KR100441080B1 - 3차원 그래픽 가속기에서 픽셀 캐쉬 구조의 동작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 프레임 버퍼의 대역폭 문제와 접근 지연을 상당량 줄일 수 있는 픽셀 캐쉬 구조의 동작 방법을 제공하기 위한 것으로서, 새로 입력되는 프레그먼트와 동일한 텍스쳐 좌표값을 갖는 기존 프레그먼트 정보를 픽셀 캐쉬와 NT 버퍼로 동시에 접근하여 검출하는 단계와, 상기 새로 입력된 프레그먼트의 깊이 값과 검출된 기존 프레그먼트의 깊이 값을 비교하는 단계와, 상기 비교결과, 새로 입력된 프레그먼트의 깊이 값이 기존 프레그먼트의 깊이 값보다 더 크면, 상기 새로 입력된 프레그먼트의 정보를 NT 버퍼에 저장하고, 다음 입력되는 새로운 프레그먼트 수행을 위해 대기하는 단계와, 상기 비교결과, 새로 입력된 프레그먼트의 깊이 값이 기존 프레그먼트의 깊이 값보다 더 작으면, 상기 새로 입력된 프레그먼트의 정보를 픽셀 캐쉬에 저장하는 단계와, 상기 픽셀 캐쉬로부터 새로 입력된 프레그먼트의 색깔 값에 대한 읽기 연산을 수행하고, 색깔 값에 따른 알파 혼합을 수행한 후, 상기 알파 혼합된 색깔 값을 픽셀 캐쉬에 저장하는 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.

Description

3차원 그래픽 가속기에서 픽셀 캐쉬 구조의 동작방법{operation method of pixel cache architecture in three-dimensional graphic accelerator}

본 발명은 3차원 그래픽 가속기에 관한 것으로, 특히 깊이 검사 결과에 근거한 캐쉬 적재 방법을 가지는 픽셀 캐쉬 구조에 관한 것이다.

최근 3차원 그래픽 기법들이 PC에 도입되면서 좀 더 현실감 있고 화려한 화면을 구성하기 위해서 많은 수의 폴리곤 처리와 광원효과와 같은 특수효과를 효율적으로 처리할 수 있는 3차원 그래픽 하드웨어들이 시장의 주류를 이루게 되었다.

특히, 3차원 화면을 이용하여 사용자들에게 높은 현실감을 제공하는 게임들이 큰 호응을 얻으면서 이에 대한 연구가 큰 발전을 이루게 되었다.

이러한 연구 결과로 3차원 그래픽 하드웨어의 성능은 급격히 발전하게 되었다.

도 1 은 종래 기술에 따른 3차원 그래픽 처리과정을 나타낸 도면이다.

도 1과 같이, 3차원 응용 소프트웨어가 API(Application Program Interface)(100)를 통하여 3차원 그래픽 가속기(200)에서 실시간 하드웨어 가속기를 수행한 후 디스플레이부(500)로 보내지는 단계를 거친다.

이때, 상기 3차원 그래픽 가속기(200)는 크게 기하학 처리(geometry processing)(300)와 렌더링(rendering) 처리(400)로 이루어진다.

그리고 상기 기하학 처리(300)는 주로 3차원 좌표계의 물체를 시점에 따라 변환하고, 2차원 좌표계로 투영 처리하는 과정으로 이루어진다.

이와 같은 과정을 통해 한 프레임에 대하여 입력되는 모든 3차원 데이터의 수행이 끝나게 되면, 프레임 버퍼에 저장된 색깔 값은 디스플레이부(500)로 보내져서 출력하게 된다.

3차원 그래픽 영상은 주로 점, 선, 다각형으로 구성되며, 대부분의 3차원 렌더링 처리는 주로 삼각형을 고속으로 처리하는 구조를 갖는다.

따라서, 상기 렌더링 처리(400)는 고성능 처리를 위하여 파이프라인화 되어 있으며, 크게 삼각형 당(per triangle) 처리되는 삼각형 셋업(triangle setup) 처리와, 변 당(per edge) 처리되는 엣지웍(edge-walk) 처리와, 픽셀 당(per pixel) 처리되는 픽셀 래스터라이재이션(pixel rasterization) 처리로 이루어진다.

상기 삼각형 셋업 처리는 입력되는 삼각형에 대하여 상기 엣지웍 처리 및 픽셀 래스터라이제이션 처리에서 사용될 값들을 계산한다.

그리고 상기 엣지웍 처리는 삼각형의 에지를 따라 스팬(span)의 시작점과 끝점을 구한다.

