TWI235341B - 3D graphics rendering engine for processing an invisible fragment and a method therefor - Google Patents

Description

1235341 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種繪圖方法與繪圖引擎，且特別是 有關於一種利用3D (three-dimension)繪圖引擎中之& 空間内的層次過濾基準而可快速移除不可見片斷，以藉 減少記憶體頻寬之方法與裝置。 q 【先前技術】 一般來說，高效率的3D繪圖處理器支援插入 (interpolation)、材質映象（texture mapping)、全 操作（per_fragment operation)、層次測試（也盤岌π 試）等功能。 z调 特別地，在評估3D繪圖處理器效能的時候，材 象扮演著一個極為關鍵的角色。為了支援材質映象= 圖處理器必須要具備大尺寸的硬體以及高容量的記憶^ 件。在此種狀況之下，記憶體頻寬就會是設計3D繪^處 理益時所需考慮的因素。再者’材f映象的執行效率也是 没计3D繪圖處理器時的一個考量因素。 為了解決3D繪圖引擎中與記憶體_寬相_問題， 士口，科技企業以及NVim等3D !會圖康商分別 建4採用Hyper-Z架構以及光速記憶體架構。 一既然Hyper-Z架構以及LMA分別％要 戒32 位兀的儲存空間來處理一個片斷，因此， 實際實施

Hy= Z架構以及L Μ A ’就必須要有一甸高^儲存空 間才行。 令更 【發明内容】 ^ 12647pifi.d〇c 6 1235341 本考x明的目的之一在提供一種可減少3D緣圖引擎中 之記憶體頻寬之方法及裝置。 本發月的再一目的是提供一種根據所要綠製之片斷的 分佈，可即時搜尋層次過濾基準之最佳位置的方法。 Η 個角度來看，本發明提供了一種處理3D影像 片^的方法。此方法包括：於3D空間的z軸上設置層次 一纽較組成3D空間中之一個被光柵化 值第一物件的多個片斷所對應的每一個層次 值及别述之層次過濾基準；將對應於 Π製第物件物，以及第-次比較資料儲存=元: I二tl—物件f片斷，並第二次比較組成3D空間中 -欠值及；过Γίΐ第二物件的多個片斷所對應的每-個層 過濾基準；使用儲存在儲存元件中的第 相重属=料’移除與第一物件之片斷 之片; 斷；以及緣製第-物件與第二物件 此儲存裝置對每一片斷提供一個 的儲存空間，其中n為自然數。、小為1〇_+1)位元 置在=定=準的步財’層次過縣準也被設 與 ί!:=:種 上設置層次顯基準；第—次比較3D空 值及前述之一物件的各個片斷所對應的層次 值及别述之層次過滤基準；將馬象至層次過濾基準且對應 12647pifl.doc 1235341 及ϊ:次比較資料的資料儲存在儲存 件的各個片斷所對應的層次值及前述之層次過濟 用第-次比較資料與儲存在儲存元件中的第比^ 料i從第二物件中移除片斷；以及輪出一片斷資料，= =貧料係由第-物件之資料與第二物件之剩餘資料所= 在設置層次過滤基準的步驟中，當在z轴上 準的時候’儲存元件係採用靜態隨機存取言= 再者’儲存裳置對每-片斷可提供一個大 l〇g2(n+l)位元的儲存空間，其中η為自然數。 ，、、、 外^樣^在設置層次過濾、基準的步驟中，當在ζ軸上 過渡基準的時候，儲存元件可包括快取記 憶卜部記憶料件，其中快取記憶體係_ SRAM， ===心件則可採用同步動態隨機存取記憶體 接供1 = 3外部記憶體二者中至少其一對每一片斷 k供一個大小為l〇g2(n+1)位元的儲存空間。 基準的步驟中’這n個層次過渡基準 也可被攻置在Z軸的預定數字或位置上。 