TWI559257B - 使用微多邊形鋪接技術的方法、媒體及設備 - Google Patents

Description

使用微多邊形鋪接技術的方法、媒體及設備 發明領域

本發明基本上係有關圖形處理技術，並更特別係有關顯現微多邊形之技術。

發明背景

本發明基本上係有關圖形處理技術，並更特別係有關顯現微多邊形之技術。

係可將一個幾何基元劃分成更小的基元數次，直到其螢幕空間大小夠小為止，並在各個階段發生平截頭體淘汰(frustum culling)。此外，在一個螢幕的各個地磚內，係可完成這些基元之從前到後的整理，並且係可相對於一個階層深度緩衝器對各個基元作包藏淘汰(occlusion culled)。劃分迴圈會一直被執行，直到輸入基元已經被切分成許多小部份，並且各個部份的螢幕空間延伸係小於受使用者控制的臨界值為止。

接下來會發生切塊動作，其中，各個子基元會被一致地鑲嵌到被稱為微多邊形的為子像素大小之四邊形或三角形的一個網格中。各個微多邊形會被做視野平截頭體和背面淘汰。一個微多邊形是小於像素的一個顯現基元。其可，例如，為一個四角形或三角形。

可能會發生移位映對行為，當中，係對網格中的每個頂點執行移位遮掩器(shader)。

發明概要

依據本發明之一實施例，係特地提出一種方法，其包含下列步驟：藉由將一個網目細分直到多邊形邊緣短於一個預定長度為止，因而產生數個微多邊形，來適應性地鑲嵌；以及藉由鋪接而顯現該等微多邊形。

依據本發明之另一實施例，係特地提出一種儲存有指令的非暫時性電腦可讀媒體，該等指令會使一個電腦能夠進行下列步驟：藉由將一個網目細分直到多邊形邊緣短於一個預定長度為止，因而產生數個微多邊形，來適應性地鑲嵌；以及藉由鋪接而顯現該等微多邊形。

依據本發明之又一實施例，係特地提出一種設備，其包含：一個處理器，用以藉由藉著將一個網目細分直到多邊形邊緣短於一個預定長度為止作適應性鑲嵌，而產生數個微多邊形，並用以藉由鋪接而顯現該等微多邊形；以及耦接至該處理器的一個儲存體。

圖式簡單說明

第1圖是本發明的一個實施例之流程圖；第2圖是對一個三角形的描繪，它的一個頂點和形心都在同一個像素內。此例示展示出一個限制事例的幾何組態，當中形心和一個頂點都在此像素內；第3圖是依據一個實施例的對局部平面表面近似之描繪，用於終止針對一個給定像素的最靠近鋪塊(splat)；第4圖是依據一個實施例的對局部曲率表面近似之描繪，用於終止針對一個給定像素的最靠近鋪塊；第5圖是對本發明的一個實施例之概略描繪；並且第6圖是對一個三角形扇的描繪，其具有位於像素中心的一個共享頂點。

較佳實施例之詳細說明

依據一些實施例，具高精細度的幾何，例如對頭髮的描繪，係可藉由鑲嵌直到三角形小到能夠使用像素大小的鋪塊為止來顯現。在一些實施例中，係可避免定界框運算、三角形設立、和柵格化。

在電腦圖形中，較高階的基元常常會被鑲嵌到較小的顯示基元中，典型上是三角形。對於複雜幾何物件的一種替代表示型態是高度密集點雲，其為，例如，3D掃描器的本地輸出。鋪接(splatting)是一種用來從點雲基元近似地顯現一個表面的技術，其中，在顯現時，各個分立的點係藉由一個局部表面核心而被延伸。與同一個像素重疊的數個核心會在訊框緩衝器中被一起作平均，以使得可將此點雲顯現為像是一個表面模型。在設計核心上係有特別留意，以使得在所顯現的表面上沒有任何孔洞。

我們的鋪接方法係使用一種簡化的核心，其並不對重疊的樣本作平均，而是簡單地寫入一個顏色值，若此鋪塊被判定是可讓子像素看見的話。取代於倚賴進階的過濾器核心，我們的技術係類似於黎曼積分(Riemann-integration)，其中每個子像素都有一個常數值。對於較高品質，係使用較多的子像素。

