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Bereich der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Texturiersysteme für die Verwendung
in dreidimensionalen Abbildungssystemen, wie sie beispielsweise
in Computerdisplays zum Einsatz kommen. Solche Texturiersysteme werden
z.B. in Displays von Computerspielen eingesetzt.
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Stand der Technik
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Zu
weiteren Informationen über
den Hintergrund der vorliegenden Technologie wird auf die folgenden bekannten
Dokumente und Arbeiten verwiesen. Auf einige davon wird ggf. nach
ihrer Nummer in der folgenden Liste verwiesen:
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- [1] Catmull, E. „ A
Subdivision Algorithm for Computer Display of Curved Surfaces", Ph.D. Thesis, report UTEC-Csc-74–133, Computer
Sciences Department, University of Utah, Salt Lake City, UT, Dezember
1974.
- [2] Blinn, J.F. and M.E. Newell, "Texture and Reflection in Computer Generated
Images", CACM, 19(10),
Oktober 1976, 542–547.
- [3] Wolberg. G., "Digital
Image Warping",
IEEE Computer Society Press, Los Alamitos, CA, 1990.
- [4] Williams, L., "Pyramidal
Parametrics", SiGGRAPH
83, Seiten 1–11.
- [5] VideoLogic, "Apocalypse
3Dx data", erhältlich von
VideoLogic Limited, Kings Langley, England. [6] Microsoft Corporation, "Texture and Rendering
Engine Compression (TREC)",
Microsoft Technical Brief, Internet-Adresse:
www.microsoft.com/hwdec/devdes/whntrec.htm
- [7] Beers, A.C. Agrawala, M. and Chaddha, N., "Rendering from Compressed
Textures", 1996
Computer Graphics Annual Conference, S. 373.
- [8] Hakura, Z.S. and Gupta, A. "The design and analysis of a cache architecture
for texture mapping",
Computer Architecture News, Band. 25, Nr. 2, S. 108–20, Mai
1997.
- [9] United States Patent US-A-5,612,747 "Method and apparatus for vector quantization
caching in a real time video coder".
- [10] UK-Patentanmeldung GB-A-2,297,886 "Texturing and shading of 3-D Images", Anmelder: VideoLogic
Limited.
- [11] Gray, R.M., "Vector
Quantization", IEEE
Transactions on Communications, Januar 1980, S. 4–20.
- [12] Koegel Buford, J., "Multimedia
Systems", Herausgeber
Addison-Wesley, 1994.
- [13] Foley, F. and van Dam, A., "Computer Graphics Principles and Practice", Herausgeber Addison-Wesley, 1990.
- [14] Microsoft, "DirectX
6.0 SDK Documentation",
Microsoft Corporation, 1 Microsoft Way, Redmond, USA. Internet-Adresse:
www.microsoft.com/directx.
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Hintergrund der Erfindung
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Bilder
auf Computerbasis werden gewöhnlich
aus einer Array von Bildelementen oder Pixeln gebildet. Jede anzuzeigende
Fläche
kann von den Pixeln in einem Polygon dargestellt werden, gewöhnlich einem
Dreieck. Der Fläche
wird mit einem als „Texturmapping" bezeichneten Verfahren
eine bestimmte Farbe, Textur und/oder Schattierung gegeben. Texturen
werden als Arrays von Pixeln gespeichert, die kurz Texel (Texturpixel)
genannt werden. Somit beinhaltet „Texturmapping" das Mapping einer
zweidimensionalen (2D) Array von Texeln auf eine andere 2D-Array
von Pixeln, die eine Fläche
in einer dreidimensionalen (3D) Szene repräsentieren. Diese Technik wurde
von Catmull [Dok. 1] entwickelt und von Blinn und Newell [Dok. 2]
verfeinert. Perspektivisches Texturmapping beinhaltet das Rotieren
und Translatieren der Textur-Map, so dass ihre Perspektive auf dem
endgültigen
Bild korrekt erscheint. Textur-Mapping verbessert den Realismus
der Szene, da die Oberfläche
eines Objektes ein realistisches Finish erhält. Ein Beispiel hierfür ist das
Mapping einer Marmortextur auf die Oberfläche einer Statue, so dass die
Statue ein Aussehen erhält,
als bestünde
sie aus Marmor. Für
eine große
Szene werden viele verschiedene Textur-Bitmaps benötigt, um
alle verschiedenen Texturen darzustellen, die in der Szene vorliegen
können.
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Wie
soeben bemerkt, wird eine 3D-Szene gewöhnlich mit einer Reihe von
Polygonen oder Dreiecken dargestellt. Um ein Polygon mit einer Textur
zu füllen,
wird jedes Pixel auf seiner Fläche
zum Berechnen der Koordinate eines Texels in der Textur-Map benutzt.
Das dem in der Textur-Map berechneten Texel am nächsten liegende Texel kann
zum Schattieren des schließlich
angezeigten Pixels verwendet werden. Dies wird als Punkt-Sampling
bezeichnet. Alternativ kann die Qualität des texturierten Bildes mit
Hilfe von bilinearer Filterung oder bilinearer Interpolation verbessert
werden. Bei bilinearer Filterung wird der Punkt in der Textur-Map, von
dem das 2D-Pixel auf der 3D-Fläche
abgebildet werden soll, bis auf Subpixel-Genauigkeit berechnet.
Mit Hilfe von bilinearer Filterung oder Interpolation werden dann
die vier dieser berechneten Position am nächsten liegenden Pixel in der
Textur-Map gemischt, um eine genauere Darstellung der Pixelfarbe
zu erzielen. Dies ist in der beiliegenden 1 illustriert,
wo die Texel A, B, C und D gemischt wurden, um einen Texelwert für ein Pixel
an Punkt X auf der zweidimensionalen Bildebene zu erzeugen. Dieser
Vorgang der bilinearen, d.h. Zweiachsen-Filterung (oder Interpolation)
ist in Dok. 3 näher
beschrieben.
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Trilineare
(Dreiachsen-) Filterung ist derselbe Vorgang über die vier nächstliegenden
Pixel auf zwei verschiedenen Mip-Map-Leveln [Dok. 4]. Dies ist in 2 der
vorliegenden Anmeldung illustriert. Mip-Maps sind Kopien der ursprünglichen
Textur-Map, die vorverarbeitet wurden, indem sie gefiltert werden,
um sie nacheinander auf die Hälfte
der Auflösung
zu reduzieren. MIP bedeutet hier MULTUM IN PARVO (viel an einem kleinen
Ort). Dies wird so lange wiederholt, bis das resultierende Bild
eine Größe von 1
Pixel hat (wobei davon ausgegangen wird, dass die Textur quadratisch
und von einer Größe ist,
die eine Zweierpotenz ist), so dass es eine hierarchische Serie
der Mip-Maps gibt. 3 zeigt ein Beispiel für eine Mauerwerktextur
mit einer Auflösung
von 128 x 128 mit den assoziierten tieferen Mip-Map-Leveln. Eine
Mip-Map kann wie eine Pyramide angesehen werden.