於巧接收片斷資料；執行材質繪製操作； ^入二二1的結果；ΐ收材質繪製操作的結果；執 仃王¥，輪&全#騎作的結H收全>1斷操作 的結果與所要顯示之影像根據全片斷操:= 12647pifl.doc 8 1235341 ===值:第三次比較第-物件之每-片斷 二=第 之每一片斷的層次值，·以及根據第- 二人比較資料而移除第二物件各片斷之一。 屎弟二 法更，括第四次比較在先前片斷移除步驟中所 二物件的片斷與可被移除但尚未被移除的第 基準::置。，以及根據第四次比較資料來控制層次過濾 從另-個歧來看，本發供了 _種3 3 ·:-個内部記憶體元件，·一個像素插入電路;―;固擎τ 憶雜-電路’以及―個層次過㈣路。内部記 :-兀件儲存貧料。像素插入電路接

3D 一名番入電路回應於像素插入電路的輸出訊號而建立前述 :角形中之座標資料。層次過渡電路包括n個設置在沁 2之Z軸上的層次過縣準，其中，此層次過濾、電路： 次比較組成3D g間中之-個被光栅化之第一物件的 夕個片斷所對應的每—個層次值及每—個層次過濾基準的 ，將映象至此層次過濾基準且對應於此第一物件之每一 ^斷的第-物件資料以及第一次比較資料儲存在儲存元件 中^將組成第二物件之多個片斷各自進行光切割；第二次 比較第二物件的多個片斷所對應的每一個層次值及前述之 η個層次過濾基準的值；使用儲存在儲存元件中的第一物 ，資料以及第二次比較資料，移除與第一物件之片斷相重 蹩的第二物件之片斷；以及輸出一片斷資料，此片斷資料 係由第一物件之資料與第二物作之剩餘資料所形成。 12647pifi d〇c 9 1235341 車由不同位置上的η 層次過遽電路也可以包含設置在 個層次過濾基準。 前述的3D繪圖引擎更包括材質區塊， ^層次測試區塊。材質區塊接收片斷資料 二 操作並輸材料製操作的結果。全4喃塊^收材^ ’執行全片嶋作並輸 f的二 據所接收到的全片斷操作的結果以及影像‘:::作第= 次比較第-物件中每则斷的層次值與第二物件中每個片 斷的層次值；根據第三次比較資料，從第二物件的片斷中 移除^ >}斷，第四:欠比較在前述#斷移除步驟中無法移 除的第一物件之片斷與第二物件巾可被移除但尚未被移除 之月斷的數量，·以及根據第四次比較結果輸出用來控制層 次過濾基準之位置的位置控制訊號。 為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明 顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳 細說明如下： 【實施方式】 第1圖繪示的是根據本發明一實施例之3D繪圖引擎 的方塊圖。3D繪圖引擎1〇〇包括了 一個光柵引擎11〇，記 憶體區塊120，材質區塊130，全片斷區塊150,層次測試 區塊170以及顯示元件ι9〇。記憶體區塊12〇包括一個外 部記憶體元件121，材質記憶體131，模版記憶體151以及 層次緩衝器171。外部記憶體ί2μ、材質記憶體13卜模版 12647pifl .doc 1235341 記憶體151以及層次緩衝器ι71可以採用同步動態隨機存 取記憶體（SDRAM)或雙倍資料速率（DDR) -SDRAM。 每一個3D影像都是由圖形管線所創造出來的。圖形 管線的第一階段是幾何階段，在幾何階段中，隱藏在3D 影像中的向量圖形資訊與背景影像會被轉換成能為計算機 所處理之三角資料。圖形管線的第二階段是繪製與遮蔽階 段二在繪製與遮蔽階段中，前述的三角資料會被轉換為能 顯示在螢幕上的像素。 以此方式，光柵引擎11〇處理這些三角資料TDATA， 並且產生出片斷資料FDATA。此光柵引擎11〇包括一個 ，素插入電路m，一個τ像素（材質元素）插入電路113, 個層人過;慮電路115，以及一個内部記憶體元件117。 