1. 科学性
现在，越来越多的桌面PC选用3D图形制作技能来取得高实在感的显现作用。比如工业与艺术职业的规划和制作、科学研讨中的建模、交通和旅游业中的虚拟周游以及3D游戏等。
3D图形制作技能的实质，是经过一系列算法来模仿天然界中物体在人眼中成像的进程，算法从几许建模、空间改换到核算空间中每个点的光照、暗影以及纹路等等。算法越趋近实在，物体的制作作用也越传神。明显，以有限功用的数字体系去复原实在的天然界是极端困难的，考虑的要素越多越细，体系的杂乱度越高，实时性越低。因而，任何一款图形制作体系都有必要依据本身硬件的规划、以及场景中物体的特色，在实在性与实时性之间寻求平衡。
图2.1 移动设备图形范畴的开展
曩昔几十年中，桌面PC及作业站一直是3D图形制作的干流渠道，图形处理体系的架构与算法也首要依据这种大面积、高存储带宽、高功耗的特性。可是，移动设备在外部存储带宽、功耗、面积等限制要素上有着数量级的下风。可是，移动设备往往又仅需在较小的分辨率上制作图形。较小的分辨率意味着能承受以恰当的办法疏忽一些细节，而且一般不会在一个屏幕中包含太多物体。正是和桌面渠道相比之下的这些下风与优势，使面向移动设备的3D图形处理体系自成一体，绝不能靠简略地移植桌面图形处理体系来完成。
因而，研讨与规划全新的体系架构、履行流程、算法、开发调试环境及办法等，都成为面向移动设备的图形处理体系的关键技能与立异难点。归纳起来，本项意图科学性有如下几点：
1）依据移动渠道上的图形处理器的硬件架构、算法和接口，业界都有各自的偏重和退让，尚无较一致计划。研讨剖析图形体系各阶段的关键技能，评价多种完成计划间的好坏，将具有严重的科研及商场价值。
2）因为本项目触及到了图形处理的各个方面，而国内尚无GPU生产厂家，因而关于国内触及到3D图形显现的各个相关工业都具有重要的含义。本项目将会协助厂家可以更好地前进3D图形处理方面的技能，致力于给顾客更好的体会，以使国产电子产品取得更大的商场份额。
3）最近几年，跟着移动设备在工业、日子中的遍及与开展，3D图形制作体系也逐步成了移动设备中的核心部件。研讨开展移动设备上的3D图形处理技能具有严重含义。
2. 立异性
从算法和硬件架构两个层次进行优化，并从运算速度、芯片功耗和灵敏性三方面考虑，以完成用一个较低杂乱度和较低功耗的3D图形处理器对实在感图形完成硬件加速。本课题组的立异性首要体现在如下几个方面：
1）一切算法选用定点完成，并在精度答应的情况下尽量减小数据位宽，以下降电路杂乱度和功耗。
2）硬件结构上含有依据Tile的光栅单元。依据Tile的制作办法大大减小了拜访外部存储器的带宽，然后下降了功耗。
3）选用FPGA进行仿真验证作业，经过FPGA的并行性和流水线，可以在一个较低的时钟频率（50MHZ）下到达比较抱负的数据处理才能。而这正是图形处理器所必需的。
3. 技能计划
3D图形制作体系的根本组成，是3D图形算法程序以及图形处理器硬件。确认算法程序及硬件结构后，便可进行各种测验剖析。
3.1 3D图形算法
要能实时制作3D场景，就需求在核算机中为场景内每一个物体进行建模，为了便利在核算机中对不同形状不同特色的物体建模，最常用的办法是用许多三角形面片构成一个多面体来拟合实践物体。对这个物体的3D图形制作流程，大部分内容便是对这些三角形的制作。
因而根底3D图形制作可以分为两部分，榜首部分是处理物体的极点，第二部分是处理每一个像素，就三角形而言，即三角形的三个极点，以及三角形中的每一个像素。
3.1.1 坐标转化
