TW201417040A - 圖形顯示系統中光傳輸一致性場景之簡化 - Google Patents

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Jaakko Tapani Lehtinen
Samuli Matias Laine
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Abstract

方法包含向一原始三3-D場景投射複數個第一射線，其中原始三3-D場景包含多個具有多個物件表面的物件。方法亦包含建構原始3-D場景的簡化表示以及將簡化表示調整為與原始3-D場景一致。簡化表示係藉由使用已知的該些射線及從投射所獲得的多個物件表面交點而調整，以產生調整後的簡化表示。方法更包含用以呈現高品質影像的步驟：向調整後的簡化表示投射複數個第二射線並針對在調整後的簡化表示內與該些物件表面相交的多個點測試複數個第二射線、在調整後的簡化表示內與該些物件表面相交之該些點處估算入射光、檢查該些物件表面的材料特性、以及計算關聯於複數個第二射線之複數個畫素的顏色及光強度。

Description

圖形顯示系統中光傳輸一致性場景之簡化 【相關申請案】
本申請案係相關於專利申請案「圖形顯示系統中用於以點為基礎之呈現的表面分類(SURFACE CLASSIFICATION FOR POINT-BASED RENDERING WITHIN GRAPHICS DISPLAY SYSTEM)」，其與本申請同時提出申請，代理人編號為NVID-P-HE-12-0079-US1，其整體內容係併入本文作為參考。
本發明是有關於一種方法與儲存媒體，且特別是有關於一種電腦圖形施行方法與具有此方法之可執行指令的電腦可讀儲存媒體。
基於射線追蹤的光傳輸演算法係用以藉由在場景(scene)內投射(casting)射線(ray)而取樣三維場景及其照明。一般而言，高品質呈現(rendering)(亦即，具有可接受的雜訊等級(noise level))需要大量的射線。由於此複雜度，使用三維場景的簡化表示(simplified representation)來執行部份的照明計算通常是有益的。一般的簡化表示係使用標準K個最近相鄰者搜尋(standard k-nearest neighbor search)以符合(adapt to)射線端點(ray endpoint)的局部密度(local density)並取得(deriving)每一者的半徑而產生。然而，雖然簡 化表示係快速且自動產生，但並不保證所獲得的簡化表示將如實地表現出原始的三維場景。由於簡化造成的場景錯誤表示(scene misrepresentation))可能導致呈現影像中所不想要的偽像。
因此，需要一種電腦圖形方法，以產生與原始三維場景一致並如實地表示原始三維場景的簡化場景表示。
本發明具體實施例係針對一電腦圖形方法。電腦控制方法包含向一原始三3-D場景投射複數個第一射線，其中原始三3-D場景包含多個具有多個物件表面的物件。複數個第一射線可在原始三維場景內被再次投射。方法亦包含建構原始三維場景的一簡化表示，並將簡化表示調整為與用於原始三維場景之初始取樣的複數個第一射線一致。簡化表示係藉由使用已知的該些射線及從投射所獲得的多個物件表面交點(object surface intersection)而調整，以產生調整後的簡化表示。方法更包含用以呈現高品質影像(image)的程序，其包含：向調整後的簡化表示投射複數個第二射線，並針對在簡化表示內與該些物件表面相交的多個點測試該複數個射線、在調整後的簡化表示內與該些物件表面相交之該些點處估算入射光(incoming light)、檢查該些物件表面的材料特性、以及計算關聯於該複數個第二射線之複數個畫素(pixel)的顏色及光強度。
100‧‧‧電腦系統
102‧‧‧中央處理單元
104‧‧‧系統記憶體
106‧‧‧系統電路板
108‧‧‧通訊匯流排
110‧‧‧圖形處理器單元
112‧‧‧記憶體
114‧‧‧圖形子系統
116‧‧‧顯示器
118‧‧‧電源單元
200‧‧‧原始三維場景
220‧‧‧第一射線
222‧‧‧物件
224‧‧‧相交
326‧‧‧鋪塊
328‧‧‧鋪塊-射線交點
400‧‧‧簡化表示
430‧‧‧鋪塊
600‧‧‧調整後的簡化表示