像素插入電路111接收三角資料TDATA，並使用像 素插入方法產生出位於三角資料TDATA所定義之三角形 内的像素資料。在此，三角資料TDATA指出與三角形之 頂點座標相關的資訊。三角資料TDATA包括與頂點位置 ^ Z W)相關的資訊’與材質座標（s，t，r，w) 哥的為Λ ’抵糊資料以及色彩資訊。其中，w是指示3D 同質座“的值，而s，t，r與w表示出如同與頂點位置（X， y z w)相關資訊一般的材質座標。 >，T像素插入電路113接收像素插入電路111的輸出訊 且使用Τ像素插入方法產生出位於三角資料TDATA 一=義之—角形内的座標資料。在此，所產生出的資料指 不，質綠製時所需要的材質資料的座標。 第2圖誇示的是根據本發％之一實施例之位於3D空 l2647pifl.d〇c 1235341 間中的層次過絲準的概念圖。底下將參 圖來說明層次過濾電路115的架構與操作方法圖一第 if孚Ϊ處平面(NP)代表在3D空間中與某人眼睛 j近的千面’而-個遠處平面（Fp)則代表在3D空間 =此=眼睛距離最遠的平面。DF代表的是位於NP與 ⑽3之二空間内之Z軸的預定位置上所設置的層次 過濾基準。因此，可見的片斷係存在於Np與Fp之間。 _ 首先，假設顯示於顯示元件19〇之螢幕上的第一物件 A與第二物件B分別包括多㈣斷，而且物件B是在物件 A被繪製（亦即光柵化）後才被繪製。 層次過濾電路115包括設置於3D空間之z軸上的層 次過濾基準DF。此層次過濾基準DF係位於具有一預定z 值的位置上。在NP與FP之間，可以有11個層^過濾基準， 而此數字可以為大於或等於1的數字。

層次過濾電路115將在3D空間中被光柵化的第一物 件A的每個片斷的層次值拿來與層次過濾基準DF的層次 ，相比較，並且根據比較的結果，將對應於第一物件A之 每一片斷的資料儲存在内部記憶體元件U7之中。 舉例來說，當在3D空間中被光柵化的第一物件A的 每個片斷的層次值都比層次過濾基準DF的層次值還要小 的時候，藉由將第一物件A之每一片斷映射至層次過濾基 準DF所形成之一區域的層次過濾值dfv就會被設定成 1 ’並且此區域的層次過濾值DFV會被儲存到内部記憶體 元件117之中。其他區域的層次過濾值DFv會被設定成 〇，並且也被儲存到内部記憶髖夺件117之中。 12647pjfi doc 1235341 因此，當層次過濾電路115中只包括單一的層次過濾 基準時，内部記憶體元件117就只需要1位元的儲存空間 來儲存每一個片斷的資料。然而，當層次過濾電路115包 括有η個層次過濾基準時，内部記憶體元件in就需要使 用l〇g2(n+l)位元的空間來儲存每一個片斷的資料。 内部記憶體元件117可以利用SRAM來做成。如此一 來，相對於在Hyper-Z與LMA中對每一片斷所需使用的 24或32位元的記憶體頻寬來說，内部記憶體元件in的 記憶體頻寬就可以有效的減少。 在將第一物件A光柵化之後，層次過濾電路115將在 3D空間中被光栅化的第二物件B的每個片斷的層次值拿 來與層次過濾基準DF的層次值相比較，並根據比較的結 果與儲存在内部記憶體元件117之内的資料，預先從第二 物件B中移除至少一個片斷c，其中此片斷c與第一物件 A中至少一個片斷相重疊。 舉例來說’線條LI1中的片斷2〇1是以如下的方式來 B #第—物件A的某—片斷的平面座標與第二物件 的思a斷2〇1的平面座標相同，而且第二物件B之片斷2〇1 ^層^又比層次過渡基準DF的層次值還大的時候，層 ς: = 115就會根據儲存在_記憶槪件ιΐ7 的貝=亦即與比較的結果，將片斷2〇1 然而，在下述的情況中 會被移除。