치는 오브젝트를 모델링한 폴리곤(polygon)의 데이타를 입력으로 받아들여 스팬(Span)으로 잘라서, 폴리곤의 꼭지점에 대한 R, G, B, Z 값과, x, y 축에 대한 R, G, B, Z의 미소변화량 dxR, dxG, dxB, dxZ, dyR, dyG, dyB, dyZ를 받아 들여 Span 데이타를 만드는 스팬 생성기(Span Generator, 110); Span의 좌측점의 R, G, B, Z 값과 Span 길이에 대한 데이타, 그리고 dxR, dxG, dxB, dxZ 값을 상기 Span Generator(110)로 부터 받아들여 각 픽셀의 R, G, B, Z 값을 보간(Interpolation)하는 스팬 보간기(Span Interpolator, 112); 오브젝트를 모델링한 폴리곤의 각 에지(Edge)에 대한 Edge 함수값과 x, y에 대한 기울기 값을 입력으로 받아, 서브픽셀이 폴리곤의 내부에 속하는지 외부에 속하는지 판별하여, 각 서브픽셀에 대해 마스크를 행하는 서브픽셀 마스크 생성부(114); 픽셀의 G, G, B 값을 저장하는 프레임 버퍼(126); 픽셀의 Z 값을 저장하는 Z 버퍼(128); 상기 서브픽셀 마스크 생성부(114)를 통해 해당되는 픽셀이 서브픽셀로 처리되었는가를 나타내는 서브픽셀 인덱스 메모리(130); 픽셀에 대한 상기 프레임 버퍼(126)나 상기 Z 버퍼(128) 또는 상기 서브픽셀 인덱스 메모리(130)의 값을 읽고 쓰는 것을 제어하는 제1메모리 콘트롤러(118); 상기 Span Interpolator(112)와 서브픽셀 마스크 생성부(114)에서 출력된 픽셀의 x, y 좌표와 데이타를 일시 저장하는 FIFO 버퍼(116); 상기 FIFO 버퍼(116)의 데이타를 입력으로 받아 서브픽셀의 R, G, B, Z 데이타를 생성하는 서브픽셀 데이타 생성부(120); 상기 서브픽셀 데이타 생성부에서 계산된 서브픽셀의 Z 값과 서브픽셀 Z 버퍼(134)에서 읽어온 Z 값을 비교하여 Z 값의 크기에 따라 한 쪽의 서브픽셀의 Z 값만을 선택하는 Z 비교기(122); 서브픽셀 Z 데이타와 프레임 데이타를 저장하는 가상 서브픽셀 메모리(140); 서브픽셀에 대한 상기 가상 서브픽셀 메모리(140)를 읽고 쓰는 것을 제어하는 제2메모리 콘트롤러(124); 및 상기 가상 서브픽셀 메모리(140)에서 하나의 픽셀을 구성하는 서브픽셀들에 대한 데이타를 독출하여, 해당 픽셀 데이타를 생성하여 프레임 버퍼(126)와 Z 버퍼에 기록(128)하는 픽셀 생성기(138)를 포함함을 특징으로 하여 이루어진다.

그리고 가상 서브픽셀 메모리를 이용한 antialiasing 그래픽스장치에 있어서, 상기 가상 서브픽셀 메모리(140)은 상기 Z 비교기(122)를 통해 선택된 Z 값에 대한 서브픽셀의 Z 값을 저장하는 서브픽셀 Z 버퍼(134); 상기 Z 비교기(122)를 통해 선택된 Z 값에 대한 서브픽셀의 R, G, B 값을 저장하는 서브픽셀 프레임 버퍼(136); 상기 서브픽셀 메모리 버퍼(136)과 서브픽셀 Z 버퍼(134)를 제2메모리 콘트롤러를 통해 독출하거나 기록할 때, 서브픽셀의 화면에 대한 (x, y) 좌표를 입력으로 받아, 입력된 (x, y) 좌표에 해당하는 어드레스를 출력하는 내용주소화 기억장치(Content-addressable Memory:CAM, 132)로 구성됨을 특징으로 한다.

이하에서 첨부한 도면을 참조로하여 일실시예를 들어 본 발명을 상세히 설명한다.