여기서 스팬의 시작점과 끝점은 주어진 스캔라인에 대하여 삼각형의 에지 들에 대한 두 개의 교차점을 의미하며, 스팬은 이러한 시작점과 끝점 사이에 있는 픽셀들의 집합이다.

그리고 상기 픽셀 래스터라이제이션 처리는 스팬에 대하여 보간(interpolation)을 통하여 스팬을 구성하는 픽셀에 대한 최종 색깔값을 생성하는 부분이다.

본 발명에서는 이 픽셀 래스터라이제이션 처리의 동작을 제안하고 있으므로,여기서는 상기 픽셀 래스터라이제이션 처리의 동작만을 살펴보도록 한다.

도 2 는 일반적인 픽셀 래스터라이제이션 처리에 따른 파이프라인 과정을 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하여 설명하면, 입력되는 프레그먼트(fragment) 정보는 보간을 통하여 생성된 색깔값, 3차원 위치 좌표(x,y,z) 그리고 텍스쳐 좌표 등이 포함된다.

그러면, 먼저 텍스쳐 읽기/필터부(401)는 상기 입력되는 프레그먼트 정보의 텍스쳐 좌표를 통해 4개 혹은 8개의 텍셀(texel)을 텍스쳐 캐쉬(419)로부터 읽기 연산을 하고 필터링을 수행하여 한 개의 텍셀을 생성한다. 이때, 상기 텍셀을 텍스쳐 데이터의 최소 단위를 나타낸다.

이어 텍스쳐 혼합부(403)는 상기 생성된 하나의 텍셀을 텍스쳐 캐쉬로부터 읽어진 다수 텍셀의 색깔 값들을 혼합하여 하나의 색상으로 정의한다.

다음으로 알파 검사부(405)는 새로 입력되는 텍셀에 따른 프레그먼트의 알파 값인 투명도를 검사한다.

이어, 깊이 읽기부(407)와 깊이 검사부(409)에서는 픽셀 캐쉬(421)로부터 현 위치의 프레그먼트의 깊이 값에 대한 읽기 연산을 수행하고, 읽어진 프레그먼트에 대한 깊이 값과 상기 새로 입력되는 프레그먼트의 깊이 값을 비교한다.

상기 비교 결과 새로 입력되는 프레그먼트의 깊이 값이 현재의 프레그먼트의 깊이 값보다 작으면, 상기 새로 입력되는 프레그먼트의 깊이 값이 픽셀 캐쉬(421)에 저장된다.

그리고 상기 비교 결과 새로 입력되는 프레그먼트의 깊이 값이 현재의 프레그먼트의 깊이 값보다 크면, 상기 새로 입력되는 프레그먼트는 파이프라인에 버려지게 된다.

이어 색깔 읽기부(413)는 상기 픽셀 캐쉬(421)로부터 색깔 값에 대한 읽기 연산을 수행하고, 알파 혼합부(415)에서 상기 읽기 연산으로 읽어진 색깔 값과 상기 텍스쳐 혼합부(403)에서 혼합된 색깔 값에 대하여 알파 혼합을 수행한다.

그리고, 최종적으로 색깔 쓰기부(417)는 상기 알파 혼합부(415)에서 알파 혼합된 색깔 값을 픽셀 캐쉬(421)에 저장하게 된다.

이와 같은 래스터라이제이션 처리는 전체 메모리 전송량의 상당 부분이 픽셀 처리 파이프라인 단계의 텍스쳐 데이터 전송과 프레임 메모리(423) 접근에서 일어나게 되어, 메모리의 대역폭뿐만 아니라 프레임 메모리(423) 접근에 따른 지연도 성능의 중요한 요인이 된다.

근래에 발표되는 3차원 그래픽 가속기(200)들은 대부분의 경우 텍스쳐 전송과 프레임버퍼 쓰기의 전송량을 줄이기 위해 도 2에서 나타내고 있는 것과 같이 중간에 캐쉬 메모리를 사용하고 있으나, 이 또한 사용되는 화면의 해상도가 높아지면 처리되는 픽셀의 수도 증가하기 때문에 텍스쳐 캐쉬(419)와 픽셀 캐쉬(421)의 전송량도 기하급수적으로 증가하게 된다.

3차원 그래픽 하드웨어에서 메모리 문제는 성능향상에 영향을 미치는 중요한 요소 중 하나이지만 메모리 데이터나 접근 성향에 대한 분석과 메모리 구조 등에 대한 연구는 상당히 소홀하게 진행되었다.

