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摘要：隨著人們對(duì)嵌入式設(shè)備的圖形顯示能力和響應(yīng)速度的要求逐漸提高，考慮到計(jì)算機(jī)對(duì)圖形處理時(shí)計(jì)算任務(wù)比較繁重，將中央處理器從圖形計(jì)算中脫離出來逐漸成為了研究趨勢(shì)，于是在這種背景下圖形處理器應(yīng)運(yùn)而生。本文從嵌入式圖形處理器的發(fā)展歷史及出現(xiàn)過程出發(fā)，重點(diǎn)介紹了在嵌入式系統(tǒng)中圖形處理器在幾何階段的分段處理和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。對(duì)嵌入式系統(tǒng)中圖形處理器的后續(xù)研究奠定了簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；圖形加速器；幾何階段；計(jì)算機(jī)圖形學(xué)

1嵌入式圖形處理器的發(fā)展歷史

在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，會(huì)將計(jì)算機(jī)關(guān)于圖形處理的任務(wù)分為以下三個(gè)階段：應(yīng)用程序階段主要完成對(duì)應(yīng)用程序的執(zhí)行；幾何處理階段主要完成對(duì)圖形元素的操作；光柵化階段主要完成對(duì)圖形元素的組裝，根據(jù)當(dāng)前圖形元素的參數(shù)，然后為每個(gè)像素進(jìn)行渲染著色，以便將圖形顯示出需要的效果。為了加快CPU的處理速度，使各種應(yīng)用進(jìn)程及程序能夠流暢快速的得到運(yùn)行，人們引入了專門用于處理圖形數(shù)據(jù)的圖形處理器。第一代的圖形處理器硬件上實(shí)現(xiàn)了光柵化階段，此時(shí)CPU已經(jīng)不在對(duì)圖形進(jìn)行光柵化階段處理，而且顯示效率明顯有了改善，因?yàn)榇藭r(shí)的圖形處理器只實(shí)現(xiàn)了光柵化階段，因此在更多地方會(huì)被稱為圖形加速器。直至出現(xiàn)第四代GPU，此時(shí)的圖形處理器已經(jīng)完全具備了圖形處理的所有功能，而且在頂點(diǎn)級(jí)和像素級(jí)的操作上實(shí)現(xiàn)了可編程性。

2研究嵌入式圖形處理器的意義

隨著人機(jī)交互的發(fā)展，人們對(duì)計(jì)算機(jī)圖形顯示能力的要求逐漸提高。尤其是近些年嵌入式系統(tǒng)的不斷發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域?qū)η度胧皆O(shè)備的要求趨勢(shì)為小型化、多樣化、網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)。因此對(duì)嵌入式系統(tǒng)能夠提供的圖形處理能力也提出了新的要求，特別是近些年來智能手機(jī)的廣泛使用以及各種手游的不斷推廣。傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)并沒有專門設(shè)置圖形處理器，因此所有關(guān)于圖形數(shù)據(jù)計(jì)算和處理的任務(wù)均由中央處理器實(shí)現(xiàn)。如對(duì)于300MHz的嵌入式處理器ARM9為例，按照進(jìn)行一次32bit×32bit的乘法運(yùn)算計(jì)算，需要6個(gè)時(shí)鐘周期，這其中還不包括對(duì)每個(gè)頂點(diǎn)的幾何變換等其他操作，如果加上的話則需要更多的時(shí)鐘周期。

3圖形處理器的體系結(jié)構(gòu)

為了研究的方便，人們普遍將圖形加速器中的幾何階段和光柵化階段對(duì)圖形的處理集合到一個(gè)叫做圖形管線的部件中進(jìn)行研究，因此圖形管線在整個(gè)圖形處理器體系結(jié)構(gòu)中是最基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)，同時(shí)也是核心內(nèi)容。其主要是處理來自中央處理器傳遞過來的渲染列表，然后最終將像素?cái)?shù)據(jù)寫入幀緩存中。幾何階段根據(jù)研究和設(shè)計(jì)的需要，將幾何階段劃分為幾何變換、光照、圖形元素的裝配、圖元的剔除裁剪、背面剔除、紋理貼圖以及投影七個(gè)級(jí)別順序，光柵化階段也劃分為光柵化級(jí)別和片段處理兩個(gè)級(jí)別。

4幾何階段的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1幾何變換引擎

圖形管線接收到CPU的渲染數(shù)據(jù)列表首先會(huì)被放置于GPU的渲染緩存區(qū)中。計(jì)算機(jī)對(duì)于三維現(xiàn)實(shí)世界空間內(nèi)物體的描述均是基于頂點(diǎn)的，因此對(duì)某個(gè)物體的空間位置變換等操作便可以基于頂點(diǎn)來進(jìn)行變換。