在一些實施例中，係實施適應性鑲嵌和鋪接。一個鑲嵌器會將表面嵌合到薇三角形中，直到各個薇三角形都小於一個給定條件為止。這些微三角形接著被饋入到一個鋪接器中，此鋪接器會將他們鋪接到一個訊框緩衝器中。若一個三角形或其他微多邊形頂點的形心在被投影到螢幕上時係落在一個像素或子像素中，則此像素或子像素的顏色和深度會被更新。因此，此微多邊形的形心必須被運算。若此微多邊形形心是在此像素內，則此像素的緩衝器就須要被以深度和顏色作更新。

為了基於微多邊形形心將表面向下鑲嵌到能夠保證鋪接，可以覆蓋整個表面的大小，係使用一個邊緣長度條件。在一個實施例中，若邊緣長度小於一個像素側邊長度的四分之三，則覆蓋一個像素之中心的一個三角形之形心將會落於同一個像素內。只要此表面本身並不含有任何裂縫，則此種以形心為基礎的鋪接途徑將因而覆蓋此表面且沒有任何裂縫。進行這種類型的鑲嵌是一個適應性鑲嵌器的使命。

四分之三像素邊緣長度是從識出此事導出，即，各個三角形邊緣需要被鑲嵌至的最長的邊緣長度係在當一個三角形的一個側邊，以w表示，逼近零時獲得。因此，另外兩個三角形邊緣會具有相同的長度l。此外，此三角形應該會幾乎僅與此像素之中心作幾乎沒有的重疊。請參考第2圖，在這個事例中，在y座標上的形心是(0+l+l)/3。若此點會是在此像素內，則下式必需為真：(0+l+l)/3=1/2，這表示l必須等於此像素側邊長度的四分之三。所以，如果此表面被適應性地鑲嵌而使得各個微三角形邊緣等於0.75個像素，那麼以形心為基礎的鋪接途徑就會覆蓋此表面而沒有任何裂縫。

若此像素被一個經鑲嵌表面完全覆蓋，則在一些實施例中可緩和導算。為了導出緩和鑲嵌邊界，係可使用具有位在像素之中心之共享頂點的一個三角形扇之範例。若此經鑲嵌表面具水密性，則這些三角形中的至少一個之形心必須是在此像素內。假設一個經鑲嵌表面的一個領域頂點係位在此像素的中心。我們搜尋與此頂點連接的具有位在此像素之區域內之形心的一個三角形之最大側邊長度。若兩個關聯邊緣之長度為長度條件所容許，則任何一個所連接三角形的從此頂點到形心的最大距離都會被獲得。此長度係以L表示。假設有八個長度L的邊緣連接到中心頂點，其中有一個向下指，並且各個邊緣之間夾45度，如於第6圖中所示。從像素中心到各個這八個三角形之形心的謝比雪夫(Chebyshev)距離為L(1+1/2)/3。若謝比雪夫距離小於像素之側邊長度的一半，那麼形心便是在此像素內。因此，長度條件必須為L<一個像素之側邊長度的3/(2+2)，以使此像素能夠包括一個形心。從此構型擾亂任何頂點都會降低最小謝比雪夫距離；因此上面所導出的長度條件是一個最大值。我們推測，這是通用最大值。

對於具有多於三個頂點的多邊形而言，最大謝比雪夫距離也是以類似構型獲得，但其中各個三角形是以多的邊緣沿著中心至三角形形心向量之主軸而延伸。例如，對於四邊形而言，最大邊緣長度是L<2/(2+2)，且對於五邊形而言，最大邊緣長度是5/(8+22)。

配合適應性鑲嵌，只能在參數表面為連續而使得當參數域減少時此表面部份在螢幕上的投影也減少的時候保證對一個邊緣長度條件之滿足。係可在鑲嵌期間識別出這不為真的事例，並且可藉由透過內插法插入額外鋪塊來處置。

在一些實施例中，係可全然避免柵格化，取而代之地寫出覆蓋單一個向量的鋪塊。所以，三角形建立變得更為容易，並且可全然免除對於小三角形的相對昂貴且無效率的柵格化。

在一些實施例中，不能滿足邊緣長度條件的表面會被柵格化而不被鋪接。柵格化所需的完全三角形建立僅針對被柵格化的表面進行。

因此，請參考第1圖，由方塊10所指出的此序列的第一個步驟係要遞迴地細分網目直到一個微三角形的三個經投影、經移位之長度在長度上都小於0.75個像素。此長度臨界值可亦為一個像素之側邊長度的3/(2+2)，或是一些其他保守地導出的長度。那麼，如於方塊12中所指出的，可運算出這些頂點的顏色。接下來，請參考方塊16，可從三角形的三個頂點顏色內插此三角形之形心處的顏色和深度。