3차원 컴퓨터 그래픽 시스템은 GE(Geometric Engine), 래스터 엔진(Raster Engine, RE) 및 프레임 버퍼 순의 파이프라인 구조로 구성된다. 이와 같은 그래픽 시스템은 안티에일리어싱 처리를 라스트 엔진과 프레임 버퍼에서 수행하게 된다. 제1도를 참조하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다. GE에서의 처리를 거친 오브젝트에 대한 그래픽 데이타는 래스터 엔진(100)으로 입력된다. 일반적으로 RE(100)는 크게 스팬 생성기(Span Generator, 110)와 스팬 보간기(span interpolator, 112)로 구성된다. 스팬 생성기(110)는 폴리곤을 입력으로 받아들여 Span으로 자르는 역할을 하며, 스팬 보간기(112)는 스팬에 대해서 픽셀의 RGBZ 값을 보간(interpolation) 한다. 스팬 생성기(110)는 폴리곤의 꼭지점에 대한 R, G, B, Z 값과 dxR, dxG, dxB, dxZ, dyR, dyG, dyB, dyZ를 받아 들여 Span 데이타를 만든다. 그리고 스팬 보간기(112)는 Span의 좌측점의 R, G, B, Z 값과 Span 길이에 대한 데이타, 그리고 dxR, dxG, dxB, dxZ 값을 Span generator로 부터 받아들여 R, G, B, Z를 보간한다.

그리고 서브픽셀 마스크 생성부(114)는 서브픽셀이 폴리곤의 내부에 속하는지 외부에 속하는지 판별하여 각 서브픽셀에 대해 마스크를 행한다. 즉 어떤 픽셀에서의 경계 함수(Edge Function) E는 그 점이 폴리곤의 내부에 속하는지 외부에 속하는지를 판별하는데, 만일 E 값이 양이면 내부이고, 0이면 폴리곤의 변(edge) 위에 있고, 음이면 외부에 있음을 뜻한다. Edge Function E는 각 폴리곤 경계(edge)에 대해 E1, E2, E3가 있으며, 각 픽셀의 E 값들은 interpolation에 의하여 구할 수 있다. 그러므로 서브픽셀의 마스크(Mask)도 각 서브픽셀에서의 E 값에 의해 구해진다. 서브픽셀이 폴리곤의 경계에 걸려 있으면 0, 그렇지 않을 경우에는 1로 된다.

FIFO 버퍼(116)는 Interpolator에서 처리된 픽셀의 x, y 좌표와 데이타를 받아들여 처리될 때까지 일시 저장하는 버퍼이다.

제1메모리 콘트롤러(118)는 픽셀에 대한 프레임 버퍼나 Z 버퍼 또는 서브픽셀 인덱스 메모리의 값을 읽고 쓰는 것을 제어하는 역할을 하며, 제2메모리 콘트롤러(124)는 서브픽셀에 대한 CAM이나 서브픽셀 Z 버퍼 또는 서브픽셀 프레임 버퍼를 읽고 쓰는 것을 제어한다.

서브픽셀 데이타 생성부(120)은 서브픽셀의 R, G, B, Z 값을 생성하게 되는데, 서브픽셀의 R, G, B 값은 픽셀의 R, G, B 값 그대로 되고, 서브픽셀의 Z 값은 픽셀의 중앙의 Z 값에 서브픽셀의 상대적인 위치에 대한 dxZ, dyZ를 가감하여 구한다.

Z 비교기(122)는 계산된 서브픽셀의 Z 값과 서브픽셀 Z 버퍼에서 읽어온 Z 값을 비교하여 Z 값의 크기에 따라 한 쪽의 서브픽셀의 Z 값만을 선택하게 한다.

프레임 버퍼(126)는 픽셀의 G, G, B 값을 저장하는 메모리이며, Z 버퍼(128)은 픽셀에 대한 Z 값을 저장하는 메모리이다.

서브픽셀 인텍스 메모리(130)은 해당되는 픽셀이 서브픽셀로 처리되었는가를 나타내는 1 비트 메모리이다. 만약 1이면 해당되는 픽셀의 서브픽셀 메모리가 있음을 나타내고, 0이면 해당되는 픽셀의 서브픽셀의 메모리가 없음을 나타낸다.

또한 가상 서브픽셀 메모리(140)는 서브픽셀의 프레임 데이타와 Z 값을 저장하는 메모리로서, 서브픽셀 프레임 버퍼와 서브픽셀 Z 버퍼 및 CAM을 구비하고 있다.

CAM(132)는 화면의 (x, y) 좌표를 입력으로 받아, 입력된 (x, y) 좌표에 해당하는 서브픽셀이 저장되어 있는 어드레스를 출력하는 메모리이다. 서브픽셀 Z 버퍼(134)는 서브픽셀의 Z 값을 저장하는 메모리이며, 서브픽셀 프레임 버퍼(136)는 서브픽셀의 R, G, B 값을 저장하는 메모리이다.

이상의 각 블럭에 대한 설명을 참고하여 본 발명의 동작을 설명하면 다음과 같다. GE에서 트랜스포메이션(Transformation), 클리핑(Clipping), 라이트(Light)계산, 프로젝션(Projection) 등의 처리를 거친 오브젝트에 대한 그래픽 데이타는 래스터 엔진(100)으로 입력되어 안티에일리어싱을 하게 된다.