4.1.1原理

物體在現(xiàn)實(shí)空間的位置是任意的，而且也是隨意變化的。因此對(duì)于顯示出來的圖形需要經(jīng)過幾何變換才能顯示出與實(shí)際物體相符的圖形。常見的變換有兩種：平移變換和旋轉(zhuǎn)變換。

4.1.2設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

這是圖形處理器對(duì)現(xiàn)實(shí)空間中的物體進(jìn)行的第一次處理，主要任務(wù)是將現(xiàn)實(shí)空間中的頂點(diǎn)坐標(biāo)變換為方便進(jìn)行光照和裁剪的坐標(biāo)，即變換到裁剪空間。本文設(shè)計(jì)的幾何變換引擎分別有讀數(shù)據(jù)接口和寫數(shù)據(jù)接口，讀數(shù)據(jù)接口主要用于從中央處理器的緩存FIFO中讀取圖形的渲染列表，而寫數(shù)據(jù)的接口是將處理之后的數(shù)據(jù)寫到下一步處理階段的緩存FIFO中。引擎的行為是有一個(gè)主函數(shù)main_action()表示，該函數(shù)主要使用宏注冊(cè)到仿真內(nèi)核，該函數(shù)主要分為四大塊，從中央處理器緩存FIFO中讀取數(shù)據(jù)列表，然后進(jìn)行譯碼，此時(shí)直接調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)，然后將處理的結(jié)果寫到下一步光照FIFO中，以便下一個(gè)階段的使用。

4.2光照階段引擎

人們看到物體的顏色通常情況下會(huì)受到光照環(huán)境的影響，其實(shí)這是物體的材質(zhì)對(duì)光源的顏色進(jìn)行了調(diào)制的緣故，這就是光照階段需要完成的任務(wù)。

4.2.1原理

現(xiàn)實(shí)世界中的光照效果是一個(gè)復(fù)雜的物理過程，當(dāng)我們使用數(shù)字化計(jì)算機(jī)來模擬連續(xù)信號(hào)的現(xiàn)實(shí)世界的光照效果時(shí)，我們無法做到實(shí)際上也沒有必要完全與現(xiàn)實(shí)世界一樣。在實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)自身不發(fā)光的物體在環(huán)境中會(huì)有三種不同類型光照效果：鏡面光、散射光和環(huán)境光。現(xiàn)實(shí)世界中任何一種光源均是由上述三種光源因?yàn)楦髯圆煌膹?qiáng)度而混合成的，再加上物體本身的材質(zhì)對(duì)光照的調(diào)制變形成了現(xiàn)實(shí)中人們所看到的光和物體的顏色。

4.2.2設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)光照引擎的目的在于更加真實(shí)的反應(yīng)當(dāng)物體受到光照時(shí)的顏色，因?yàn)楫?dāng)物體受到光照時(shí)，物體表面呈現(xiàn)出的顏色就會(huì)因?yàn)槭艿焦庹盏挠绊懚l(fā)生變化。考慮到現(xiàn)實(shí)世界中，即使是同一個(gè)物體也會(huì)表現(xiàn)出受到光照和不受到光照的情況，因此設(shè)計(jì)光照引擎時(shí)引入了一個(gè)使能開光來控制是否受到光照，從而控制是否引入光照影響。光照引擎的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能為：從幾何變換引擎的緩存FIFO中讀取渲染數(shù)據(jù)列表，然后進(jìn)行譯碼處理，將得到的結(jié)果寫到下一流程的FIFO中。與上一流程幾何處理階段緩存FIFO連接的是一個(gè)讀端口，與下一個(gè)流程圖元裝配連接的是一個(gè)寫端口。處理過程中會(huì)有顏色寄存器、光照使能命令、當(dāng)前法線寄存器、環(huán)境光、散射光、鏡面光、材質(zhì)等累加寄存器。

4.3圖元裝配引擎

頂點(diǎn)處理之后，下一步需要把頂點(diǎn)組裝成圖元。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中由三種圖形元素組成即點(diǎn)、直線和三角形。在三維空間中,點(diǎn)元素是由用于描述現(xiàn)實(shí)物體的頂點(diǎn)組成，對(duì)于線段圖形元素，則是由兩個(gè)頂點(diǎn)構(gòu)成，而三角形圖形元素是由不在同一條直線上的三個(gè)點(diǎn)來組成的。對(duì)于現(xiàn)實(shí)中常見的折線、線環(huán)、以及三角形扇等都可以使用這三種圖形元素來構(gòu)成。前兩個(gè)引擎的處理主要是頂點(diǎn)級(jí)的處理。此階段的主要任務(wù)是將之前獨(dú)立的頂點(diǎn)以及頂點(diǎn)之間的聯(lián)系進(jìn)行組裝，本階段需要完成的另外一個(gè)重要任務(wù)就是將比較復(fù)雜的圖元分解成計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中基本的圖形元素。