接著，係可進行對此像素鋪塊的z測試，如於方塊18中所指出的。在一些實施例中，顏色和深度可被寫至最靠近形心的像素，如於方塊20所指出的。

在一些實施例中，於上文中所描述的這個序列係可實施在軟體、硬體或韌體中，例如一個圖形驅動器。在軟體實施例中，其係可藉由儲存在一個非暫時性電腦可讀媒體，例如一個磁性、光學、或半導體儲存裝置，上的一連串指令來實施。這一連串指令係可由任何以處理器為基礎的裝置實施。

為便說明，我們以一個像素井(pixel well)來表示像素的視野平截頭體。手邊的這個問題是要判定微多邊形的在像素井內的哪些鋪塊對像素顏色有貢獻。針對各個微多邊形，在模型視野投影轉換之後，在螢幕空間中會藉由，例如，使用對樣本位置的一個查詢表，而產生一種靠近一致分佈的點樣本，以使得每個像素都至少有一個鋪塊。為了於抗混淆，這些像素井係被簡單地細分成數個子像素。一個樣本只會影響一個(子)像素，並且在此樣本被界定為最靠近者的情況下，它會填滿這整個(子)像素。在我們以恆常鋪接(constant splatting)來表示的技術中，具有最小z座標的樣本會被選出，而不管其在此像素井內的x、y位置。其他途徑包括平面近似、和局部曲率近似。

這係可在像素粒度或在子像素層級完成，但為求明晰，在下文中係對這個每一像素一個樣本的事例作論述。

在平面近似中，一個碟片係以由樣本點及其導數所界定的有限範圍而被附接在各個鋪塊周圍，如於第3圖中所示。此圖示出一列像素井的一個2D剖面圖，所以這些碟片是被畫為從鋪塊位置突出的線條。在像素中心的深度值被運算為此碟片和穿過此像素之中心的一個射線之交點。若在此碟片之座標系統中所量測到的至像素中心之距離大於一個給定臨界值，則深度值便被近似為在此碟片之邊緣的一個夾鉗值。此夾鉗行為係例示在第3圖中。

要估算碟片之範圍的臨界值，係可使用一個局部二階導數。對於具有較高曲率的區域而言，此局部平面近似是一個粗略表示型態，並且代表碟片的半徑可能會被縮短。例如，必須要注意就位在一個平面表面後的小型球面。若不使碟片之範圍對曲率作適應，則來自於這個球面的剪影之樣本可能會錯誤地成為透過這個平面表面而可見的。鑲嵌器可能已經將表面曲率納入考量，以提供大小平均的三角形，並且若可獲得的話，係可使用局部曲率來估算碟片半徑的較佳臨界值。

在局部曲率表面估算中，係可在代數適入微多邊形之形心時使用局部球形表面近似，如於第4圖中所示。對各個樣本點給定一個球面切線，則可對局部表面行為作近似。概念上，係在各個鋪塊後附接一個球面，並且此球面的法線係與樣本點的表面法線對齊。現在，在視野方向中形成一道射線，通過像素中心。可採用此射線和球面的交點深度作為此樣本的深度值。若沒有這樣的交點，則可替代性地使用此球面的最大深度。

係可藉由下至像素大小之基元地鑲嵌和評估表面移位遮掩器來達到多重取樣。一旦達到那個臨界值，一些實施例係可彼接著簡單地以顏色和螢幕空間中之頂點位置(x,y)之內插，而對此三角形進行一致的平坦鑲嵌，直到這些邊緣長度都小於0.75個子像素或者是某些其他保守邊緣長度條件為止。所以，我們可以使用一種劃分與切塊鑲嵌途徑，直到這些微三角形已相當小為止，並接著在這些三角形中以內插法進行鑲嵌。

在跳過柵格化並以單一像素鋪接取代柵格化的數個實施例中，係可避免大部分的三角形設立和所有的實際柵格化處理程序。此外，係可將像素遮掩和頂點遮掩合併到單一個遮掩器中，在一些實施例中，這可簡化規劃動作。

在並行柵格化器中，係可能會因為有複數個微多邊形在同一個像素結束而發生像素寫入衝突。在剪影邊緣、或是當在螢幕空間中重疊的兩個補片在同一批中被作可視度測試時，可能會發生衝突。在一些實施例中，針對競爭的微多邊形而在行進中將對同一個子像素位置的寫入最小化是很重要的。配合鋪接技術，有複數個樣本想要更新同一個子樣本的機會比較高，並且較難以避免，因為來自於單一個微多邊形的複數個鋪塊可能會影響同一個子像素。可藉由將鋪塊之數量對微多邊形區域作適應來減少此影響。或者是，可藉由在微多邊形上，而非一個微多邊形內的鋪塊，或者甚至是在不同的數個較高階基元上，作並行化來減少寫入衝突。然而，現今在圖形卡中已有對於處置類似寫入衝突的硬體支援，所以我們將這個預期為是很易於處置的。