物体建模时，选用这个物体的几许坐标来表明其形状，这时所运用的坐标系称为模型坐标系，模型坐标系的原点往往取自几许物体的某个点或许邻近的某点。当这个物体和其他物体一同被设定到3D场景中时，多个物体有必要共用场景的原点，此刻，大场景构成一个国际坐标系。而人眼从显现器去看这个大场景时，只会以特定的角度及深度看到场景的一部分的投影，即存在一个视椎体，这个投影终究出现在屏幕上时，变成平面的图画，即屏幕坐标系。
物体在这几个坐标系间转化，需求对每个几许极点做矩阵运算。矩阵的值由坐标转化时的相关参数确认，例如，在国际坐标系中的偏移，旋转，缩放值，视椎体的深度角度，屏幕的分辨率等。
3.1.2 光照核算
正确的光照，改动物体原本的色彩明暗，并马上产生明显的实在感。光照处理的对象是核算物体上每个点所反射出的光强巨细。这个进程需求依据光源的类型、特色，物体外表的原料，物体外表法线与光源的角度，物体与光源的间隔，人眼与物体的角度、间隔等要从来核算终究的光照强度。
光源首要包含平行光、点光、聚光。物体对光的反响特性首要包含反射、吸收、透射。其间最首要的反射，包含环境泛光、漫反射、镜面反射。泛光首要用来体现环境中物体散射到物体并反射的光。漫反射是物体向空间各角度均匀反射的光，其强度与入射角的余弦成正比，但与角度无关。镜面反射是朝特定方向反射的光。当镜面反射光刚好进入角度时，将能看到一般所说的高光面。
3.1.3 可见性判别
3D场景制作，是对实在情况的建模和显现，物体之间严厉依照天然的遮挡联系，物体每个点在视界中的前后都需求经过判别，以保证近处的能恰当得遮挡远处的。因而需求设定专门的深度缓存，屏幕上的每个像素在制作前都需求依据深度来判别，假如前面有不透明物体遮挡的话，该点将不会被制作。
另一方面，关于不透明的关闭几许体，背朝角度的面不需求显现，将可以直接于前期除掉，出现在视椎体鸿沟的三角形需求进行裁剪，构成新的三角形。
3.1.4 扫描光栅
3D图形制作流程中，假如对物体的每个像素都做坐标改换或是光照核算等操作，将会导致巨大的核算量，因而在选用三角形拟合物体的算法中，往往仅核算三角形极点的这些特色，三角形中的点，就又极点的特色插值而成，因为这项作业将面向每个三角形中的每个像素，运算进程中将需求拜访色彩缓存与深度缓存还有纹路贴图数据。这些导致该进程的核算量占图形处理的大部分。怎么高效地插值填充三角形内的像素，将明显影响3D图形功用。
扫描光栅算法中，一系列像素是紧挨着的，因而为递推算法和Cache射中供给了天然了便利，可是怎么在特定的软硬件渠道下充分利用这些特性来取得高功用，需求详尽研讨。
3.1.5 纹路贴图
物体的纹路包含体现其外表光学特色的色彩纹路，以及体现其外表围观几许形状的几许纹路。纹路首要运用图画、函数或其他数据来改动物体外表的外观细节。许多时分，物体的细节并不需求经过几许建模来准确完成，选用纹路贴图的办法能快速高且实在感地完成这一点。但纹路的运用包含多个关键技能。坐标经过透视改换后，物体各个像素的特色与屏幕坐标之间就不再是线性的联系，因为扫描光栅进程中，三角形中像素的纹路坐标是经过插值得出的，在透视改换后，这种插值的成果将产生失真，需求特定算法进行纠正。为了避免纹路采样时的混叠现象产生，纹路采样一般需求进行多点采样并滤波得出终究成果。为了前进功率，当物体离观察者越近越大时，选用高分辨率的纹路图画，而越远越小时，则选用低分辨率的纹路图画。
3.2 图形制作体系硬件结构