이 때 만일 입력된 픽셀이 폴리곤의 엣지에 걸리지 않아 서브픽셀 마스크 생성기(114)에서 생성된 서브픽셀 마스크가 모두 1이고 제1메모리 제어부(118)를 통해 서브픽셀 인덱스 메모리(130)에서 독출한 서브픽셀 인덱스가 0인 경우에는, 서브픽셀에 대한 처리과정 없이 픽셀에 대하여 Z 버퍼링을 하여 필요하면 Z 버퍼(128)와 프레임 버퍼(126)를 갱신한다.

그리고 상기의 경우 이외는 다음과 같이 안티에일리어싱을 하게 된다. 먼저 GE에서 출력된 픽셀이 스팬 생성기(110)와 스팬 보간기(112)를 거친 후에는 처리된 픽셀의 화면상의 x, y 좌표와 데이타가 FIFO 버퍼(116)에 저장된다. 이 때 저장되는 데이타는 픽셀의 R, G, B, Z, 서브픽셀 마스크 값, dxZ, dyZ, 서브픽셀 인덱스로 이루어 진다. 그리고 서브픽셀 데이타 생성기(120)는 픽셀 데이타를 받아들여 서브픽셀의 R, G, B, Z 값을 생성한다. 한편 제2메모리 콘트롤러(118)는 상기 FIFO 버퍼(116)의 x, y 값을 받아들여 Content-Addressable Memory(CAM, 132)의 x, y 값과 일치하는 x, y 값의 어드레스를 읽어온다.

이 때 CAM(132)에 x, y와 일치하는 값이 없을 경우가 일어날 수 있다. 즉 픽셀이 폴리곤의 엣지에 걸려 서브픽셀 마스크가 모두 1이 아니고, 픽셀이 서브픽셀 처리가 안되어 있어 서브픽셀 인덱스가 0인 경우에는 CAM(132) 할당을 받아 새로운 값 (x, y, address)을 생성한 후, 제1메모리 콘트롤러를 통해 (x, y)에 해당하는 프레임 버퍼와 Z 버퍼의 값을 읽어 와서 Z 비교기(122)에서 값을 비교한다. 비교한 결과 만일 모든 서브픽셀이 업데이트가 이루어지지 않았으면 CAM(132)을 클리어하고 만일 하나라도 서브픽셀이 업데이트가 이루어졌으면 서브픽셀 인덱스 메모리(130)을 1로 세팅하고 서브픽셀 프레임 버퍼와 서브픽셀 Z 버퍼를 업데이트한다.

한편 제2메모리 콘트롤러(118)가 상기 FIFO 버퍼(116)의 x, y 값을 받아들여 CAM(132)의 x, y 값과 일치하는 x, y 값의 어드레스를 읽어 CAM(132)에 x, y와 일치하는 값이 존재할 때, 픽셀이 엣지에 걸리지 않아 서브픽셀 마스크의 값이 모두 1인 경우에는 서브픽셀 프레임 버퍼(136)와 서브픽셀 Z 버퍼(134)를 독출하여 Z 비교기(122)에서 비교한 후 서브픽셀 프레임 버퍼(136)와 서브픽셀 Z 버퍼(134)에 업데이트한다. 이 때 만일 서브픽셀 모두 업데이트가 되면, 해당되는 픽셀에 할당된 CAM(132)을 클리어하고 역시 해당되는 픽셀의 서브픽셀 인덱스 메모리(130)을 리셋한 후 프레임 버퍼(126)와 Z 버퍼(128)를 업데이트한다. 한편 제2메모리 콘트롤러(118)가 상기 FIFO 버퍼(116)의 x, y 값을 받아들여 CAM(132)의 x, y 값과 일치하는 x, y 값의 어드레스를 읽어 CAM(132)에 x, y와 일치하는 값이 존재할 때, 픽셀이 엣지에 걸려 하나라도 서브픽셀 마스크가 된 경우에는 제2메모리 콘트롤러(124)를 통해 서브픽셀 프레임 버퍼(136)와 서브픽셀 Z 버퍼(134)를 독출하여 Z 비교기(122)에서 비교하여 서브픽셀 프레임 버퍼(136)와 서브픽셀 Z 버퍼(134)에 업데이트한다.

