以動態精確度調整3d繪圖管線的方法和裝置的製作方法

2023-10-08 22:29:09

專利名稱：以動態精確度調整3d繪圖管線的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明一般地涉及三維(3D)繪圖，更具體而言，涉及用於在資源受限設備上以動態精確度調整3D繪圖管線的方法和裝置。
背景技術：
從令人著迷的電影特效，到醫學成像、電子遊戲和更多的領域，3D圖形所帶來的衝擊不亞於一場革命。3D圖形領域廣泛而複雜，除可用於娛樂產業(包括電影和遊戲)之外，3D圖形技術也在計算機輔助設計(CAD)上為工業設計帶來了巨大的飛躍。製造商可以在不使用任何材料設計的情況下「構造」出它們的產品。用來創建3D圖形的過程被稱為3D管線(pipeline)。因為3D圖形渲染本身的有序特性，整個處理過程被拆分成不同的步驟，有時被稱作階段(Stage)。概括地講，一個常規的3D繪圖管線順序拆分為四個階段:場景管理，幾何圖元運算，三角形設置和渲染(rendering)。圖1示出3D繪圖管線的示意圖。場景管理可以包括靜態和動態幾何物件資料結構的建立，攝影機資料的建立，遮蔽物的剪切以及多層次精緻度模型(Level of Detail，L0D)。幾何圖元運算可以包括從模型空間到世界空間的變換，從世界空間到視圖空間的變換，投影變換，背面剔除，光照處理，到剪裁空間的變換以及到二維(2D)屏幕空間的變換，等等。三角形設置包括斜率/增量計算，掃描線換算，等等。在幾何圖元運算之後，頂點資料已經被正確地放入3D立體空間中。通過三角形設置，可以將像素資料也放到裡面。從屏幕畫面來看，構建三角形也就是產生這個三角形外圍各個像素的坐標。渲染包括著色、紋理、高光/霧計算、Alpha透明度測試、深度緩存等等。由於3D圖形繪製的各個階段都涉及大量數據處理，因此在硬體運算能力受限的行動裝置上，尤其是在沒有浮點數運算能力的平臺上，要實現3D繪圖是非常困難的。通常，人們能夠接受的圖形處理速率是每秒產生並顯示至少8幀圖像。要想達到這樣的處理速率，一般要求設備平臺滿足如下條件:(I)平臺需要具有用於3D圖形處理的圖形處理單元(GPU)，從而能夠足夠快地繪製3D圖像；(2)由於3D圖像的渲染過程需要使用大量的浮點數運算，因此平臺硬體需要具有浮點數運算能力。然而，對於不具有GPU甚至不提供硬體浮點數運算能力的資源受限平臺而言，則難以實現高效的3D繪圖管線。所謂「資源受限平臺」，其被定義為不具有GPU，僅具有單一CPU並且該CPU不支持浮點數運算的設備平臺。對於資源受限平臺，一般是用定點數來取代浮點數以加快計算的過程。然而，定點數計算存在一些局限。例如，在從世界坐標系轉換到剪裁坐標系的過程中，由於3D世界大小的不同，轉換過程中可能會因為精確度不足而導致計算的錯誤。這些計算錯誤會影響最終的視覺效果，使最後生成的圖像產生抖動或扭曲的現象。
因此，存在對於能夠在3D繪圖過程中動態調整使用定點數模擬浮點數運算的精確度的需求。

發明內容
鑑於上述問題，本發明提出一種用於在資源受限設備上以動態精確度調整3D繪圖管線的方法和裝置。舉例來說，在一個實施例中，該方法可以根據例如I幀畫面中3D場景的大小(三維攝影機或眼睛所能看到的範圍)來動態調整使用定點數模擬浮點數運算的精確度。根據本發明第一方面，提供了一種用於進行3D繪圖的方法，該方法的特徵在於:在3D繪圖管線中，用定點數模擬浮點數運算，並且其中，用定點數模擬浮點數運算的精確度被動態調整。在一個實施例中，在將3D世界坐標轉換到2D屏幕坐標的過程中，根據攝影機所能看到的3D世界的大小，調整計算所需的精確度。