大體而言，是會希望取得比遮掩樣本更多的可視性樣本，以使得可對每個微多邊形或微多邊形頂點作一次遮掩器評估。可接著產生鋪塊、將其分散在此微多邊形上，這些鋪塊可係全都共享同一個遮掩值，或者是從頂點作內插的一個遮掩值。透過內插法所得到的近似遮掩結果比起進行完全遮掩來說較不昂貴。因此，係可在使運算可視性處於高比例的同時使遮掩率降低。

示於第5圖中的運算系統130可包括一個硬驅動機134和一個可移除媒體136，可移除媒體136藉由一個匯流排104耦接至一個晶片組核心邏輯110。係可使一個鍵盤和滑鼠120，或其他習知部件，經由一個匯流排105耦接至圖形處理器112，以及使其耦接至主要或主機處理器100。圖形處理器112可亦藉由一個匯流排106而耦接至一個訊框緩衝器114。訊框緩衝器114可藉由一個匯流排107耦接至一個顯示螢幕118。在一個實施例中，一個圖形處理器112可為使用單指令多資料(single instruction multiple data,SIMD)架構的一個多緒式多核心並行處理器。

在一個軟體實作的事例中，係可將相關碼儲存在任何適當的半導體、磁性、或光學記憶體中，包括主要記憶體132或在此圖形處理器內的任何可用記憶體。因此，在一個實施例中，用來進行第1圖之序列的碼可係儲存在一個機器或電腦可讀媒體，例如記憶體132或圖形處理器112，中，並且在一個實施例中，係可由處理器100或圖形處理器112執行。

第1圖是一個流程圖。在一些實施例中，繪示於此流程圖中的序列係可被實施在硬體、軟體或韌體中。在一個軟體實施例中，係可使用一個非暫時性電腦可讀媒體，例如一個半導體裝置、一個磁性記憶體、或一個光學記憶體來儲存指令，且其係可由一個處理器執行，以實施示於第1圖中的序列。

於本文中所描述的圖形處理技術係可在各種硬體架構中實施。例如，係可將圖形功能整合在一個晶片組中。或者是，係可使用一個分立圖形處理器。再舉另一個實施例，這些圖形功能係可由一個一般用途處理器實施，包括多核心處理器。

於本說明書通篇中對於「一個實施例」或「一實施例」的指涉係指配合此實施例所描述的此特定特徵、結構或特性係包括在涵蓋於本發明內的至少一個實作中。因此，「一個實施例」或「在一實施例中」等詞語的出現並不必然係指同一個實施例。此外，這些特定特徵、結構或特性係可以與所例示之特定實施例不同的其他適當的形式制定，並且所有的這些形式都可係涵蓋於本申請案之申請專利範圍內。

雖然已針對有限數量的實施例來說明本發明，熟於此技者會可識出從中而生的許多修改體和變異體。係意欲要使後附申請專利範圍涵蓋落於本發明之真實精神與範疇內的所有這些修改體和變異體。

10～20．．．方塊

100．．．主要或主機處理器

104～107．．．匯流排

110．．．晶片組核心邏輯

112．．．圖形處理器

114．．．訊框緩衝器

118．．．顯示螢幕

120．．．鍵盤和滑鼠

130．．．運算系統

132．．．記憶體

134．．．硬驅動機

136．．．可移除媒體

第1圖是本發明的一個實施例之流程圖；

第2圖是對一個三角形的描繪，它的一個頂點和形心都在同一個像素內。此例示展示出一個限制事例的幾何組態，當中形心和一個頂點都在此像素內；

第3圖是依據一個實施例的對局部平面表面近似之描繪，用於終止針對一個給定像素的最靠近鋪塊(splat)；

第4圖是依據一個實施例的對局部曲率表面近似之描繪，用於終止針對一個給定像素的最靠近鋪塊；

第5圖是對本發明的一個實施例之概略描繪；並且

第6圖是對一個三角形扇的描繪，其具有位於像素中心的一個共享頂點。

10~20‧‧‧方塊

Claims (26)