이상의 과정이 끝난 뒤에는 후처리(post processing)로 CAM(132)에 들어있는 모든 주소에 대하여 서브픽셀 프레임 버퍼(136)와 서브픽셀 Z 버퍼(134)의 데이타를 읽어와서, 상기 픽셀 생성기(138)에서 서브픽셀 프레임 버퍼(136)와 Z 버퍼(134)에 대한 픽셀 데이타를 계산하여 생성한 후 픽셀의 프레임 버퍼(126)와 Z 버퍼(128)에 기록한다. 이 후처리는 슈퍼 샘플링 방식보다 처리하는 데이타의 양이 적으므로 처리속도는 문제가 되지 않는다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 가상 서브픽셀 메모리를 이용한 안티에일리어싱 그래픽스 장치는 전체 화면에 대해서 프레임 버퍼와 Z 버퍼를 갖는 대신, 그림 대상(drawing object)의 경계선에 걸리는 픽셀에 대해서 서브픽셀 버퍼와 서브픽셀 Z 버퍼만을 가지므로써, 적은 양의 메모리로 antialiasing을 수행할 수 있도록 하여 시스템 가격에 직접적인 영향을 미치는 프레임 버퍼의 메모리 양을 줄일 수 있어 산업상 이용 가능성이 매우 크다.

Claims (2)

1. 가상 서브픽셀 메모리를 이용한 안티에일리어싱(antialiasing) 그래픽스 장치에 있어서, 오브젝트를 모델링한 폴리곤의 데이타를 입력으로 받아들여 스팬으로 잘라서, 폴리곤의 꼭지점에 대한 R, G, B, Z 값과, x, y 축에 대한 R, G, B, Z의 미소변화량을 받아 들여 스팬 데이타를 만드는 스팬 생성기(Span Generator, 110); 스팬의 좌측점의 R, G, B, Z 값과 스팬 길이에 대한 데이타, 그리고 dxR, dxG, dxB, dxZ 값을 상기 스팬 생성기(110)로 부터 받아들여 각 픽셀의 R, G, B, Z 값을 보간하는 스팬 보간기(Span Interpolator, 112); 오브젝트를 모델링한 폴리곤의 각 에지(Edge)에 대한 에지 함수값과 x, y에 대한 기울기 값을 입력으로 받아, 서브픽셀이 폴리곤의 내부에 속하는지 외부에 속하는지 판별하여, 각 서브픽셀에 대해 마스크를 행하는 서브픽셀 마스크 생성부(114); 픽셀의 G, G, B 값을 저장하는 프레임 버퍼(126); 픽셀의 Z 값을 저장하는 Z 버퍼(128); 상기 서브픽셀 마스크 생성부(114)를 통해 해당되는 픽셀이 서브픽셀로 처리되었는가를 나타내는 서브픽셀 인덱스 메모리(130); 픽셀에 대한 상기 프레임 버퍼(126)나 상기 Z 버퍼(128) 또는 상기 서브픽셀 인덱스 메모리(130)의 값을 읽고 쓰는 것을 제어하는 제1메모리 콘트롤러(118); 상기 Span Interpolator(112)와 서브픽셀 마스크 생성부(114)에서 출력된 픽셀의 x, y 좌표와 데이타를 일시 저장하는 FIFO 버퍼(116); 상기 FIFO 버퍼(116)의 데이타를 입력으로 받아 서브픽셀의 R, G, B, Z 데이타를 생성하는 서브픽셀 데이타 생성부(120); 상기 서브픽셀 데이타 생성부에서 계산된 서브픽셀의 Z 값과 서브픽셀 Z 버퍼(134)에서 읽어온 Z 값을 비교하여 Z 값의 크기에 따라 한 쪽의 서브픽셀의 Z 값만을 선택하는 Z 비교기(122); 서브픽셀 Z 데이타와 프레임 데이타를 저장하는 가상 서브픽셀 메모리(140); 서브픽셀에 대한 상기 가상 서브픽셀 메모리(140)를 읽고 쓰는 것을 제어하는 제2메모리 콘트롤러(124); 및 상기 가장 서브픽셀 메모리(140)에서 하나의 픽셀을 구성하는 서브픽셀들에 대한 데이타를 독출하여, 해당 픽셀 데이타를 생성하여 프레임 버퍼(126)와 Z 버퍼에 기록(128)하는 픽셀 생성기(138)를 포함함을 특징으로 하여 이루어 지는 가상 서브픽셀 메모리를 이용한 안티에일리어싱 그래픽스 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 가상 서브픽셀 메모리(140)은 상기 Z 비교기(122)를 통해 선택된 Z 값에 대한 서브픽셀의 Z 값을 저장하는 서브픽셀 Z 버퍼(134); 상기 Z 비교기(122)를 통해 선택된 Z 값에 대한 서브픽셀의 R, G, B 값을 저장하는 서브픽셀 프레임 버퍼(136); 상기 서브픽셀 메모리 버퍼(136)과 서브픽셀 Z 버퍼(134)를 제2메모리 콘트롤러를 통해 독출하거나 기록할 때, 서브픽셀의 화면에 대한 (x, y) 좌표를 입력으로 받아, 입력된 (x, y) 좌표에 해당하는 어드레스를 출력 하는 내용주소화 기억장치(CAM, 132)로 구성됨을 특징으로 하는 가상 서브픽셀 메모리를 이용한 antialiasing 그래픽스 장치.