在另一實施例中，在將3D世界坐標轉換到2D屏幕坐標的過程中，對於各種物件，使用不同的精確度進行計算。例如，使用高精確度進行計算的內容可以是如下各項中的一個或多個:坐標轉換矩陣、光源參數和攝影機參數。在又一實施例中，在變換到剪裁坐標的過程中，根據坐標轉換數值的範圍，調整計算所需的精確度。在又一實施例中，在貼圖像素運算的過程中，根據貼圖的大小，調整貼圖UV內插運算所需的精確度。上述各精確度調整方式可以分別或結合使用。根據本發明第二方面，提供了一種用於進行3D繪圖的裝置，所述裝置包括:3D繪圖裝置，用於執行3D繪圖，其中，在3D繪圖管線中，用定點數模擬浮點數運算；以及動態精確度調整裝置，用於動態調整用定點數模擬浮點數運算的精確度。根據本發明第三方面，提供了一種進行3D繪圖的終端設備，所述終端設備包括上述用於進行3D繪圖的裝置。例如，該終端設備可以是行動裝置、電視機、媒體播放器、個人電腦、遊戲平臺以及任意能夠繪製和顯示3D圖形的設備。在一個實施例中，終端設備可以是資源受限設備，該資源受限設備不具有GPU並且僅支持定點數運算。在不依賴於CPU浮點數運算能力的情況下，比起一般使用定點數計算三維坐標投影的競爭技術，本發明能夠更精確地計算物件前後位置排序，從而得到更精確的深度值。在使用定點數模擬浮點數運算的資源受限平臺上，本發明可以產生誤差更低的3D繪圖結果，並且降低圖像因為精確度不足所導致的例如不正確插入或刺出其他相鄰物件的視覺瑕疵。從下面結合附圖的詳細描述中，可以看出本發明的其他特徵和優點。注意，本發明並不限於圖中所示的示例或者任何具體的實施例。


結合附圖，從下面對本發明實施例的詳細描述，將更好地理解本發明，附圖中類似的參考標註指示類似的部分，其中:圖1是3D繪圖管線的示意圖；圖2是示出根據本發明的動態精確度調整3D繪圖管線的終端設備200的內部結構的框圖；圖3是用於說明定點數模擬浮點數運算的示意圖；以及圖4是根據本發明一個實施例，用於詳細說明圖2所示3D繪圖裝置和動態精確度調整裝置的操作過程的示意圖。
具體實施例方式如上所述，常規的3D繪圖管線一般包括四個階段:場景管理，幾何圖元運算，三角形設置和渲染。在各個階段中，由於涉及大量數據計算，因此通常要求終端設備具有用於圖形計算的GPU並且具備浮點數運算能力。然而，對於僅包含單一 CPU並且CPU僅具備定點數運算能力的資源受限設備而言，3D繪圖變得很困難。本發明所提出的方案在3D管線的各個階段用定點數模擬浮點數運算，並且根據例如3D世界大小等參數動態調整在3D繪圖管線的各個階段中定點數模擬浮點數運算的精確度。圖2是示出可以實現本發明的以動態精確度調整3D繪圖管線的終端設備200的內部結構的框圖。設備200可以是任何具有3D繪圖需求的終端設備，例如行動電話、電視機、個人電腦、遊戲平臺等等。如圖2所示，設備200包括3D繪圖裝置201、動態精確度調整裝置202和顯示單元203。這裡僅僅示出設備200的與本發明的技術相關的部件，其他常規部件被省略。在一個實施例中，設備200可以是資源受限設備，S卩，設備200的CPU僅僅具有定點數運算能力，並且不包含用於圖形計算的GPU。3D繪圖裝置201的工作過程可以參考已知的3D管線(參見圖1)。在3D繪圖過程中，動態精確度調整裝置202可以動態調整3D繪圖裝置201在執行3D管線過程中用定點數模擬浮點數運算的精確度。所產生的3D圖形經由顯示單元203被顯示在設備200的屏幕上。圖3是用於說明定點數模擬浮點數運算的示意圖。如圖3所示，對於32比特(bit)的整數值，一般定點數被分成m比特+η比特,其中m+n = 31,留出I比特表示正負號。m表示大於1.0的整數部分，η表示小於I的小數點後部分。