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Texturfilterung
reduziert das Auftreten von Aliasing-Effekten beim Abtasten von Texturen.
Zu weiteren Informationen über
Aliasing wird auf Dok. 3 verwiesen.
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Eine
dreidimensionale Bilderzeugung ist rechenintensiv. Animierte 3D-Bilder
für Spiele
und CAD(Computer Aided Design) Anwendungen werden im Hinblick auf
die Prozessorleistung immer teurer, da Szenen immer fotorealistischer
werden und Bilder immer mehr in Echtzeit reagieren sollen. Es ist
eine große
Zahl von Floating-Point-Berechnungen
erforderlich, um die Geometrie der Polygon-Struktur in der Szene
zu bestimmen, und eine große
Zahl von Rechenvorgängen
wird benötigt,
um die Polygone zu füllen
und zu schattieren. Es steht dedizierte Hardware zur Verfügung [Dok.
5], die diese Vorgänge
um ein Vielfaches effizienter durchführen kann als Software. Zugriffe
auf gespeicherte Datenbanken sind ebenfalls ein die Leistung begrenzender
Faktor. Lokaler Speicher in dedizierter Hardware kann den Effekt
von Speicherzugriffsengpässen reduzieren.
Textur-Mapping ist besonders speicherintensiv, wenn ein Filterungs-
(d.h. Interpolations-) Vorgang durchgeführt wird, bei dem viele Texturpixel
für jedes
Pixel gelesen werden, das auf das Display gemappt wird.
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Die
Datenmenge einer 2D-Textur-Map wird somit durch Texturkompression
reduziert, so dass sie auf einen kleineren Speicherplatz passt.
Ein geringerer Speicherbedarf hat niedrigere Systemkosten zur Folge. Die
ursprüngliche
Textur-Map kann dann durch Dekomprimieren der komprimierten Daten
zurückgewonnen werden.
In dem Maße,
in dem 3D-Szenen immer realistischer werden, werden Textur-Maps immer größer und zahlreicher,
so dass Texturkompression immer wichtiger wird. Es wurden bereits
mehrere Schemata entwickelt, wie z.B. Texture and Rendering Engine
Compression (TREC) von Microsoft [Dok. 6]. Beers [Dok. 7] hat die
Technik des Renderns von Bildern von komprimierten Texturen zum
ersten Mal erörtert.
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An
dieser Stelle sollten die verschiedenen Speichertypen betrachtet
und definiert werden, die dem Systemdesigner zur Verfügung stehen.
Der Begriff „lokaler
Speicher" bezieht
sich auf Festkörper-Halbleiterspeicher,
die sich in der Nähe
des/der Speichersteuerungs-Halbleiterbauelementes
oder -schaltung befindet. Der Begriff „interner Speicher" bedeutet Speicher,
der sich in dem jeweiligen Halbleiterbauelement befindet, um das
es geht. „Externer
Speicher" ist beliebiger
Speicher außerhalb
des Halbleiterbauelementes. Lokaler Speicher kann auf DRAM basieren.
DRAM ist eine Abkürzung
für Dynamic
Random Access Memory (dynamischer Arbeitsspeicher), bei dem es sich
um einen Festkörper-Halbleiter
handelt. Synchroner DRAM (SDRAM) ermöglicht die Koordination von
Datenzugriffen durch ein Taktsignal. SDRAM hat aufgrund seiner Pipeline-Struktur eine höhere Zugriffsbandbreitenfähigkeit
als DRAM, ist aber teurer. Lokaler Speicher und interner Speicher können auf
DRAM oder SDRAM basieren. Externer Speicher kann eine Festkörper- oder
Massenspeicherarray wie z.B. eine Festplatte sein. Halbleiterspeicher
ist sehr teuer und macht einen großen Prozentanteil der Gesamtkosten
eines Computersystems aus.
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DRAM
wird über
einen multiplexierten Adressbus adressiert, d.h. die zum Zugreifen
auf ein individuelles Datenelement benötigte Adresse wird in zwei
Teilen zu dem Speicherbauelement übertragen. Die Kernspeicherarray
im DRAM-Bauelement ist eine rechteckige Matrix, wobei ein einzelnes
Datenelement adressiert wird, wenn eine Reihensteuerleitung und
eine Spaltensteuerleitung gleichzeitig aktiviert werden. Dies erfordert eine
separate Reihen- und Spaltenadresse. Wenn sich die Reihenadresse
zwischen sequentiellen Zugriffen nicht ändert, dann braucht nur die
Spaltenadresse übertragen
zu werden. Eine Reihe von Daten in der DRAM-Array wird als Seite
bezeichnet. Wenn die Reihenadresse zwischen Zugriffen unverändert bleibt,
dann gelten die Zugriffe als „seitenintern" (in Page). Seiteninterne
Zugriffe sind weitaus schneller als solche, die über zwei oder mehr Seiten gehen,
und die Designer von Speichersystemen bemühen sich, mehrere Zugriffe
seitenintern zu halten. Einige Speicherbauelemente, wie z.B. SDRAM,
nutzen mehrere Speicherbänke
zum Verbessern der Leistung. Jede Speicherbank kann ihre eigene
Seite offen haben, so dass Datenzugriffe auf separate Speicherbereiche
ohne Seitenumbruch möglich
sind.
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Eine
Technik, die zum Verbessern der Speicherleistung eingesetzt wird,
ist „Memory
Caching", bei dem
die Ergebnisse aller externen Speicherzugriffe in einem separaten
internen Speicher gespeichert werden. Auf diesen internen Speicher
kann weitaus schneller zugegriffen werden als auf externen Speicher.
Wenn sich das Ergebnis eines bestimmten Speicherzugriffs bereits
im Cache befindet, dann wird anstatt des externen Speichers der
Cache gelesen. Dies hat den Effekt, dass Verkehr zum externen Speicher
reduziert wird, und somit wird der „Bandbreiten"-Bedarf dieses Speichers
reduziert. Der Bandbreitenbedarf eines Speichersystems wird oft
direkt auf die Kosten dieses Systems bezogen. In einem System mit
fester Bandbreite kann ein höherer
Bandbreitenbedarf zu einer Reduzierung der Systemgesamtleistung
führen.