700‧‧‧流程圖
在附圖之各圖中以舉例而非限制之方式說明本發明具體實施例，且其中相似的參考標號代表類似元件。
圖1顯示根據本發明一具體實施例的一範例電腦系統；圖2繪示根據本發明一具體實施例的原始三維場景及使用原始場景的複數個射線投射； 圖3繪示根據本發明一具體實施例之原始三維場景的簡化表示，其具有鋪塊(splat)設置於複數個射線的交點；圖4繪示根據本發明一具體實施例之基於使用鋪塊之近似的原始三維場景的簡化表示；圖5繪示根據本發明一具體實施例之調整後的原始三維場景的簡化表示，其中鋪塊係縮小以消除偽交叉；圖6繪示根據本發明一具體實施例之調整後的原始三維場景的簡化表示，其係基於使用縮小鋪塊之近似；以及圖7繪示根據本發明一具體實施例之用以從原始三維場景之簡化模式呈現一影像之範例電腦圖形方法的流程圖。
現將詳細參照本發明之具體實施例，附圖中說明具體實施例之實例。雖然將結合以下具體實施例描述本發明，但將瞭解，其並不意欲將本發明侷限於這些具體實施例。相反，本發明意欲涵蓋可能包含在由所附申請專利範圍界定之本發明之精神及範疇內的替代物、修改及均等物。此外，在對本發明之以下詳細描述中闡述許多特定細節，目的係提供對本發明之全面瞭解。然而，可在無該等特定細節的情況下實踐本發明具體實施例。在其他例示中，並未詳細描述熟知之方法、程序、組件及電路，以免不必要地混淆本發明之態樣。
為便於說明，本文所使用之「水平」一詞係指平行於物件之平面或表面的一平面，不論其方位為何。「垂直」一詞係指垂直於水平(如前句所定義)的方向。提及例如「高於」、「低於」、「底部」、「頂部」、「側」、「較高」、「較低」、「之上」、「上方」、及「之下」等詞係相對於水平面。
圖1顯示根據本發明一具體實施例的一範例電腦系統100。電腦系統100描述根據本發明具體實施例的組件，其提供執行平台供特定之 基於硬體或基於軟體的功能，特別是電腦圖形呈現及顯示能力。一般來說，電腦系統100包含至少一中央處理單元(CPU)102及系統記憶體104。CPU 102可經由橋接組件/記憶體控制器(圖未示)而耦合至系統記憶體104、或可經由CPU 102內部的記憶體控制器(圖未示)直接地耦合至系統記憶體104。
電腦系統100也包含圖形子系統114，其包含至少一圖形處理器單元(GPU)110。舉例來說，圖形子系統114可包含在一圖形卡上。圖形子系統114可耦合至顯示器116。一或多個額外的GPU 110可選擇性地耦合至電腦系統100，以進一步增加其計算能力。GPU 110可經由通訊匯流排108而耦合至CPU 102及系統記憶體104。GPU 110可實施為離散組件(discrete component)、設計為經由連接器(例如AGP插槽、PCI-Express插槽等)耦合至電腦系統100的離散圖形卡、離散積體電路晶粒(例如直接設置於主機板上)、或實施為包含於電腦系統晶片組組件(圖未示)之積體電路晶粒內的整合型GPU。此外，記憶體112可與GPU 110耦合，供高頻寬圖形資料儲存，例如訊框緩衝器(frame buffer)。在一具體實施例中，記憶體裝置112可為動態隨機存取記憶體。電源單元(power source unit，PSU)118可提供電力給系統電路板(system board)106及圖形子系統(graphics subsystem)114。
CPU 102及GPU 110也可整合至單一積體電路晶粒，且CPU及GPU可共享各種資源(例如指令邏輯、緩衝器、功能單元等等)，或是可針對圖形及通用操作(general-purpose operation)提供不同的資源。GPU可更整合至核心邏輯組件。因此，本文所描述關聯於GPU 110的任何或所有電路及/或功能也可在適當裝配的CPU 102中實施或由其所執行。此外，雖然本文的具體實施例可能參照GPU，但應注意到，所描述的電路及/或功能也可由其他種類的處理器(例如通用或其他專屬協處理器(special-purpose coprocessor))所實施或在CPU內實施。