4.4剔除和裁剪引擎

當(dāng)圖元組裝完成以后，下一步需要根據(jù)需要對(duì)圖元進(jìn)行剔除和裁剪。在現(xiàn)實(shí)的三維空間中因?yàn)橛^察者在時(shí)間空間和地理空間上看到的物體呈現(xiàn)出的視野是不一樣的，即由于視野的限制原因，需要使用視景體來模擬現(xiàn)實(shí)中的視野限制。在圖形顯示的過程中，需要將那些不在視景體內(nèi)的圖形元素刪除掉，這個(gè)過程便為剔除和裁剪。

4.4.1原理

剔除：把不在視景體內(nèi)的圖形元素從當(dāng)前處理階段中刪除掉，避免一些不必要的計(jì)算，同時(shí)也會(huì)減輕后續(xù)階段對(duì)數(shù)據(jù)處理的壓力。在幾何變換階段把頂點(diǎn)從現(xiàn)實(shí)世界中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到了計(jì)算機(jī)能夠處理的相機(jī)空間中。對(duì)于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中最基本的圖元之一點(diǎn)圖元是通過一個(gè)測(cè)試平面來進(jìn)行的，如果當(dāng)前的點(diǎn)沒有通過測(cè)試的平面，則便會(huì)剔除掉，而對(duì)于線段來講，是使用線段的兩個(gè)端點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試的，如果線段的兩個(gè)端點(diǎn)都沒有通過測(cè)試，當(dāng)前的線段便會(huì)被剔除掉，對(duì)于三角形圖元?jiǎng)t是分別使用三角形的三個(gè)頂點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試的。裁剪：裁剪的作用主要是將不在視景體內(nèi)的部分裁剪掉，它主要是針對(duì)線段和三角形的。剔除主要是當(dāng)線段的兩個(gè)點(diǎn)或者三角形的三個(gè)點(diǎn)都不在視景體時(shí)將整個(gè)線段或者三角形全部剔除掉。而裁剪主要是針對(duì)線段或者三角形一部分在視景體內(nèi)時(shí)，對(duì)視景體以外的部分剔除掉，這個(gè)過程我們稱之為裁剪。

4.4.2設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本階段主要是將視景體以外的圖元進(jìn)行刪除，只保留視景體以內(nèi)的部分。首先使用一個(gè)讀取渲染數(shù)據(jù)列表的讀端口PIPE_READ，然后通過寫端口PIPE_WRITE把處理之后的渲染數(shù)據(jù)列表傳送到下一個(gè)階段進(jìn)行處理。在實(shí)現(xiàn)時(shí)使用了一個(gè)用于存放三角形的三個(gè)頂點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體，設(shè)置一個(gè)三比特的標(biāo)志位，用于標(biāo)志三個(gè)頂點(diǎn)能否通過平面的測(cè)試；另外設(shè)置一個(gè)鏈表結(jié)構(gòu)，存放三角形的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)以及各個(gè)三角形前后位置關(guān)系。

4.5背面剔除引擎

視鏡體外部不需要顯示的圖形元素經(jīng)過剔除和裁剪已經(jīng)被全部刪除，但是剩下的圖元并不意味著都要顯示出來，例如我們?cè)谌S空間中觀察實(shí)體時(shí)，背面不需要顯示，因此下一步需要將不需要顯示的背面進(jìn)行剔除。

4.6投影引擎

經(jīng)過背面剔除之后，因?yàn)轱@示設(shè)備都是基于二維平面的，因此想要顯示出三維空間中的物體還需要將二維圖元進(jìn)行投影。

4.6.1原理

將現(xiàn)實(shí)世界中的圖元映射到照相機(jī)視景體的面上。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中比較常用的投影方法主要有正交投影和透視投影。前者使用的視景體為空間平面六面體，這種投影方式作用之后物體在投影之后的大小不會(huì)因?yàn)槲矬w和照相機(jī)之間的距離收到影響。這種投影方式在CAD中經(jīng)常使用。透視投影最顯著的特點(diǎn)便是縮小或者放大物體的成像。當(dāng)物體與相機(jī)之間的距離越遠(yuǎn)時(shí)，物體呈現(xiàn)出的像就越小，反之便會(huì)越大。

4.6.2設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)，同樣也使用了一個(gè)讀端口和一個(gè)寫端口。從計(jì)算機(jī)圖形學(xué)算法角度來看，投影是使用一個(gè)投影矩陣與空間坐標(biāo)相乘，但是考慮到計(jì)算機(jī)對(duì)矩陣乘法運(yùn)算的計(jì)算量，在實(shí)現(xiàn)時(shí)使用了單獨(dú)一個(gè)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

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作者:王利祥 單位:河南護(hù)理職業(yè)學(xué)院