이전에 발표된 Mitra와 Chiuh의 논문에서 동적 데이터(dynamic workload)에 대한 분석 중 래스터라이제이션 단계 내의 텍스쳐 트래픽과 메모리 뱅크 활용도에 대하여 간단히 언급한 정도이고, 텍스쳐 데이터로 인한 문제를 해결하기 위하여 텍스쳐 캐쉬나 텍스쳐 선인출 기법 등과 같은 연구들 정도만이 발표되고 있어, 픽셀 캐쉬에 대한 연구는 더욱 미비한 상태이다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 프레임 버퍼의 대역폭 문제와 접근 지연을 상당량 줄일 수 있는 픽셀 캐쉬 구조를 제시하는데 그 목적이 있다.

도 1 은 종래 기술에 따른 3차원 그래픽 처리과정을 나타낸 도면

도 2 는 일반적인 픽셀 래스터라이제이션 처리에 따른 파이프라인 과정을 나타낸 도면

도 3 은 본 발명에 따른 픽셀 래스터라이제이션 처리에 따른 파이프라인 과정을 나타낸 도면

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : API 200 : 3차원 그래픽 가속기

300 : 기하학 처리 400 : 렌더링

401 : 텍스쳐 읽기/필터부 403 : 텍스쳐 혼합부

405 : 알파 검사부 407 : 깊이 읽기부

409 : 깊이 검사부 411 : 깊이 쓰기부

413 : 색깔 읽기부 415 : 알파 혼합부

417 : 색깔 쓰기부 419 : 텍스쳐 캐쉬

421 : 픽셀 캐쉬 422 : NT 버퍼

423 : 프레임 메모리 500 : 디스플레이부

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3차원 그래픽 가속기에서의 픽셀 캐쉬 구조의 동작방법의 특징은 새로 입력되는 프레그먼트와 동일한 텍스쳐 좌표값을 갖는 기존 프레그먼트 정보를 픽셀 캐쉬와 NT 버퍼로 동시에 접근하여 검출하는 단계와, 상기 새로 입력된 프레그먼트의 깊이 값과 검출된 기존 프레그먼트의 깊이 값을 비교하는 단계와, 상기 비교결과, 새로 입력된 프레그먼트의 깊이 값이 기존 프레그먼트의 깊이 값보다 더 크면, 상기 새로 입력된 프레그먼트의 정보를 NT 버퍼에 저장하고, 다음 입력되는 새로운 프레그먼트 수행을 위해 대기하는 단계와, 상기 비교결과, 새로 입력된 프레그먼트의 깊이 값이 기존 프레그먼트의 깊이 값보다 더 작으면, 상기 새로 입력된 프레그먼트의 정보를 픽셀 캐쉬에 저장하는 단계와, 상기 픽셀 캐쉬로부터 새로 입력된 프레그먼트의 색깔 값에 대한 읽기 연산을 수행하고, 색깔 값에 따른 알파 혼합을 수행한 후, 상기 알파 혼합된 색깔 값을 픽셀 캐쉬에 저장하는 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.

이때, 상기 픽셀 캐쉬는 깊이 검사에서 성공한 깊이 데이터만이 저장되어 있고, 상기 NT 버퍼에는 깊이 검사에서 실패한 깊이 데이터만이 저장되어 있는데 다른 특징이 있다.

상기 NT 버퍼에 저장되어 있는 데이터는 깊이 검사에서 성공하면 픽셀 캐쉬로 이동되고, 깊이 검사에서 실패하면 NT 버퍼에 그대로 유지하는데 또 다른 특징이 있다.

그리고 상기 픽셀 캐쉬와 NT 버퍼에 해당 프레그먼트 정보가 존재하지 않는 경우, 프레임 메모리에 접근하여 해당 프레그먼트 정보를 검출한 후, 상기 NT 버퍼에 저장하는 단계를 더 포함하여 이루어지는데 또 다른 특징이 있다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 3차원 그래픽 가속기에서의 픽셀 캐쉬 구조의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3 은 본 발명에 픽셀 래스터라이제이션 처리에 따른 파이프라인 과정을 나타낸 도면이다.

도 3과 같이, 픽셀 래스터라이제이션 파이프라인은 기존과 동일하며, 단지 캐쉬구조가 텍스쳐 캐쉬(419), 픽셀 캐쉬(421) 그리고 NT 버퍼(422)로 구성되는데 그 차이를 갖는다.