舉例來說，系統100可實施為桌上型電腦系統或伺服器電腦系統，其具有強大的通用CPU 102耦合至專屬圖形呈現GPU 110。在此具體 實施例中，可包含增加週邊匯流排、特殊音頻/視頻組件、輸入輸出裝置、及類似者的組件。類似地，系統100可實施為可攜式裝置(如行動電話、PDA等)、直接廣播衛星(DBS)/地面機上盒或機上視頻遊戲控制裝置(像是例如由在華盛頓雷德蒙的微軟公司所提供的Xbox®、或是由在日本東京的索尼電腦娛樂公司所提供的PlayStation3®)。系統100也可實施為「單晶片系統(system on a chip)」，其中計算裝置的電子設備(如組件102、104、110、112及類似者)係全部包含於單一積體電路晶粒內。範例包含具有顯示器的手持儀器、汽車導航系統、可攜式娛樂系統及類似者。
圖2繪示根據本發明一具體實施例之原始三維電腦圖形場景200及使用原始場景200的複數個第一射線220投射的示意圖。場景可表示在電腦記憶體中，作為儲存於其中的圖形資料。原始的三維場景200為打算由電腦圖形處理系統轉換為2-D影像以供影像顯示的三維模式。原始的三維場景200包含在場景內的物件222。在一具體實施例中，影像係使用射線追蹤而呈現，其為藉由追蹤光經過影像平面(image plane)中之畫素的路徑並模擬其與虛擬物件相會之效果而產生一影像的技術。
根據射線追蹤圖形呈現，複數個第一射線220係朝向原始三維場景200內的物件222投射。一旦投射，複數個第一射線220可與物件222的表面相交224。複數個第一射線220也可在場景200內被再次投射多次作為反射射線、傳輸射線、或陰影射線。複數個第一射線220的起源及端點提供了有關場景200幾何之位置(location)及方位(orientation)的資訊。
當只有相對小量的射線投射至原始三維場景200，所產生之呈現影像的品質通常不良。一般而言，高品質呈現需要大量的射線，以例如將雜訊降低至一合理等級。在本發明一具體實施例中，複數個第一射線可由物件222反射或折射，而在原始三維場景200內產生額外的射線。在另一具體實施例中，可能需要更多的射線被再次投射至原始三維場景200。
在向物件222投射複數個第一射線220後，將建構原始三維 場景200的一簡化表示。
圖3繪示根據本發明一具體實施例之原始三維場景200的簡化表示，其具有複數個鋪塊326設置於複數個第一射線220的交點224。鋪塊326係設置於射線端點的切平面(tangent plane)上，其中複數個第一射線220與物件222相交224。在一具體實施例中，鋪塊326係在射點端點的切平面上的圓。在另一具體實施例中，鋪塊326可為橢圓形、以剪切線(clipping line)增大的圓形、或其他形狀。
根據一具體實施例，鋪塊326可藉由使用標準K個最近相鄰者搜尋以符合複數個第一射線220之交點224的局部密度並取得每一者的半徑而產生。K個最近相鄰者搜尋在此技術領域中為習知。結果為原始三維場景200幾何就位於射線端點之切平面上的鋪塊326而言的近似。
鋪塊326在鋪塊-射線交點328與複數個第一射線220相交。因為鋪塊326與複數個射線220相交，鋪塊並沒有如實地近似原始三維場景200。
雖然此設置鋪塊326的方法通常是快速且自動，但並沒有保證所獲得之原始三維場景的簡化表示係忠實地呈現出原始三維場景。因此，簡化表示可能不適用於高品質呈現。
圖4繪示根據本發明一具體實施例之基於使用鋪塊326之近似的原始三維場景(圖2)的簡化表示400。圖4類似於圖3，除了其僅顯示放置於射點端點之切平面上的鋪塊326。在圖4中可看出，鋪塊並沒有如實地近似原始三維場景200。有可能是在原始三維場景200中沒有被阻擋的某些射線220在簡化表示400中將與物件222(圖2)相交。本發明的具體實施例調整簡化表示400以如實地近似原始三維場景200，如下文所描述。
可理解到，簡化表示400可使用多邊形網格(polygon mesh)或三角形網格來表示。
圖5繪示根據本發明一具體實施例之原始三維場景200之調 整後的簡化表示，其中鋪塊430係縮小以消除偽交叉328(圖3)。如前所述，因為鋪塊326與複數個第一射線220相交，鋪塊並沒有如實地近似原始三維場景200。
簡化表示400(圖4)係調整以與從投射複數個第一射線220所獲得之原始輸入取樣一致。若朝向簡化表示400(圖4)投射複數個第一射線220與朝向原始三維場景200投射複數個第一射線220產生相同的與物件222之表面相交的點，則調整後的簡化表示為一致的。