1. 一種方法，其包含下列步驟：藉由將網目細分到多邊形邊緣短於預定長度為止來進行適應性鑲嵌，並因而產生數個微多邊形；運算一個三角形的形心；判定該形心是否係在一個像素內；以及藉由寫出覆蓋單一個向量的鋪塊來避免柵格化。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，其包含下列步驟：鑲嵌三角形直到邊緣在長度上小於3/(2+sqrt(2))個像素為止。
3. 如申請專利範圍第1項之方法，其包含下列步驟：鑲嵌三角形直到邊緣在長度上小於0.75個像素為止。
4. 如申請專利範圍第1項之方法，其包含下列步驟：鑲嵌四角形直到邊緣在長度上小於2/(2+sqrt(2))個像素為止。
5. 如申請專利範圍第1項之方法，其包含下列步驟：於底下的表面區域並不連續時取代於鋪接而柵格化基元。
6. 如申請專利範圍第1項之方法，其包含下列步驟：利用內插法來進一步地鑲嵌一個微多邊形。
7. 如申請專利範圍第6項之方法，其包含下列步驟：使用對樣本位置的一個查詢表，以及每像素提供至少一個鋪塊。
8. 如申請專利範圍第1項之方法，其包含下列步驟：於該形心是在一個像素內時更新一個像素緩衝器。
9. 如申請專利範圍第1項之方法，其包含下列步驟：利用平面表面近似來判定可視性。
10. 如申請專利範圍第1項之方法，其包含下列步驟：利用局部曲率表面近似來判定可視性。
11. 一種儲存有指令的非暫時性電腦可讀媒體，該等指令會使一個電腦能夠進行下列步驟：藉由將網目細分到多邊形邊緣短於預定長度為止來進行適應性鑲嵌，並因而產生數個微多邊形；運算一個三角形的形心；判定該形心是否係在一個像素內；以及藉由寫出覆蓋單一個向量的鋪塊來避免柵格化。
12. 如申請專利範圍第11項之媒體，其進一步儲存有用於下列步驟的指令：鑲嵌三角形直到邊緣在長度上小於3/(2+sqrt(2))個像素為止。
13. 如申請專利範圍第11項之媒體，其進一步儲存有用於下列步驟的指令：鑲嵌三角形直到邊緣在長度上小於0.75個像素為止。
14. 如申請專利範圍第11項之媒體，其進一步儲存有用於下列步驟的指令：鑲嵌四角形直到邊緣在長度上小於2/(2+sqrt(2))個 像素為止。
15. 如申請專利範圍第11項之媒體，其進一步儲存有用於下列步驟的指令：於底下的表面區域並不連續時取代於鋪接而柵格化基元。
16. 如申請專利範圍第11項之媒體，其進一步儲存有用於下列步驟的指令：利用內插法來進一步地鑲嵌一個微多邊形。
17. 如申請專利範圍第16項之媒體，其進一步儲存有用於下列步驟的指令：使用對樣本位置的一個查詢表；以及每像素提供至少一個鋪塊。
18. 如申請專利範圍第11項之媒體，其進一步儲存有用於下列步驟的指令：於該形心是在該像素內時更新一個像素緩衝器。
19. 如申請專利範圍第11項之媒體，其進一步儲存有用於下列步驟的指令：利用平面表面近似來判定可視性。
20. 如申請專利範圍第11項之媒體，其進一步儲存有用於下列步驟的指令：利用局部曲率表面近似來判定可視性。
21. 一種設備，其包含：一個處理器，用以進行下列操作：藉著藉由將網目細分到多邊形邊緣短於預定 長度為止來進行適應性鑲嵌而產生數個微多邊形、藉由寫出覆蓋單一個向量的鋪塊來避免柵格化、運算一個三角形的形心；及判定該形心是否係在一個像素內；以及耦接至該處理器的一個儲存體。
22. 如申請專利範圍第21項之設備，其中，該處理器可進行下列操作：鑲嵌三角形直到邊緣在長度上小於3/(2+sqrt(2))個像素為止。
23. 如申請專利範圍第22項之設備，其中，該處理器可進行下列操作：鑲嵌三角形直到邊緣在長度上小於0.75個像素為止。
24. 如申請專利範圍第22項之設備，其中，該處理器可進行下列操作：鑲嵌四角形直到邊緣在長度上短於2/(2+sqrt(2))個像素為止。
25. 如申請專利範圍第21項之設備，其中，該處理器可進行下列操作：利用內插法來進一步地鑲嵌一個微多邊形。
26. 如申請專利範圍第25項之設備，其中，該處理器可進行下列操作：使用對樣本位置的一個查詢表，以及每像素提供至少一個鋪塊。