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Texturierung
ist der leistungsintensivste Prozess der 3D-Abbildung, da sie verlangt,
dass alle Texturen aus dem Speicher abgerufen werden. Bei Techniken
wie trilineare und bilineare Filterung (Interpolation) müssen für jedes
auf das Display projizierte Pixel bis zu acht Texturpixel oder Texel
aus dem Speicher abgerufen werden, wie oben beschrieben und in den 1 und 2 illustriert
ist. Texturierung erfordert somit einen Pfad mit sehr hoher Bandbreite
in den Speicher. Textur-Caching kann zum Reduzieren des Texturierbandbreitenbedarfs
und zum Erhöhen
der Systemleistung verwendet werden. Das optimale Leistungsziel
ist es, alle notwendigen Texel in einem einzigen Verarbeitungspipeline-Taktzyklus
lesen zu können.
Es wurden bereits einige Arbeiten im Hinblick auf das Studium der
Auswirkungen des Verwendens eines Cache zum Verbessern der Leistung
von Texturzugriffen durchgeführt
[Dok. 8]. Hakura demonstriert, wie Cache-Speicher äußerst effektiv
für ein
Textur-Mapping von Graphik eingesetzt werden kann, und kommt zu
dem Schluss, dass das effektive Speicher-Bandbreiten-Verhältnis mit
bestimmten Caching-Strategien
um einen Faktor von drei bis fünfzehn
reduziert werden kann.
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Wie
zuvor angedeutet, wird mit Hilfe von Textur-Mapping die Qualität von 3D-Bildern durch Mappen von
viel Detail auf eine Fläche
eines 3D-Objekts verbessert. Dadurch soll die Geometrie des Objekts
nicht verkompliziert werden.
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Textur-Mapping
erzeugt jedoch eine Vielfalt von visuellen Artefakten einschließlich Aliasing
[Dok. 13]. Mit Hilfe von bilinearer Filterung [Dok. 3] wird die
Qualität
des resultierenden Bildes zwar verbessert, aber es bleiben viele
Artefakte, die mit bilinearer Filterung gelöst werden können, einschließlich Tiefen-Aliasing.
Tiefen-Aliasing ist die Folge davon, dass die Textur mit zunehmender
Entfernung eines Objekts vom Blickpunkt immer stärker komprimiert wird. Diese
Form von Aliasing kann mit Hilfe von Mip-Maps [Dok. 4] gelöst werden, aber
es besteht weiterhin ein Problem, das mit Mip-Banding bezeichnet
wird. Mip-Banding tritt in der Übergangsperiode
zwischen Mip-Maps auf, wenn sich die Textur von einem Detail-Level
zu einem anderen ändert. Dies
kann z.B. auf einer Straße
vorkommen, die im Vordergrund zu sehen ist und irgendwo in der Ferne
verschwindet.
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Entlang
der Straße
werden aufeinander folgende Mip-Maps
verwendet, und der Übergang
von einem Mip-Map zum nächsten
kann sichtbar sein. Dieses Problem kann mit der Anwendung von trilinearer
Filterung [Dok. 4] gelöst
werden, die das Detail-Level zwischen Mip-Maps interpoliert, wie
oben beschrieben wurde.
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Die
beste Form der trilinearen Filterung ist die, die auf einer Pro-Pixel-Basis
durchgeführt
wird. Dies erfordert acht Textur-Pixel (Texel) zur Erzeugung des
endgültigen
Bildschirmpixels. Da sich diese Texel irgendwo im Speicher befinden
können,
werden häufig
acht separate Speicherlesevorgänge
benötigt.
Zwischen zwei Mip-Levels erfolgt eine trilineare Filterung, und
daher kommt es zu vier Speicherlesevorgängen von einem Mip-Map-Ort
und zu vier von einem anderen. Texturen werden gewöhnlich in
lokalem Speicher gespeichert, aber Systemspeicher-Texturierung wird
immer beliebter. Diese Speicher haben eine finite Bandbreite und
werden sehr häufig
als Speicherressource für
viele verschiedene Anwendungen benötigt. Setup-Parameter, Tiefeninformationen
und Anzeigeinformationen werden gewöhnlich in lokalem Speicher
gespeichert, und Systemanwendungen werden gewöhnlich vom Systemspeicher aus
laufen gelassen. Acht individuelle Speicherlesevorgänge pro
Pixel liegen gewöhnlich
jenseits der Fähigkeiten
vieler Speichersysteme. Und dazu noch ein Seitenwechsel zwischen
Mip-Maps, ergibt häufig
eine unzureichende 3D-Leistung.
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Die
für ein
trilineares Texturzugriffssystem benötigten Speicherbandbreiten
sind von der Zahl der Speicherzugriffe, die für jeden Texturfiltervorgang
notwendig sind, sowie von der Pixelgesamtleistung abhängig, die von
der Anwendung gefordert wird. Gleichung 1 zeigt, wie die Texturbandbreite
bestimmt werden kann. Die Gleichung zeigt auch, wie die Bandbreite
von Seitenumbrüchen
ebenfalls berücksichtigt
werden muss. Bandwidthtexture = ((Accessspixel × Widthmemory) + (Accessespage_break × Widthmemory)) × Throughputpixel Gleichung (1)
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Dabei
gilt:
Bandwidthtexture ist die in Byte/s
gemessene Texturbandbreite, die der Speicher benötigt. Dies ist nicht die Speicherbandbreite,
die der Speicher liefern kann.
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Accessespixel ist die durchschnittliche Anzahl von
Speicherzugriffen pro Pixel. Nicht alle benötigten Texel können in
einem Zugriff gelesen werden, nicht einmal mit der richtigen Datenbreite.
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Accessespage_break ist die durchschnittliche Anzahl
von Speicherzugriffsslots, die pro Pixel auf Seitenumbrüche verloren
gehen. Ein einzelner Seitenumbruch mit SDRAM erfordert wenigstens
8 Zugriffsslots.
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Widthmemory ist die in Bytes gemessene Breite
des Speicherdatenbusses. Sie muss wenigstens 8 Byte (64 Bit) betragen,
um sicherzustellen, dass vier Texel in einem Taktzyklus gelesen
werden können.
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Throughputpixel ist der in Pixeln/s gemessene Pixeldurchsatz,
der von der Anwendung benötigt
wird. Für
die meisten modernen Anwendungen sind dies etwa 100 Mpixel/s.