雖然第二物件6 濾基準DF的層次值還要大 ，線條Π2中的片斷203將不 的片斷203的層次值比層次過 ’今既然儲存在内部記憶體元 12647pifi.d〇c 1235341 件117内且對應至顯示點205的資料是〇 (亦即，第— 件A中並沒有片斷是與第二物件B的片斷2〇3相重最 的），層次過濾電路115就不能從第二物件B中移除片^ 層次過濾電路115輸出第一物件Α之每一片斷的次 料，以及第二物件B中除了與第一物件A之至少一片斷: 重豐之第二物件B的至少一片斷c之外的片斷資料至材質 區塊130，以做為片斷資料FDATA。 、 、 換句話說，根據本發明一實施例之層次過濾電路115 在深度測試區塊170的深度測試之前先執行一次深度測 試，並且迅速的從第二物件B中移除因為與第一物件A之 至少一個片斷相重疊而不可見之片斷C。 弟3圖緣示的是根據本發明之一實施例之三個層次過 濾基準的空間排列示意圖。第3圖顯示了在z軸上設置三 個（n=3)層次過渡基準以快速移除更多片斷的案例。 *在此，DF1，DF2與DF3分別表示垂直於2軸所設置 的第一層次過濾基準，第二層次過濾基準以及第三層次過 濾基準。層次過濾電路115將這三個過濾基準中的每個過 ，基準的層次值拿來與被光柵化的物件Ai，Bi與C1的 ，一個片斷的深度值相比較，並且根據比較的結果，在内 部記憶體元件117中儲存2位元的資料。 EDF表示由經三個層次過濾基準dfi，DF2與DF3 、、扁瑪之資料所形成的映圖（map)，其係根據物件厶1，；81 一、Cl被光柵化的順序而循序儲存於.内部記憶體元件 117。在此假設”00”指的是沒碎重疊的空的顯示點區 l2647Pifl.doc 14 1235341 域’ ”01”指的是與物件A1，B1鱼rw 準DF3的顯示點區域的值Q、=相3重4之層次過濾基 相重疊之芦戈渦省其、、隹〇丸的疋與物件A1與B1 的則是與“ ΓιΧ重最之Λ顯示點區域的值，而”11，，指 域的值。 且之層大過濾基準DF1的顯示點區 間。隨著儲存空間的増f，Ztt2個位元的赌存空 =，:： 需要有快速的操作速度，那麼也可以 二己憶體元件121。而在此種狀況下，則將層次 過慮基準儲存於内部記憶體元件ii7之内。滑日人 體元二部記憶體元件121可用來減少内部記憶 ==的 則可以使用SD讀或D=:外部記憶體元件I2丨 FDATA 1> 囷所示之材質區塊130將接收片斷資料 至全片斷區的操作，並將材質繪製的結果輸出 體131 *，用於各像幸^塊130紐用儲存在材質記憶 、各像素之色衫資訊來執行材質繪製。 之材質』SI之t片斷區塊150將接收材質區塊130 ΪΪ、Γ 行全片斷操作，並將全片斷操作的 :;果：出，次測試區塊17〇。全片斷區塊15〇更 行^;rt版知作或字元扭曲操作。當全片斷區塊150執 情體15^中ίϊΓ ’全片斷區塊150會使用儲存在模版記 隐體151中鱗製輯有關的萬訊。 12647pifi.doc 1235341 -果=1圖所示之深度測試區塊170接收全片斷操作的 j及顯示於顯示元件190上之影像的層次值，根^ 到的全片斷操作的結果以及影像的層次值來比較 枯件^之各片斷的層次值與第二物件B之料斷的二 並且根據比較的結果自第二物件B中移除至少一 ^ 減電^’^，試區塊講輸出位置控制訊號至層次過 tL a 根據所要繪製之片斷的空間分佈來即 夺控制層次過濾基準的空間位置。 a準Ϊ137!的是根據本發明之—實施例中相對於層次 2之所有片_分佈圖。底下就是藉由層次_ 基準斷糊 在此處，t代表的是層次過渡基準的位置 =片斷的累積值’RP絲了㈣次過濾電路115 ，片斷的數量，FP代表了無法在結構上被 二 代表的是所有可被層次過濾電路115所移 .