一般通常使用m = 16，η = 15的表示方法。例如，浮點數0.5用定點數來表示時,就是16384。根據本發明，由於在資源受限平臺上，CPU僅具有定點數運算能力，因此在3D繪圖過程中通過上述方法用定點數來模擬浮點數進行運算。根據本發明，在3D管線的各個階段的計算中，可以根據例如3D世界大小等參數對計算精確度進行動態調整。圖4詳細示出圖2所示3D繪圖裝置201和動態精確度調整裝置202的操作過程的示意圖。在圖4所示實施例中，3D繪圖裝置201例如利用本領域所公知的3D繪圖管線來進行3D圖形繪製。就是說，3D繪圖裝置201按照4個階段進行3D繪圖，S卩，場景管理，幾何圖元運算，三角形設置和渲染。在一個實施例中，動態精確度調整裝置202可以對各個階段中的運算所需的精確度進行動態調整。例如，下面給出動態調整精確度的幾個示例。注意，這些示例可以分開或結合使用。並且，本發明的原理並不局限於這些示例。本領域技術人員可以設想，在3D管線的各個階段所包含的各種運算中，可以根據其他參數對運算所需的精確度進行調整。在一個示例中，第一調整裝置2021在將3D世界坐標轉換到2D屏幕坐標的過程中，可以根據攝影機所能看到的3D世界範圍的大小，計算需要的最小精確度。例如，當攝影機所能看到的3D世界範圍為5-1000時，可以使用10比特的整數部分，就足以表示所有物件頂點的3D坐標。因此,此時可以設置m = 10, η = 21。
又例如，第二調整裝置2022在將3D世界坐標轉換到2D屏幕坐標的過程中，可以針對不同物件設置不同的精確度。使用高精確度計算的內容例如可以包括:坐標轉換矩陣(transformation matrix),光源參數(light parameters)以及攝影機參數(cameraparameters)。而對於其他內容則可以使用相對較低的精確度。使用高精確度計算的內容並不局限於上述示例。本領域技術人員可以根據實際需求進行設計。在另一示例中，第三調整裝置2023在轉換到剪裁坐標系時，可以根據目前坐標轉換數值的範圍來決定使用多少比特的整數以及小數位數。再比如，第四調整裝置2024在進行貼圖像素運算時，可以根據貼圖的大小來調整貼圖Uv內插運算所需要的精確度。以128X128的貼圖為例，小數位數η可以被設置為7。如果有開啟平滑化的運算，因為必須計算0.5個像素的大小，則可以改為η = 8來進行計如上所述，本發明的技術能夠在資源受限平臺上通過定點數模擬浮點數運算來進行3D繪圖，並且根據例如3D世界大小等參數對運算精確度進行動態調整。利用本發明，可以更精確地計算物件前後位置排序，從而得到更精確的深度值，並且降低圖像因為精確度不足所導致的視覺瑕疵。上面已經參考附圖描述了根據本發明的具體實施例。但是，本發明並不限於圖中示出的特定配置和處理。並且，為了簡明起見，這裡省略對已知方法技術的詳細描述。在上述實施例中，描述和示出了若干具體的步驟作為示例。但是，本發明的方法過程並不限於所描述和示出的具體步驟，本領域的技術人員可以在領會本發明的精神之後，作出各種改變、修改和添加，或者改變步驟之間的順序。本發明的元素可以實現為硬體、軟體、固件或者它們的組合，並且可以用在它們的系統、子系統、部件或者子部件中。當以軟體方式實現時，本發明的元素是被用於執行所需任務的程序或者代碼段。程序或者代碼段可以存儲在機器可讀介質中，或者通過載波中攜帶的數據信號在傳輸介質或者通信鏈路上傳送。「機器可讀介質」可以包括能夠存儲或傳輸信息的任何介質。機器可讀介質的例子包括電子電路、半導體存儲器設備、ROM、快閃記憶體、可擦除ROM(EROM)、軟盤、CD-ROM、光碟、硬碟、光纖介質、射頻(RF)鏈路，等等。代碼段可以經由諸如網際網路、內聯網等的計算機網絡被下載。本發明可以以其他的具體形式實現，而不脫離其精神和本質特徵。例如，特定實施例中所描述的算法可以被修改，而系統體系結構並不脫離本發明的基本精神。因此，當前的實施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本發明的範圍由所附權利要求而非上述描述定義，並且，落入權利要求的含義和等同物的範圍內的全部改變從而都被包括在本發明的範圍之中。