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Die
durchschnittliche Zahl der Zugriffe pro Pixel ist die Anzahl von
separaten Speicherzugriffen, die zum Abrufen aller für den Filtervorgang
benötigten
Daten erforderlich sind. Unter Verwendung eines 64-Bit-Speicherbusses
wird ein maximaler Durchsatz erzielt, wenn vier 16-Bit-Texel benötigt werden,
und sie befinden sich im selben Datenwort. Leider ist dies nicht
immer der Fall, und sehr häufig
befinden sich die Texturdaten in zwei oder vier separaten Wörtern. Gleichung
2 zeigt, wie Accessespixel gefunden werden
können, unter
Berücksichtigung
der variierenden Anzahl von Zugriffen für einen einzelnen Texturvorgang.
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Dabei
gilt:
Percentagesingle ist der Prozentanteil
der einzelnen Mip-Map-Zugriffe, die in einem Speicherzugriff abgerufen werden
können.
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Percentagedouble ist der Prozentanteil der einzelnen
Mip-Map-Zugriffe, die in zwei Speicherzugriffen abgerufen werden
können.
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Percentagequadruple ist der Prozentanteil der einzelnen
Mip-Map-Zugriffe, die in vier Speicherzugriffen abgerufen werden
können.
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Mipmaps
ist die Anzahl von Mip-Maps, die an dem Filtervorgang beteiligt
sind.
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Factorcompresion ist der Kompressionsfaktor, wenn
die Textur komprimiert wird.
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Die
durchschnittliche Anzahl der Zugriffe wird unter Berücksichtigung
der Wahrscheinlichkeit errechnet, dass alle Daten in einem, in zwei
oder in vier Zugriffen abgerufen werden. Die Gleichung berücksichtigt auch
die Anzahl der Mip-Maps, die im Filtervorgang benötigt werden,
trilineare Filterung braucht zwei Zugriffe, aber bilineare nur einen.
Die Gleichung zeigt auch, wie die durchschnittliche Anzahl der Zugriffe
mit Kompression linear reduziert wird. Je weniger Daten abzurufen
sind, desto weniger Datenzugriffe sind offensichtlich nötig, und
desto wahrscheinlicher wird es, dass sich alle Daten im selben Datenwort
befinden.
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Gleichung
1 zeigt somit, dass der physikalische Speicherbandbreitenbedarf
selbst mit der Benutzung von Textur-Caches immer noch außerhalb
des Rahmens eines rentablen Speichersystems liegt. Aus diesem Grund
wird Texturkompression verwendet, nicht nur zum Reduzieren der physikalischen
Größe der gespeicherten
Textur, mit der damit einher gehenden Reduzierung der Speicherkosten,
sondern auch zum Reduzieren des Volumens an Texturdaten, die von
diesem Speicher übertragen
werden.
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Gleichung
2 zeigt, wie der Kompressionsfaktor die Anzahl der Speicherzugriffe
beeinflusst. Dedizierte Hardware hoher Leistung kann zum Dekomprimieren
der Texturen in Echtzeit verwendet werden, nachdem diese aus dem
Speicher gelesen wurden. Es wurden zahlreiche Texturkompressionstechniken
versucht, wie z.B: Vektorquantisierung (VQ) [Dok. 11]; Farb-Lookup-Tabellen
(CLUT) oder Palletisation [Dok. 12]; Discrete Cosine Transformation
(DCT) [Dok. 12]; sowie mehrere proprietäre Techniken [Dok. 6 und 14].
Mit jeder Technik sind jedoch Probleme assoziiert: VQ und Palletisation
erfordern zwei Speicherlesevorgänge
oder große
interne Daten-Caches, und die Qualität kann begrenzt sein; DCT erfordert
eine große
Menge an Dekompressionslogik, und dies kann bei einem beschränkten Siliciumetat
undurchführbar
sein; und viele proprietäre
Techniken bieten begrenzte Kompressionsverhältnisse und Qualität. Wie Gleichung
1 demonstriert, können
diese Techniken den Bandbreitenbedarf von trilinearer Filterung
nur zum Teil lösen.
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Speicherzugriffsströme, die
ständig
zwischen verschiedenen Speicherbänken
wechseln, können
einen großen
Einfluss auf die Leistung haben. Gleichung 1 zeigt, welchen Einfluss
dominante Seitenumbrüche auf
die Leistung von Texturfilterung insgesamt haben. Für trilineare
Filterung können
Seitenumbrüche
besonders problematisch sein, wo eine Reihe von Mip-Maps häufig mehr
als eine Speicherseite überspannen.
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3D-Abbildungstechniken
verlangen häufig
ein so hohes Leistungsniveau, dass nur dedizierte Hardware-Lösungen in
Frage kommen. Dies erfordert häufig
die Entwicklung eines speziellen Siliciumchips. Der Chip führt nicht
nur Textur-Mapping
aus, sondern wird auch häufig
für die
Durchführung
sämtlicher
Geometrieverarbeitung, Polygon-Setup, Bildprojektion, Beleuchtungsberechnungen,
Fogging-Berechnungen,
Beseitigung verborgener Flächen
und Display-Steuerung
eingesetzt. Es ist daher wesentlich, dass jede Stufe in der Erzeugung
eines 3D-Bildes möglichst
klein gemacht wird, damit alle Prozesse auf denselben Siliciumchip
passen. Ein trilinearer Filtervorgang braucht nicht nur eine große Speicherbandbreite,
sondern kann auch nur in einer großen Logikmenge und somit Siliciumfläche implementiert
werden. Es ist wichtig, dass eine optimale Lösung gefunden wird, die die
benötigte
Logik und somit die Kosten auf ein Minimum begrenzt.
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Die
WO-A-974 1534 offenbart ein Verfahren und ein System zum Texturieren
für die
Verwendung in der dreidimensionalen Abbildung. Dieses System hat
einen Speicher zum Speichern von Mip-Map-Daten, einen Eingang zum
Empfangen von Eingabedaten, die den Typ von Mip-Map-Daten anzeigen,
ein Control zum Abrufen der Mip-Map-Daten aus dem Speicher gemäß den Eingaben,
einen Cache zum Speichern von Teilen von Mip-Map-Daten, die aus
dem Speicher abgerufen wurden, und einen trilinearen Interpolator
zum Interpolieren eines Ausgangstexels von im Cache gespeicherten
Mip-Map-Daten.
