Tile-Based圖形處理方法及高質量圖形算法設計.pdf

1、Tile-Based體系架構以其獨特的三維圖形顯示算法，在嵌入式圖形處理器設計領域內占有重要地位[1]。其最顯著特征是將屏幕分割為許多小塊區(qū)域分別進行場景的繪制渲染。這種顯示算法與傳統(tǒng)的圖形顯示流水線并不相同，帶來的最大優(yōu)勢是可以大幅度降低圖形處理器對深度緩存的訪存帶寬需求[2]。當前嵌入式系統(tǒng)所能提供的系統(tǒng)帶寬，在面對高性能高質量的應用需求時依然顯得不足，而且訪存操作被認為是嵌入式系統(tǒng)中功耗的主要來源之一[4]，所以要在當前嵌入式圖形

2、顯示系統(tǒng)中獲得高質量、低功耗的設計，關鍵在于降低系統(tǒng)的帶寬需求，即運算部件與內存之間的數(shù)據(jù)傳遞[3]，而Tile-Based架構正適應了技術發(fā)展的現(xiàn)狀。另一方面，Tile-Based架構使得延遲渲染技術(Deferred Rendering)成為很自然的選擇[5]。通過延遲渲染技術的使用，可以減少不必要的紋理映射等計算，進一步降低系統(tǒng)帶寬需求。所以在嵌入式圖形處理器領域，Tile-Based體系架構被多家主流廠商所采用，例如Imagen

3、ation的Power VRMBX、PowerVRSGX系列[6]，ARM的Mali系列[5]等。但該體系結構也有其固有困難，需要仔細設計算法細節(jié)與中間數(shù)據(jù)結構才能獲得正確的顯示結果并發(fā)揮出其低帶寬需求的優(yōu)勢。其中正確性保證需要解決的是Tile-Based架構與主流三維顯示API標準，即與Open GL[7]、OpenGL ES[8]、DirectX[9]等標準之間的兼容性問題；而低帶寬需求則涉及高效的中間緩存內部數(shù)據(jù)結構設計。因此本人

4、選擇基于Tile-Based架構的嵌入式圖形處理算法設計作為博士論文的主要研究課題，同時還涉及了一些高質量圖形顯示算法在嵌入式系統(tǒng)中的應用。本文所取得的成果主要有：
　　 1.依照傳統(tǒng)3DAPI標準的順序性語義模型，尋找其與Tile-Based架構之間的不兼容性特征。
　　 當前的兩大3DAPI標準為Khronosgroup組織所維護的OpenGL、OpenGLES以及Microsoft所推出的DirectX系列。它們的

5、基本算法都基于立即渲染模式(lmmediate Rendering Mode)[10]，而編程模式則是遵從順序性語義的流模型(Stream Programming Model)[11l[12][13][14]。順序性語義模型中所隱含的數(shù)據(jù)相關性[19]與CPU的指令集設計十分類似，即約定當前API的執(zhí)行必須基于上一條API執(zhí)行完成后的結果。而Tile-Based體系架構從本質上說是一種并行結構[1][15][16][17]，每條API對

6、系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響并不能立即獲得，所以會引發(fā)一系列的兼容性問題。本文從順序性語義模型出發(fā)，分析OpenGLES標準，并與Tile-Based基本結構相結合，獲得Tile-Based架構與OpenGLES標準之間的兼容性矛盾，例如Alphatest開啟之后紋理映射操作對深度緩存(depthbuffer)以及蒙板緩存(stencilbuffer)更新的影響，即earlyztest[20][21]的結果一致性保證；幀緩存讀取(framebuff

7、erread)操作的數(shù)據(jù)相關解決方法；紋理的產(chǎn)生/刪除(Texturegeneration/deletion)在Tile-Based結構下的實現(xiàn)方法；復雜場景的正確顯示等。
　　 2.兼容OpenGLES標準的高性能Tile-Based架構設計。
　　 針對之前分析獲得的不兼容性問題，本文設計了一種基于Tile-Based架構的圖形顯示算法，并設計了高壓縮率的中間緩存數(shù)據(jù)結構形式，保證了內存的高效利用。同時增加一塊片內緩

8、存visiblebuffer保存可見的片段(visiblefragment)[7]，以支持延遲渲染技術的實現(xiàn)，避免了傳統(tǒng)延遲渲染中fragment對內存的寫入操作[5]，降低了繪制階段對系統(tǒng)帶寬的需求。
　　 3.高質量的空間異性紋理映射濾波算法設計。
　　 由于移動設備中單個像素的顯示質量要求甚至要高于桌面系統(tǒng)[22]，所以本文設計了一種空間異性紋理映射方法，實現(xiàn)對像索橢圓足跡的濾波近似，提高了紋理映射的質量，有效避免

9、了傳統(tǒng)空間同性紋理映射所帶來的過濾波模糊現(xiàn)象。并且通過增加一塊不大的查找表(＜3KB)，可以降低空間異性紋理映射所需執(zhí)行的計算。在此基礎上設計了一種查找模式，可以根據(jù)當前系統(tǒng)帶寬情況進行質量與性能間的平衡，更靈活地適應移動平臺應用環(huán)境。
　　 4.快速景深渲染方法。
　　 為了獲得交互性的景深效果表現(xiàn)，本文提出了兩種方法：一是利用深度權重分別模擬前后場景中的遮擋規(guī)則，而后通過融合緩存將前后場景累加獲得景深效果圖像。該方法