3D图形处理范畴前期选用全硬件的电路来顺次完成图形制作流水线中的各个阶段。尽管全硬件的结构使得功用和功率都十分高，但灵敏性则大大丢失。即便在同一个硬件渠道上，不同的应用程序，不同的3D场景，都有各自不同的特色。制作这些不同的场景，一般在不同的阶段有不同的负荷，有时需求选用不同偏重的算法。这些都是固定结构硬件无法完成的。
跟着半导体工艺的前进，相同的面积和功耗下，可以完成更多更杂乱的体系。因而，依据可编程处理器的3D图形制作体系被广泛选用，经过编写程序来完成3D制作中的许多功用，这尽管献身了一些功用，但在灵敏性上换回得作用使这种计划更具性价比。但特定的算法，例如纹路滤波、色彩混合等核算使命的硬件功用高出软件许多倍，因而仍保存运用硬件完成。
本课题组选用这种可编程处理器，合作固定功用硬件的架构来完成3D图形体系。
3.2.1 顶层结构
图3.2.1 图形处理器体系顶层
3D图形处理器包含一个可编程的极点处理器及一个依据Tile制作办法的光栅单元。为保存选用多个图形处理器的计划，体系选用依据SOPC的Nios嵌入式软核作为整个体系的操控中枢，与1到多个图形处理器构成异构片上多核体系，对今后可能将完成的指令发射，操控核算解耦合等技能留下空间。单个图形处理器中除了极点处理器及光栅器外还包含一个总线接口、一个DMA、一个DDR2操控器、一个指令Cache和一个纹路Cache。体系的外围，包含VGA操控器，用户输入等人机交互接口和Flash操控器，电扇操控器，测温操控器等外设IO。
3.2.2 极点处理器结构
图3.2.2 可编程极点处理器结构
面向移动设备的3D图形处理器对功率的苛求远远大于桌面体系，现在许多商用嵌入式图形处理器IP都直接选用片上指令存储器，关于指令的功率适当灵敏。本规划没有选用高位宽的指令集，而是将指令格局操控在32位。并经过设置特别状况寄存器来辅佐指令完成更灵敏更丰厚的操作，包含操作数的预处理和后处理、矢量运算的操控、同步操控等。
极点处理器支撑定点、单精度浮点、特别函数运算、矢量运算。包含8级流水线及数据相关旁路器。支撑1D-4D灵敏的SIMD。其间，特别函数运算，由多项式分段查表拟合的办法完成，支撑倒数、平方根、对数、指数等。
极点处理器指令会集可寻址的包含1个标量寄存器进口、1个矢量寄存器进口、1个参数寄存器进口及1个特别状况寄存器进口。
3.2.3 光栅器结构
光栅单元的输入为三角形的极点特色，包含坐标、光照强度、色彩、纹路坐标等。输出为需求显现到屏幕上的像素。
因为3D图形中，三角形内的像素个数远远剩余三个极点，且光栅单元在核算像素时，需求屡次拜访存储器，包含单个或多个纹路存储区、深度存储区、色彩存储区。对外部存储器带宽要求极大，而面向移动设备的3D图形处理器仅答应很小的外部带宽。为处理这种对立。本课题组选用依据Tile制作办法的光栅单元。
在依据Tile的制作办法中，将屏幕分割成许多称为Tile的小区域，逐一制作这些小区域。详细的进程为：首先将一切三角形归属到各自的Tile中，顺次遍历每个Tile，每个Tile中顺次遍历一切三角形，将该Tile的深度缓存、色彩缓存都置于片内存储器中，以此取得明显提高的带宽。制作完每个Tile后，将该Tile的深度缓存及色彩缓存存入片外存储器，再载入下一个Tile的深度及色彩缓存。
在每个Tile中又进一步分割成多个Block，在光栅的榜首个阶段，判别三角形掩盖哪些Block，再判别这些Block中的每个像素是否在三角形内，筛选出三角形内的点后，依据该点在三角形中的方位，由三个极点的特色对其进行加权插值，得出的深度、色彩、纹路等特色经深度测验、纹路贴图、色彩混合后，终究进入色彩缓存。