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Aus
dem Obigen ist ersichtlich, dass die Anforderungen im Hinblick auf
Speicherkapazität,
Geschwindigkeit und Konstruktionsfreundlichkeit des Chips erheblich
sind und in der 3D-Abbildung umfassend beansprucht werden, besonders
bei Textur-Mapping. Selbst bei Verwendung aller verfügbaren Techniken
zum Erfüllen
der Anforderungen lassen sich die Beschränkungen trotzdem nur sehr schwer
erfüllen,
wenn Echtzeit-Bilder hoher Qualität erzielt werden sollen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Erfindung ist in ihren verschiedenen Aspekten in den unabhängigen Ansprüchen unten
definiert, auf die nunmehr Bezug genommen werden sollte. Vorteilhafte
Merkmale sind in den beiliegenden Ansprüchen dargelegt.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die
Zeichnungen beschrieben. In diesen Ausgestaltungen wird die Effizienz
von trilinearer Texturfilterung durch die Erzeugung des Lower-Level-Textur-Mip-Maps nebenbei
von dem Upper-Level-Mip-Map sowie mit Hilfe von Textur-Caching und
Texturdekompression als Mittel zum Erfüllen der hohen Speicherbandbreitenanforderungen
verbessert. Da die Notwendigkeit zum Lesen des Lower-Level-Mip-Maps in einem
separaten Speicherzugriff entfällt, entfallen
Seitenumbruchprobleme und die Leistung wird verbessert.
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Insbesondere
umfassen die bevorzugten Texturiersysteme einen Speicher zum Speichern
von Mip-Map-Daten für
die Verwendung beim Texturieren eines Bildes, wobei die Mip-Map-Daten eine hierarchische
Serie von Mip-Maps von verschiedenen Levels von abnehmender Auflösung umfassen.
Daten werden an einem Eingang empfangen, der den Typ von benötigten Mip-Map-Daten
und den Level der Mip-Map (s) anzeigt, von der/denen die Daten genommen
werden. Ein Controller ruft die gemäß den eingegebenen Daten benötigten Mip-Map-Daten
aus dem Speicher ab, und diese Daten werden in einem Cache gespeichert.
Ein Lower-Level-Mip-Map-Generator
erzeugt Teile der Mip-Map, die in der hierarchischen Serie unmittelbar
unter der Mip-Map sind, von der Teile im Cache gehalten werden.
Ein trilinearer Interpolator empfängt die Cache-Mip-Map-Daten
von einem Mip-Map-Level und die Lower-Level-Mip-Map-Generatordaten
vom nächsttieferen
Mip-Map-Level, und interpoliert ein Ausgangstexel von Eingangstexeln
von den beiden Mip-Map-Leveln.
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Einige
Datenkompressionsschemata sind gut für eine Erzeugung von tieferen
Mip-Maps nebenbei, indem sie die benötigte Menge an dekomprimierten
Daten erzeugen und indem sie den zum Erzeugen der Lower-Level-Mip-Map
benötigten
Filteralgorithmus unterstützen.
Diese Techniken können
zum Verbessern der Leistung und der Qualität eines gerenderten 3D-Bildes
verwendet werden, während
das Hardware-Overhead minimal gehalten wird.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung werden die Texturdaten durch arbiträre komprimierte
Codes dargestellt, in denen gewählte
komprimierte Code-Werte Hauptfarben und andere komprimierte Code-Werte
Zwischenfarben definieren, die durch gewählte gewichtete Mittelwerte
von Hauptfarben gebildet werden, wobei die entsprechenden Code-Werte
ebenso gewichtete Mittelwerte der Code-Werte der gewählten Hauptfarben sind.
Der Lower-Level-Mip-Map-Generator interpoliert ein Ausgangstexel
aus einer Mehrzahl von Eingangstexeln durch Bearbeiten der komprimierten
Code-Werte.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nunmehr beispielhaft mit Bezug auf die Zeichnungen
näher beschrieben.
Dabei zeigt:
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1 ein
Diagramm, das bilineare Filterung der Textur-Map in einem Abbildungssystem
illustriert;
-
2 ein ähnliches
Diagramm, das trilineare Filterung der Textur-Map in einem Abbildungssystem
illustriert;
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3 eine
Serie von Mip-Maps;
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4 ein
schematisches Blockdiagramm eines Teils eines Abbildungssystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
5 ein
Diagramm, das den Betrieb der Ausgestaltung von 4 illustriert;
-
6 die
Speicherung von Texturwörtern
in einem ungünstigsten
Szenario;
-
7 ein
schematisches Blockdiagramm ähnlich 4 einer
zweiten Ausgestaltung der Erfindung unter paralleler Verwendung
von vier Caches und vier Dekompressionseinheiten;
-
8 auf ähnliche
Weise wie 6 die Speicherung von Texturwörtern in
einem günstigsten
Szenario;
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9 ein
Blockdiagramm einer Modifikation der Ausgestaltung von 7,
wobei die Dekompressionseinheiten dynamisch neu zugewiesen werden;
-
10 ein
Blockdiagramm einer weiteren Modifikation der Schaltung von 7;
und
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11 und 12 eine
Illustration, wie Interpolation direkt auf komprimierte Textur-Codes
angewendet werden kann.
-
Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltungen 4 zeigt
eine spezifische Ausgestaltung eines Texturiersystems gemäß der Erfindung.
Das Texturiersystem 20 umfasst ein Speichersystem 22, das
Teil des vom Abbildungssystem insgesamt verwendeten Speichers ist
und das auf eine bekannte Weise von einem Speichercontroller 24 gesteuert
wird. Der Speicher 22 speichert unter anderem eine komprimierte Textur-Map,
und der Ausgang des Speichers durch den Speichercontroller 24 besteht
aus komprimierten Texturdaten von dem angeforderten Teil der Textur-Map.
Die Textur definierende Parameter, die für eine beliebige Fläche benötigt werden,
werden an einem Eingang 26 empfangen und an einen Texturadressgenerator 28 zum Adressieren
desjenigen Teils des Speichers 22 angelegt, an dem sich
die gewünschte
Textur befindet. Die komprimierte Textur wird vom Speichercontroller 24 aus
dem Speicher abgerufen und in einem Textur-Cache 30 gespeichert.
Die abgerufene Textur entspricht einem besonderen Texturtyp, der
den anzuzeigenden Flächentyp
darstellt. Dies kann beispielsweise ein Teil einer Steinmauer oder
die Oberfläche
einer Straße
sein. Diese Flächentextur
wird wie oben beschrieben in einer Mip-Map-Form gehalten, in einer
komprimierten Mip-Map-Form, und die verwendete Mip-Map ist die nächste vor
der Fläche,
wobei der Abstand zwischen der Fläche und dem Beobachter berücksichtigt
wird.