調整後的簡化表示係藉由追蹤射線(其用以獲得對簡化表示400(圖4)之輸入取樣)、以及藉由將鋪塊326(圖3)縮小至鋪塊-射線交點328而建構。鋪塊326(圖3)可藉由將每一鋪塊326(圖3)的半徑修改為小於偽交點與鋪塊326(圖3)起點之間的距離而縮小。鋪塊326(圖3)的縮小產生了調整後的鋪塊430。因此，從最初的取樣，了解到複數個第一射線220至少直到鋪塊-射線交點328才被阻擋，而可微調簡化表示400(圖4)，其產生了如實表示原始三維場景200的調整後的簡化表示。
圖6繪示根據本發明一具體實施例之原始三維場景200(圖2)之調整後的簡化表示600，其係基於使用縮小鋪塊430之近似。圖6類似於圖5，除了其僅顯示縮小的鋪塊430，其係從原先放置在射點端點之切平面上的鋪塊326(圖3)縮小。在圖6中可看出，鋪塊係如實地近似原始三維場景200，因為不再有任何偽交點328(圖3)。
鋪塊的縮小導致對近似品質的實質改善，並使其適用於高品質呈現。所有的原始射線擊中調整後的簡化模式600於與在原始三維場景200表示中相同的位置(參考圖5的描述)。在調整後的簡化表示600上執行呈現操作產生的結果係實質類似於在原始三維場景200上執行。
圖7繪示根據本發明一具體實施例之用以從原始三維場景之簡化模式呈現一影像之電腦控制範例方法的流程圖700。電腦控制方法的流程圖700可在圖1的系統上實施。在方塊702中，向包含具有物件表面之物 件的原始三維場景投射複數個第一射線。
舉例來說，在圖2中，複數個第一射線係朝向一原始三維場景投射。原始三維場景包含具有表面之物件。複數個第一射線在物件表面與物件相交。
在圖7的方塊704中，建構原始三維場景的簡化表示。簡化表示可藉由使用K個最近相鄰者搜尋以符合複數個第一射線之端點的局部密度而建構。接著，取得複數個第一射線之每一者的半徑，且就在複數個第一射線之端點的切平面上的鋪塊而言來產生原始三維場景的簡化表示。
舉例來說，在圖3中，原始三維場景的簡化表示係使用在複數個第一射線之端點的切平面上的鋪塊而產生。簡化表示為原始三維場景的一近似。
在圖7的方塊706中，藉由使用已知的射線及從投射所獲得的物件表面交點，將簡化表示調整為與原始三維場景一致。結果為調整後的簡化表示。藉由調整簡化表示使得向簡化表示投射複數個第一射線與向原始三維場景投射複數個第一射線產生與物件表面相交的點，而使調整後的簡化表示與原始三維場景一致。
調整後的簡化表示係藉由追蹤對簡化表示的複數個第一射線以及縮小與複數個第一射線相交的複數個鋪塊而產生。舉例來說，在圖5中，簡化表示係藉由將複數個鋪塊縮小至複數個第一射線與複數個鋪塊的交點而調整以產生調整後的簡化表示。
在產生簡化表示並將其調整以產生調整後的簡化表示後，調整後的簡化表示可用於高品質影像呈現。在方塊708中，向調整後的簡化表示投射複數個第二射線，並針對在調整後的簡化表示內與物件表面相交的點測試複數個第二射線。在方塊710中，在調整後的簡化表示內與物件表面相交的點處估算入射光。在方塊712中，檢查物件表面的材料特性。在方塊714中，複數個畫素的顏色及光強度係關聯於複數個第二射線。選擇性 地，方塊714的結果可顯示於顯示螢幕上。
在以上說明書中，已參考許多特定細節描述了本發明具體實施例，該等特定細節在各個實施方案之間可能會有所變化。因此，申請人希望作為本發明之唯一且排他之指示係由本申請案產生之一組請求項，且其具體形式係產生該等請求項之形式，其中包含任何後續之改正。因此，請求項中未明確陳述之任何限制、元件、特性、特徵、優點或屬性均不應以任何形式限制此請求項之範疇。因此，應在說明性而非限制性意義上看待說明書及圖式。
為說明的目的，前文已參照特定具體實施例而進行描述。然而，上述的說明性討論並不意圖為詳盡的或是將本發明限制於所揭露的精確模式。鑒於上述教示，許多修改及變化都是可能的。
700‧‧‧流程圖

Claims (14)