그리고 상기 텍스쳐 캐쉬(419)와 픽셀 캐쉬(421)는 일반적인 캐쉬구조와 같게 구성되며, 상기 NT(Not Tested) 버퍼는 8 또는 16엔트리의 완전 연관 캐쉬로 구성된다.

이와 같이 구성될 때, 픽셀 래스터라이제이션 파이프라인의 동작을 도면을 참조하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.

도 4 는 본 발명에 따른 픽셀 캐쉬 구조의 동작을 나타낸 흐름도이다.

도 4를 보면 먼저, 새로 입력되는 프레그먼트의 색깔값, 3차원 위치좌표 그리고 텍스쳐 좌표 등이 포함된 정보가 입력되면, 텍스쳐 읽기/필터부(401)에서 해당 텍스쳐 좌표에 대하여 다수개의 텍셀을 텍스쳐 캐쉬(419)로부터 읽기 연산을 수행하고 필터링을 수행하여 한 개의 텍셀을 생성한다. 그리고 텍스쳐 혼합부(403)에서 다수의 색깔 값을 하나로 혼합한다(S10).

이어, 알파 검사부(405)에서 상기 생성된 텍셀의 투명도를 검사하고, 깊이 읽기부(407)를 통해 픽셀 캐쉬(421)와 NT 버퍼(422)를 동시에 접근하여 새로 입력되는 프레그먼트의 위치에 해당되는 기존 프레그먼트의 정보를 검출한다(S20).

이때, 상기 픽셀 캐쉬(421)와 NT 버퍼(422)에 원하는 데이터가 없는 경우, 즉 캐쉬 접근 실패시에는 깊이 읽기부(407)에서 프레임 메모리(423)로부터 원하는 기존 프레그먼트의 정보를 가져와서 픽셀 캐쉬(421)에는 저장하지 않고, NT 버퍼(422)에 저장한다(S50).

그리고 깊이 검사부(409)를 통해 상기 픽셀 캐쉬(421) 또는 NT 버퍼(422)에서 읽어진 기존 프레그먼트에 대한 깊이 값과 상기 새로 입력되는 프레그먼트의 깊이 값을 비교한다(S40)(S60).

즉, 기존 프레그먼트의 정보가 상기 픽셀 캐쉬(421)에 있는 경우에는 픽셀 캐쉬(421)에서 상기 기존 프레그먼트의 깊이 값을 읽어오고, 기존 프레그먼트의 정보가 픽셀 캐쉬(421)에 없고 NT 버퍼(422)에 있는 경우에는 상기 기존 프레그먼트의 깊이 값을 NT 버퍼(422)로부터 읽어온 후, 새로 입력되는 프레그먼트의 깊이 값과 비교한다.

상기 비교 결과, 상기 새로 입력된 프레그먼트의 깊이 값이 기존 프레그먼트의 깊이 값보다 작은 경우에는 깊이 쓰기부(411)를 통해 새로 입력되는 프레그먼트의 정보를 상기 픽셀 캐쉬(421)에 저장한다(S80).

그리고 상기 비교 결과, 새로 입력되는 프레그먼트의 깊이 값이 기존 프레그먼트의 깊이 값보다 큰 경우에는 깊이 쓰기부(411)를 통해 새로 입력되는 프레그먼트의 정보를 NT 버퍼(422)에 저장한다(S70).

이때, 상기 새로 입력되는 프레그먼트의 정보가 NT 버퍼(422)에 저장된 상태에서는 현재의 렌더링 처리를 중단하고 다음 입력되는 새로운 프레그먼트 수행을 위해 대기한다(S100).

그리고 상기 새로 입력되는 프레그먼트의 정보가 픽셀 캐쉬(421)에 저장되면, 색깔 읽기부(413)는 상기 픽셀 캐쉬(421)로부터 색깔 값에 대한 읽기 연산을 수행하고, 알파 혼합부(415)에서 상기 읽기 연산으로 읽어진 색깔 값과 상기 텍스쳐 혼합부(403)에서 혼합된 색깔 값에 대하여 알파 혼합을 수행한다. 이어 색깔 쓰기부(417)는 상기 알파 혼합부(415)에서 알파 혼합된 색깔 값을 픽셀 캐쉬(421)에저장한다(S90).

또한, 이와 같은 동작 방법에 따라 깊이 검사 결과가 실패한 데이터에 의한 캐쉬 오염을 줄이면서 재 사용될 가능성이 많은 데이터를 픽셀 캐쉬에 저장함으로써, 픽셀 캐쉬의 저장 공간에 대한 효율성을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 픽셀 캐쉬의 성공률을 높일 수 있다.