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Der
Ausgang vom Textur-Cache 30 wird an eine Dekompressionseinheit 32 angelegt,
die die Texturwerte zum Bereitstellen von dekomprimierten Texeln
dekomprimiert oder decodiert. Die dekomprimierten Texel werden dann
sowohl an einen trilinearen Interpolator 34 als auch an
einen Generator 36 zum Erzeugen des relevanten Teils der
Mip-Map angelegt, die dem im Textur-Cache 30 enthaltenen
am nächsten
liegt. Der Ausgang des Generators 36 wird ebenfalls an
den trilinearen Interpolator 34 angelegt. Somit empfängt der
Interpolator die Texel von der Mip-Map vor und hinter dem betrachteten
Flächenpunkt,
so dass eine trilineare Interpolation, wie in 2 illustriert,
ausgeführt
werden kann. Der trilineare Interpolator erzeugt ein trilinear texturiertes
Pixel an einem Ausgang 38.
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Beim
Betrieb speist der Texturadressgenerator 28 daher die Adressen
der acht trilinearen Texel in den Textur-Cache 30, der
dann die assoziierten komprimierten Texturdaten aus dem Speicher 22 abruft.
Die Dekompressionseinheit (DU) 32 dekomprimiert dann 16
Upper-Mip-Map-Texel von den komprimierten Daten. Es werden vier
als die angeforderten Upper-Level-Texel ausgewählt, und alle 16 werden vom
Lower-Mip-Map-Generator 36 zum
Erzeugen der Lower-Level-Mip-Map-Textur
verwendet. Der Grund ist, dass vier Upper-Level-Texel zum Erzeugen jedes Lower-Level-Texels
verwendet werden, wie nachfolgend beschrieben wird. Diese Upper-Level- und Lower-Level-Mip-Maps
werden dann vom trilinearen Interpolator 34 zum Erzeugen
des einzigen trilinearen Pixels verwendet. Es wird zwar eine große Zahl
von 16 Texeln benötigt,
damit diese Technik funktionieren kann, was unkomprimiert eine große Speicherbandbreite
bedeuten würde,
aber im komprimierten Zustand bedeutet dies eine erhebliche Speicherbandbreitenverbesserung
mit minimalen Seitenumbrüchen.
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Die
Lower-Level-Mip-Map wird durch vier parallele Filter oder Interpolatoren 40 erzeugt,
die die 16 Upper-Level-Texel
nehmen und die vier unteren Levels in einem Taktzyklus erzeugen
können. 5 illustriert
diesen Vorgang. Von den 16 ursprünglichen
Texeln werden vier zum Erzeugen der vier Upper-Level-Texel decodiert,
die direkt für
trilineare Filterung verwendet werden. Diese 16 werden auch in vier
Quadranten unterteilt, jeweils mit vier Pixeln, die dann von vier
digitalen Tiefpassfiltern gefiltert werden, um die vier Low-Level-Mip-Map-Texel
zu erzeugen, die für
die trilineare Filterung benötigt
werden. Dieser Filteralgorithmus ist in Gleichung 3 dargestellt: Lower-level color value0 = (upper0 + upper1 +
upper4 + upper5)/4 Lower-level color value1
= (upper2 + upper3 + upper6 + upper7)/4 Lower-level
color value2 = (upper8 + upper9 + upper12 + upper13)/4 Lower-level color value3
= (upper10 + upper11 + upper14 + upper15)/4 Gleichung (3)
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Durch
Anwenden von tatsächlichen
Werten auf Gleichung 1 und Gleichung 2 können die Kosten für eine trilineare
Filterung ermittelt werden. Es wurde ermittelt, dass in einem konventionellen
System vier Zugriffe auf 64-Bit-Daten für jedes trilineare Pixel ohne
Kompression benötigt
werden, bei durchschnittlich zwei Seitenumbrüchen pro Pixel. Dies ergibt
einen Gesamtbandbreitenbedarf von 16 Gbyte/Sek. für ein System,
das 100 Mpixel pro Sekunde erzeugen muss. Eine solche Leistung ist
unakzeptabel, aber selbst wenn die Texturdaten gecacht und komprimiert
werden, ist die benötigte
Bandbreite nicht viel besser (13,2 Gbyte/s). Wenn der doppelte Seitenumbruch
jedoch durch Erzeugen der Lower-Mip-Map „nebenbei" im Generator 36 von 4 entfernt
wird, wird gemäß der vorliegenden
Erfindung die Bandbreite auf ein akzeptables Niveau reduziert. Ein gecachter
und komprimierter Texturbandbreitenbedarf für dieses System liegt bei nur
etwa 200 Mbyte/s. Ein mit 100 MHz laufendes 64-Bit-Speichersystem
hat eine Spitzenbandbreitenfähigkeit
von 800 Mbyte/s, so dass die benötigten
200 Mbyte/s gut im Rahmen ihrer Kapazität liegen. In der Tat kann das
die Erfindung ausgestaltende Lower-Level-Mip-Map-Konstruktionssystem
Reservebandbreite zurückhalten,
die für
andere Zwecke zur Verfügung
steht.
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Zusammenfassend
kann man daher sehen, dass das Texturiersystem von 4,
das für
die Verwendung als Teil des dreidimensionalen Abbildungssystems
ausgelegt ist, den Speicher 22 zum Speichern von Mip-Map-Daten
für die
Verwendung bei der Texturierung eines Bildes beinhaltet, wobei die
Mip-Map-Daten eine hierarchische Serie von Mip-Maps von verschiedenen Niveaus von abnehmender
Auflösung
umfassen. Der Eingang 26 empfängt Eingabedaten, die den benötigten Mip-Map-Datentyp
sowie den Level der Mip-Map (s) angibt, von der/denen Daten genommen
werden sollen. Der Controller 24 ist mit dem Eingang und
dem Speicher zum Abrufen der gemäß den Eingabedaten
benötigten
Mip-Map-Daten aus dem Speicher gekoppelt. Der Cache 30 ist
mit dem Controller gekoppelt, um Teile von aus dem Speicher abgerufenen
Mip-Map-Daten zu speichern, die sich auf ein gewähltes Mip-Map-Level beziehen.
Der trilineare Interpolator 34 ist mit dem Cache gekoppelt,
um Mip-Map-Daten
von einem Mip-Map-Level, nämlich
dem oberen Level der beiden Levels, von denen Daten benötigt werden,
zu empfangen, und ein Ausgangstexel von Eingangstexeln von zwei Mip-Map-Leveln
zu interpolieren. Gemäß der Erfindung
beinhaltet das Texturiersystem auch den Lower-Level-Mip-Map-Generator 36,
der zwischen dem Cache und dem trilinearen Interpolator geschaltet
ist, und erzeugt in Echtzeit Teile der Mip-Map unmittelbar unter
(in der hierarchischen Serie) der Mip-Map, von der Teile im Cache
gespeichert sind.