里’而SP代表的則是在可以被層次過遽電路115所 2的片斷中’由於物件繪製順序所以未被移除的片斷的 層次測試區塊170將FP的累積值與s 比，並根據比較的結果預測，舉例而言，如$積值相 層次過縣準DF相對於下一幅影像的位置，=之 如第4圖所示’在FP與SP交又處的位置⑴的大 都會被移除。因此’當FP與％相互交叉時，:= I2647pifl.doc 1235341 塊170會將位置控制訊號輸出至層次過濾電路〗〗5 以控制層次過濾基準DF在如第2圖所示之3D空二 轴上的位置。如此-來，層次過攄電路115就可^ a z 位置控制訊號而控制層次過濾基準在z軸上的位置。； 根據本發明之3D !會圖引擎可以即時搜尋位於f 二部分交9叉處的最佳位置，並且修正層次顺基準的^ 置，猎此得以快速的除至少一個不可見的片斷。 雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用 以限^本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本i明之精 2申=範圍内，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保 護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 第1圖繪示的是根據本發明一實施例之31>繪圖引擎 的方塊圖。 第2圖繪示的是根據本發明之一實施例之位於3D空 間中的層次過濾基準的概念圖。 第3圖繪示的是根據本發明之一實施例之三個層次過 濾基準的空間排列示意圖。 第4圖繪示的是根據本發明之一實施例中相對於層次 基準之所有片斷的分佈圖。 【主要元件符號說明】 10〇 : 3D繪圖引擎 110 :光柵引擎 111 :像素插入電路 - 113 : T像素插入電路 、 l2647pifi.d〇c 1235341 115 ··層次過濾電路 117 ··内部記憶體元件 120 :記憶體區塊 121 ··外部記憶體元件 130 :材質區塊 131 :材質記憶體 150 :全片斷區塊 151 :模版記憶體 170 :層次測試區塊 171 ·•層次緩衝器 190 :顯示元件 12647pifl .doc

Claims (1)

1235341 十、申請專利範園： 1.-種處理3D影像片斷之方法，包括： f 工間之—z轴上設置一層次過滤基準； ^ 空間中被光桃化之組成一第一物件 y则斷巾的母-個層次值與該層次聽基準的層:欠 將對應於該第-物件之每一該些片斷之 料與第-次比較之結果儲存於一儲存元3中； 件貝 緣製該第-物件之該些 間中被光栅化之組成一第二物杜夕幻弟一一人比車又该3D空 次值與該層次過據基準的層次夕個片斷中的每一個層 使用儲存在该儲存元件中之該第一 — 比較之結果，㈣第二物件 -次 件之片斷相重疊之片斷；叹-叫中移除與該第-物 繪製該第-物件與料 2.如申請專利範圍第：Κ片斷。 其中該儲存元件對於每:糾像片斷之方 的儲存空間，其中η為自然數。一片岐供1喂㈣)位元 3 社如申請專利範圍第β ，其中在該3Df間之該ζ轴上：理像片斷之方 :驟中’該層次過準係被設置 之 方法於扣影像中循騎製第一物件與第二物件 在一 3〇空間之一 Z軸上設霞—層次過遽基準； 19 1 2647pifl d〇c 1235341 第一次比較該 之多個片斷 值； -一丁…臂， 兮此該層次過滤基準且對應於該第—物件之备-=中斷的―第―物件資料及第—次_資料儲存在_ 將該第二物件之各片斷光拇化； 二層第::件的各個片斷所對應的層次值及 -”上2二次比較資料與儲存在該儲存元件中的該第一 人‘山，4,以從該第二物件中移除片斷；以及 μΓ::斷資料，該片斷資料係由該第-物件之資料 與°亥弟一物件之剩餘資料所形成。 貝科 5.