즉, 재 사용될 가능성을 깊이 검사 결과에 의해서 판단하고, 깊이 검사가 실패한 데이터를 어느 정도의 시간동안 NT 버퍼(422)에 유지시키고 있는데, 이는 깊이 검사에 실패한 데이터라고 하더라도 성공한 데이터보다는 재 사용하다 확률은 작지만 깊이 검사에 사용되지 않은 다른 데이터들보다는 재 사용하다 확률이 높기 때문에, 상기 실패한 데이터가 재 사용하다 때 발생되는 접근 지연 및 대역폭을 줄일 수 있게 된다.

도 5 는 NT 버퍼를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우의 픽셀 캐쉬의 실패율을 나타낸 그래프이다.

이때, 도 5 는 엔트리의 크기가 64바이트 및 128바이트이면서 NT 버퍼(422)가 1개 및 2개의 프레그먼트 데이터를 저장할 수 있는 크기를 갖고 있다.

이때, 픽셀 캐쉬(423)의 크기라 16K 바이트, 32K 바이트 그리고 64K 바이트를 각각 실시예로 나타내고 있다.

따라서, 도 5와 같이 NT 버퍼(422)를 사용하기 전보다 사용한 후에 실패율이 더 작아지는 것을 알 수 있다. 여기서는 실시예로 NT 버퍼(422)의 크기를 1개 및 2개의 프레그먼트 데이터가 저장되도록 한정하고 있으나, NT 버퍼(422)의 크기를 증가시키면 더 큰 효율을 나타낼 것이다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 3차원 그래픽 가속기에서의 픽셀 캐쉬 구조는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 깊이 검사 시에 성공한 깊이 데이터 즉, 다시 사용될 확률이 큰 데이터만을 캐쉬에 적재함으로써, 캐쉬 오염(cache pollution)을 줄임으로써 캐쉬 성공률을 높인다.

둘째, 캐쉬에 적재할 데이터에 대한 선택기법이 간단하다. 깊이 검사는 렌더링 처리에서 기본적으로 수행되는 과정이므로 이에 대한 결과만을 검사하여 수행되기 때문에 하드웨어적인 비용이 적을 뿐만 아니라, 캐쉬에 데이터를 적재할 지에 대한 선택 시간도 짧다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (4)

1. 새로 입력되는 프레그먼트와 동일한 텍스쳐 좌표값을 갖는 기존 프레그먼트 정보를 픽셀 캐쉬와 NT 버퍼로 동시에 접근하여 검출하는 단계와,

   상기 새로 입력된 프레그먼트의 깊이 값과 검출된 기존 프레그먼트의 깊이 값을 비교하는 단계와,

   상기 비교결과, 새로 입력된 프레그먼트의 깊이 값이 기존 프레그먼트의 깊이 값보다 더 크면, 상기 새로 입력된 프레그먼트의 정보를 NT 버퍼에 저장하고, 다음 입력되는 새로운 프레그먼트 수행을 위해 대기하는 단계와,

   상기 비교결과, 새로 입력된 프레그먼트의 깊이 값이 기존 프레그먼트의 깊이 값보다 더 작으면, 상기 새로 입력된 프레그먼트의 정보를 픽셀 캐쉬에 저장하는 단계와,

   상기 픽셀 캐쉬로부터 새로 입력된 프레그먼트의 색깔 값에 대한 읽기 연산을 수행하고, 색깔 값에 따른 알파 혼합을 수행한 후, 상기 알파 혼합된 색깔 값을 픽셀 캐쉬에 저장하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 픽셀 캐쉬 구조의 동작방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 픽셀 캐쉬는 깊이 검사에서 성공한 깊이 데이터만이 저장되어 있고, 상기 NT 버퍼에는 깊이 검사에서 실패한 깊이 데이터만이 저장되어 있는 것을 특징으로 하는 픽셀 캐쉬 구조의 동작방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 NT 버퍼에 저장되어 있는 데이터는 깊이 검사에서 성공하면 픽셀 캐쉬로 이동되고, 깊이 검사에서 실패하면 NT 버퍼에 그대로 유지하는 것을 특징으로 하는 픽셀 캐쉬 구조의 동작방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 픽셀 캐쉬와 NT 버퍼에 해당 프레그먼트 정보가 존재하지 않는 경우, 프레임 메모리에 접근하여 해당 프레그먼트 정보를 검출한 후, 상기 NT 버퍼에 저장하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 픽셀 캐쉬 구조의 동작방법.