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Die
in 4 illustrierte Ausgestaltung der Erfindung zeigt,
wie ein Cache 30 und eine Dekompressionseinheit (DU) 32 zum
Zurückgeben
aller Daten benötigt
werden, die zum Konstruieren eines kompletten trilinearen interpolierten
Pixels notwendig sind. Ein Problem gibt es jedoch dann, wenn der
Filteralgorithmus Daten von zwei oder vier zusätzlichen Datenwörtern benötigt. 6 zeigt
die ungünstigste
Situation. Man betrachte die Textur-Bitmap in Fliesen unterteilt,
wobei jede Fliese die Texturpixel repräsentiert, die von einem komprimierten
Datenwort gebildet werden. In diesem Beispiel enthält das Datenwort 16 Texturpixel.
Die dunkler umrandeten Kästen
in 6 bedeuten die Fliesen. In diesem Beispiel erfordert
der Filteralgorithmus Texturpixel von vier separaten komprimierten
Datenwörtern.
Für ein
einziges Cache-/Dekompressionssystem erfordert diese ungünstigste
Situation vier Cache-Lesevorgänge
und somit ein Minimum an vier Taktzyklen. Dieses Problem liegt,
in einem geringeren Ausmaß,
auch dann vor, wenn zwei separate Datenwörter benötigt werden.
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Eine
Konstruktion mit vier Caches und vier DUs kann alle benötigten Daten
in einer Taktperiode bereitstellen, unabhängig davon, wo sich die komprimierten
Daten befinden. 7 zeigt ein Blockdiagramm einer zweiten
Ausgestaltung der Erfindung, die eine solche ,Quad Cache'-Anordnung umfasst.
Das Texturiersystem von 7 ist dem System von 4 ähnlich,
und es werden nur die Unterschiede ausführlich beschrieben. In der
zweiten Ausgestaltung von 7 sind das
Speichersystem 22 und der Eingang 26 wie in 4.
In diesem Fall hat der Texturadressgenerator 28 vier Ausgänge, um
die Situation zu bewältigen,
bei der die Ausgänge von
maximal vier Fliesen benötigt
werden. Die vier Ausgänge
bieten jeweils Texturadressen 1 bis 4 und diese werden an Textur-Caches
1 bis 4 (mit 60 bezeichnet) angelegt. Diese kommunizieren
mit dem Speichercontroller 24 durch einen Arbiter 58,
um die Texel jeweils von den vier Fliesen zu empfangen. Sie werden
in den vier Caches gespeichert, die somit vier gecachte komprimierte
Texturen ausgeben, nämlich
jeweils gecachte komprimierte Texturen 1 bis 4.
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Die
Ausgänge
der vier Caches 60 werden jeweils an vier Dekompressionseinheiten 62 angelegt,
die jeweils der Dekompressionseinheit von 4 ähnlich sind.
Jede Dekompressionseinheit 62 legt ihre dekomprimierten
Daten an eine obere und eine untere Decodiereinheit 68, 70 sowie
an einen Low-Level-Mip-Map-Filter 66 an. Die Ausgänge der
oberen und der unteren Decodiereinheit 68, 70 werden
jeweils an einen trilinearen Interpolator 64 angelegt.
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Beim
Betrieb ist jeder Cache 60 für ein anderes Segment des Speichers
auf der Basis der Größe eines Cache-Wortes verantwortlich,
wobei die beiden tieferen Bits der Texturadresse jedes Cache-Wort
repräsentieren.
Auf diese Weise kann garantiert werden, dass nicht von einem einzigen
Cache verlangt wird, mehr als ein Datenwort für ein komplexes trilineares
Pixel bereitzustellen.
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Ohne
die Lower-Level-Mip-Map von der oberen erzeugen zu können, würden acht
Caches und DUs benötigt,
vier für
die obere und vier für
die untere Map. Somit spart die Erzeugung von Lower-Level-Mip-Maps nach
Bedarf „nebenbei" Logik (Siliciumfläche) und
verbessert auch die Leistung. In Verbindung mit Kompression wird
auch die Menge an benötigten
Daten stark reduziert.
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Man
wird verstehen, dass die Lower-Level-Mip-Maps weiterhin im Speicher
gespeichert sind. Sie werden für
Pixel benötigt,
die noch weiter vom Betrachter weg sind. Es hat sich jedoch in der
trilinearen Interpolation als effizienter erwiesen, ihre Anwesenheit
zu ignorieren und diejenigen Texel, die für die bearbeiteten Pixel benötigt werden,
mit den Generatoren 62 zu regenerieren.
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Einer
der Hauptvorteile des Erzeugens von Lower-Level-Mip-Maps von komprimierten Upper-Level-Mip-Maps
ist die Menge an Logikoptimierung, die stattfinden kann. Weniger Logik
bedeutet kleinere Hardware und geringere Kosten. Ein solcher Optimierungsbereich
ist in den Caches und Dekompressionseinheiten.
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Die
Caches 60 für
das Quad-Cache-System werden effektiv speichergemappt, d.h. jeder
Cache enthält
Daten für
eine separate Texturspeicherfliese, wie oben erwähnt. Aber die DUs 62 brauchen
nicht unbedingt auch speichergemappt werden. Speichermapping von
DUs würde
verlangen, dass jede mit einem bestimmten Cache assoziiert ist.
Dies würde
es auch erfordern, dass jede DU wenigstens vier Upper-Level-Texel
sowie vier Lower-Level-Texel in einem Zyklus erzeugen kann, um die
günstigste
Situation zu berücksichtigen.
Die günstigste
Situation ist in 8 illustriert, wo alle Fliesen
von einem Datenwort kommen.
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Indem
zugelassen wird, dass jede DU dynamisch auf der Basis der benötigten Ressourcen
neu zugewiesen wird, können
dann mehrere Hardware-Optimierungen stattfinden, um die Größe der benötigten Hardware
drastisch zu reduzieren. Wir haben festgestellt, dass nicht mehr
als eine Einheit vier parallele Upper-Level-Texel bereitzustellen
braucht, nicht mehr als zwei Einheiten zwei parallele Upper-Level-Texel
zu erzeugen brauchen und keine mehr als einen Lower-Level-Texel bereitzustellen
braucht.
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9 zeigt,
wie diese Optimierungen in ein modifiziertes Quad-Cache-System passen.