  1. 一種電腦圖形施行方法，包含：向一原始三維場景投射複數個第一射線，該原始三維場景包含多個具有多個物件表面的物件，其中該複數個第一射線可在該原始三維場景內被再次投射；建構該原始三維場景的一簡化表示；以及藉由使用已知的該些射線及從該投射所獲得的多個物件表面交點，將該簡化表示調整為與該原始三維場景一致，以產生一調整後的簡化表示。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包含：向該調整後的簡化表示投射複數個第二射線，並針對在該調整後的簡化表示內與該些物件表面相交的多個點測試該複數個第二射線；在該調整後的簡化表示內與該些物件表面相交之該些點處估算入射光；檢查該些物件表面的材料特性；以及計算關聯於該複數個第二射線之複數個畫素的顏色及光強度。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該建構之步驟包含：使用一K個最近相鄰者搜尋，以符合該複數個第一射線之多個端點的一局部密度；取得該複數個第一射線之每一者的一半徑；以及就在該些端點之多個切平面上的複數個鋪塊而言來產生該原始三維場景的一近似。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該調整之步驟更包含： 追蹤對該簡化表示的該複數個第一射線；以及縮小與該複數個第一射線相交的該複數個鋪塊，以產生該調整後的簡化表示。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中藉由調整該簡化表示使得向該簡化表示投射該複數個第一射線與向該原始三維場景投射該複數個第一射線產生相同的與該些物件表面相交的該些點，而使該調整後的簡化表示與該原始三維場景一致。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該調整後的簡化表示係用於在一電腦圖形系統中的高品質影像呈現。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中使用該三維場景之該調整後的簡化表示的該呈現的一結果係實質地類似於使用該原始三維場景之呈現的一結果。
  8. 一種電腦可讀儲存媒體，具有電腦可執行指令儲存於其上，當該電腦可執行指令由一電腦系統執行時係造成該電腦系統施行射線追蹤的一方法，該方法包含：向一原始三維場景投射複數個第一射線，該原始三維場景包含多個具有多個物件表面的物件，其中該複數個第一射線可在該原始三維場景內被再次投射；建構該原始三維場景的一簡化表示；以及藉由使用已知的該些射線及從該投射所獲得的多個物件表面交點，將該簡化表示調整為與該原始三維場景一致，以產生一調整後的簡化表示。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之電腦可讀儲存媒體，其中該方法更包含：向該調整後的簡化表示投射複數個第二射線，並針對在該調整後的簡化表示內與該些物件表面相交的多個點測試該複數個第二射線；在該調整後的簡化表示內與該些物件表面相交之該些點處估算入射光；檢查該些物件表面的材料特性；以及計算關聯於該複數個第二射線之複數個畫素的顏色及光強度。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之電腦可讀儲存媒體，其中該建構之步驟更包含：使用一K個最近相鄰者搜尋，以符合該複數個第一射線之多個端點的一局部密度；取得該複數個第一射線之每一者的一半徑；以及就在該些端點之多個切平面上的複數個鋪塊而言來產生該原始三維場景的一近似。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之電腦可讀儲存媒體，其中該調整之步驟更包含：追蹤對該簡化表示的該複數個第一射線；以及縮小與該複數個第一射線相交的該複數個鋪塊，以產生該調整後的簡化表示。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之電腦可讀儲存媒體，其中藉由調整該簡化表示使得向該簡化表示投射該複數個第一射線與向該原始三維場景投 射該複數個第一射線產生相同的與該些物件表面相交的該些點，而使該調整後的簡化表示與該原始三維場景一致。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之電腦可讀儲存媒體，其中該調整後的簡化表示係用於在一電腦圖形系統中的高品質影像呈現。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之電腦可讀儲存媒體，其中使用該三維場景之該調整後的簡化表示的該呈現的一結果係實質地類似於使用該原始三維場景之呈現的一結果。
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