權利要求
1.一種用於進行3D繪圖的方法，該方法的特徵在於: 在3D繪圖管線中，用定點數模擬浮點數運算，並且 其中，用定點數模擬浮點數運算的精確度被動態調整。
2.如權利要求1所述的方法，其中， 在將3D世界坐標轉換到2D屏幕坐標的過程中，根據攝影機所能看到的3D世界的大小，調整計算所需的精確度。
3.如權利要求1所述的方法，其中， 在將3D世界坐標轉換到2D屏幕坐標的過程中，對於各種物件，使用不同的精確度進行計算。
4.如權利要求3所述的方法，其中，使用高精確度進行計算的內容是如下各項中的一個或多個:坐標轉換矩陣、光源參數和攝影機參數。
5.如權利要求1所述的方法，其中， 在變換到剪裁坐標的過程中，根據坐標轉換數值的範圍，調整計算所需的精確度。
6.如權利要求1所述的方法，其中， 在貼圖像素運算的過程中，根據貼圖的大小，調整貼圖UV內插運算所需的精確度。
7.一種用於進行3D繪圖的裝置，所述裝置包括: 3D繪圖裝置，用於執行3D繪圖，其中，在3D繪圖管線中，用定點數模擬浮點數運算；以及 動態精確度調整裝置，用於動態調整用定點數模擬浮點數運算的精確度。
8.如權利要求7所述的裝置，其中，所述動態精確度調整裝置包括: 第一調整裝置，用於在將3D世界坐標轉換到2D屏幕坐標的過程中，根據攝影機所能看到的3D世界的大小，調整計算所需的精確度。
9.如權利要求7所述的裝置，其中，所述動態精確度調整裝置包括: 第二調整裝置，用於在將3D世界坐標轉換到2D屏幕坐標的過程中，針對不同物件，確定不同的精確度進行計算。
10.如權利要求9所述的裝置，其中，使用高精確度進行計算的內容是如下各項中的一個或多個:坐標轉換矩陣、光源參數和攝影機參數。
11.如權利要求7所述的裝置，其中，所述動態精確度調整裝置包括: 第三調整裝置，用於在變換到剪裁坐標的過程中，根據坐標轉換數值的範圍，調整計算所需的精確度。
12.如權利要求7所述的裝置，其中，所述動態精確度調整裝置包括: 第四調整裝置，用於在貼圖像素運算的過程中，根據貼圖的大小，調整貼圖UV內插運算所需的精確度。
13.一種進行3D繪圖的終端設備，包括: 如權利要求7-12中任意一個所述的用於進行3D繪圖的裝置。
14.如權利要求13所述的終端設備，其中，所述終端設備是資源受限設備，該資源受限設備不具有圖形處理單元GPU並且僅支持定點數運算。
全文摘要
本發明提出了以動態精確度調整3D繪圖管線的方法和裝置。在一個實施例中，本發明所提供的3D繪圖方法的特徵在於在3D繪圖管線中，用定點數模擬浮點數運算，並且其中，用定點數模擬浮點數運算的精確度被動態調整。本發明的技術可以被應用到不具有GPU且僅具備定點數運算能力的資源受限設備。利用本發明，可以更精確地計算物件前後位置排序，從而得到更精確的深度值，並且降低圖像因為精確度不足所導致的視覺瑕疵。
文檔編號G06T17/00GK103164869SQ20111042586
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月9日 優先權日2011年12月9日
發明者江國昌, 葉思義 申請人:金耀有限公司