如申請專利範圍第4項所叙於 士 第一物件與第二物件之方法，其中在該3I^Hf會f 上設置該層次過遽基準之步驟中，备 之该z軸 些片_共-㈣)位元的儲存空間 上設置該層次過濾、基準之步V中中in，間之該“由 層次過準時，該儲存元件:含 12647pifl .doc 20 1235341 ，憶1兀件，其中該快取記憶體係以SRAM為之，而該外 邛β己丨思體元件則以同步動態隨機存取記憶體（SDRAM)為 之0 第-咖第7項所述之㈣影像巾循序繚製 記情體元物件之方法，其巾該快取記龍與該外部 少—者對於每-該些片斷提供丨。咖丨)位 第法項 接收片斷資料； 執行材質繪製操作· 輪出材質綠製操作的結果； 接收材質繪製操作的結果； 執行全片斷操作； 輪出全片斷操作的結果； 值·，接收全片斷操作的結果與所要顯示之—影像的層次 斷的層:欠值片斷的詹次值與該第二物件之 根據第三次比較資料而移㈤該第二物件各片斷之 12647pin 1235341 ιι·如申請專利範圍第10項所述之於 W了物件與第二物件之方法，更包括：4甲循序、、曰 件中trr 二次比較資料與儲存在該儲存元 步驟以從該第二物件中移除片斷之 被移除的 物:r斷與可被移除但尚未 =據第四:欠比較㈣來㈣該層:欠顯基準的位置。 12·—種3D繪圖引擎，包括： 一内部記憶體元件，用以儲存資料； 的3D?|f’ f收3D f訊’並且根據所接收到 貝Λ來建立一二角形中的像素的資料； 的(tre1,)插人電路’回應於該像素插入電路 輸出Λ號，建立该二角形中之座標資料；以及 一層次過濾電路，包括設置在一 3D空間之一 ζ軸上 的η,層次過濾基準，其中，該層次過濾電路： 第一次比較組成該3D空間中被光栅化之一第一物 的^個片斷所對應的每—個層次值與每—個該些層次過據 基的值， 將映象至該層次過濾基準且對應於該第一物件之每一 片一第一物件資料以及第一次比較資料儲存在一儲存 逐一光柵化組成一第二物件之多個片斷； 第二次比較該第二物件的多個片斷所對應的每一個層 次值及該些η個層次過濾基準的層次值卜 使用儲存在该儲存元件中的丨該第一物件資料以及第二 12647pifl.doc 22 1235341 物 ΐΐϊΐ料以J除與該第-物件之片斷相重疊的該第二 =出-片斷資料，該片斷資料係由該第 與该第二物件之剩餘資料所形成。 貝抖 13. 如申請專利範圍第12項所述之3〇義弓|擎， ;;儲^件對於每—該些片斷提供lQg2(n+1)位‘ 間’其中η為自然數。 邱工 14. 如申請專利範圍第12項所述之3D繪圖引擎，其中 °Λ 11個層次過濾基準係設置於該ζ軸的不同位置上。 15. 如申請專利範圍第12項所述之3D繪圖引擎，更包 括： 、一材質區塊，接收一片斷資料，執行一材質繪製操作 並輪出該材質繪製操作的結果； / 一全片斷區塊，接收該材質繪製操作的結果，執行一 全片斷操作並輸出該全片斷操作的結果；以及 一一層次測試區塊，接收該全片斷操作的結果以及所要 顯示的一影像的層次值，其中，該層次測試區塊執行下列 操作： 根據所接收到的該全片斷操作的結果以及該影像的層 次值，第三次比較該第一物件中每個片斷的層次值與該第 二物件中每個片斷的層次值；以及 根據第三次比較資料，從該第二物件的片斷中移除其 〇 16·如申請專利範圍第12項所述之3D繪圖引擎，更包 括： t 12647 pif 1 .doc 23 1235341 第四次比較於前述使用儲存在該儲存元件中的該第一 物件資料以及第二次比較資料，移除與該第一物件之片斷 相重$的該第二物件之片斷之步驟中所無法移除的該苐二 物件之片斷與該第二物件中可被移除但尚未被移除之片斷 的數量；以及 根據第四次比較結果輸出用來控制該些層次過濾基準 之位置的一位置控制訊號。 12647pifl.doc 24