Die modifizierte Anordnung von 9 ist der
Anordnung von 7 ähnlich, und es brauchen nur
die Unterschiede beschrieben zu werden. Dies sind der Einschluss
eines Dekompressionseinheits- (DU) Zuordners 82, der zwischen
den Ausgängen
der vier Caches 60 und den Eingängen der vier Dekompressionseinheiten 62 geschaltet
ist, und eines entsprechenden Zuordnungsaufhebers 84, der
die obere und die untere Decodiereinheit 68, 70 ersetzt und
zwischen den Ausgängen
der vier DUs 62 und der Filter 66 sowie den Eingängen zum trilinearen
Interpolator 64 geschaltet sind. Die DUs 62 sind
nicht mehr identisch; die primäre
DU kann vier parallele Upper-Level-Texel bereitstellen, die sekundäre DU kann
zwei parallele Upper-Level-Texel bereitstellen, und die tertiäre und quartäre DU können jeweils
nur ein Upper-Level-Texel
bereitstellen. Die DU-Zuordnungseinheit 82 ermittelt, welche
der DUs 62 benötigt
werden, auf der Basis der Konfiguration der Texturadressen. Eine
Logikreduzierung erfolgt an den registrierten Ausgängen jeder
DU und der Multiplexierung des Texturausgangs von jeder DU. Die
Zuordnungsaufhebungseinheit 84 übernimmt jetzt die obere und
die untere Decodiereinheit 68, 70 und gibt dieses
Mal die dynamisch zugeordneten Ressourcendaten zu den Datenpfaden
zurück,
die ursprünglich die
Texel angefordert haben. Die zum Filtern der vier Lower-Level-Mip-Map-Texel
benötigte
Arithmetik wird ebenfalls vereinfacht.
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Gemäß der Darstellung
ist die Zuordnung der Ausgänge
vom Zuordnungsaufheber 84 aufgerufen, aber dies muss nicht
unbedingt von der Art und Weise abhängen, in der der Ausgang des
trilinearen Filters 64 gehandhabt wird. Dies ist ein ausführungstechnisches
Detail, das für
die Fachperson klar sein wird.
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Ein
weiterer Bereich der Logikoptimierung ist in den Filtern 40 (5),
die die Lower-Level-Mip-Map erzeugen. Wenn das Kompressionsschema
von einem Typ ist, der mit einem Index zum Nachschlagen in einem
Codebook arbeitet, wie z.B. im VQ oder Palletisation (siehe oben),
dann können
in diesem Fall die Texturkomponenten auf eine solche Weise angeordnet
werden, dass eine Lower-Mip-Map-Erzeugung erleichtert wird. Das
heißt,
wenn die Codebook-Einträge
durch gleichmäßiges Abtasten
der unkomprimierten Textur über ihren
Farbbereich erzeugt werden, dann können die Indexe selbst als
Eingang in die Mip-Map-Filter benutzt werden, um die neue Lower-Level-Mip-Map
zu erzeugen. Der resultierende Index zeigt dann auf das nächste Codebook-Äquivalent der gefilterten Textur.
Die Bitbreite der Filterarithmetik an den Indexen (komprimierte Textur)
ist weitaus geringer als sie es wäre, wenn der Filter auf die
unkomprimierte Textur angewendet worden wäre.
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Eine
solche Anordnung ist in 10 der
Zeichnungen illustriert. Sie basiert auf 7, könnte aber
natürlich
auch die Modifikation von 9 beinhalten.
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10 zeigt,
wie der Filter 66 jetzt in der Dekompressionseinheit 62 aussieht.
Jede Dekompressionseinheit 62 hat einen Index-Lookup-Abschnitt 92,
der mit dem Ausgang des Zuordners 82 verbunden ist, um Indexe
bereitzustellen, die von dem Filter 66 gefiltert werden,
bevor sie an einen Codebook-Lookup-Abschnitt 94 angelegt
werden, wo die gefilterten Indexe zum Finden des entsprechenden
Codebook-Teils benutzt werden.
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11 zeigt
schematisch die Beziehung zwischen den komprimierten Code-Werten
und den Farben, die sie repräsentieren.
Das Diagramm wird als ein Teil des Farbdreiecks angenommen, das
alle möglichen
Farben auf einer zweidimensionalen Ebene repräsentiert. Zwei Farben C1 und
C2 sind als Hauptfarben bezeichnet. Sie definieren die Enden einer
Linie, auf der andere Zwischenfarben C11 bis C1i liegen. Diese anderen Farben
können
daher dadurch gebildet werden, dass ein entsprechender gewichteter
Mittelwert der Farben C1 und C2 genommen wird. Die Code-Werte für die Farben
C11 bis C1i werden ebenfalls durch Mittelwertbildung der Code-Werte
der Farben C1 und C2 definiert.
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Die
normale Art und Weise, die Zwischenfarben zu produzieren, besteht
darin, mit den komprimierten Code-Werten der Farben C1 und C2 zu beginnen
und die tatsächlichen
Farbwerte der Farben C1 und C2 mit der Genauigkeit des Systems zu
ermitteln, die 16 oder 24 Bit pro Farbe erfordern. Dann wird an
den so erhaltenen 16 oder 24 Farbwerten ein gewichteter Mittelwert
gebildet. Wir haben jedoch verstanden, dass es, wenn die Beziehung
zwischen den Farben und ihren Code-Werten in der soeben beschriebenen
Weise definiert wird, möglich
ist, die Code-Werte
zuerst zu mitteln und dann die so erhaltenen Bemittelten Code-Werte
in die nächstliegende
verfügbare
Farbe umzuwandeln. Dies bedeutet, dass der Mittelwertbildungsvorgang
nicht mehr mit 16 oder mehr Datenbits zu erfolgen braucht, sondern
jetzt mit den etwa zwei Bits geschehen kann, die zum Definieren
der verschiedenen komprimierten Code-Werte beim Gebrauch benötigt werden.
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Diese
Lower-Mip-Map-Optimierungstechnik kann auch auf Direct X komprimierte
Texturen angewendet werden [Dok. 14]. Hier sind die beiden Grundfarben
und die interpolierten Zwischenwerte, auf die die Indexe zeigen,
gleichmäßig voneinander
beabstandet. 12 zeigt, wie 2-Bit-Indexe auf
16-Bit-Texturfarben gemappt werden. Es ist ersichtlich, dass die
2-Bit-Indexe selbst anstatt des vollen 16-Bit-Wertes gefiltert werden können. Dies
repräsentiert
weitaus weniger Logik und somit geringere Gesamtkosten.
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Zusammenfassend
ist zu sehen, dass die illustrierte Methode des Erzeugens von Texturdaten
für die Verwendung
beim Texturieren eines Bildes zunächst das Darstellen von Texturdaten
durch arbiträre
komprimierte Codes umfasst, in denen gewählte komprimierte Code-Werte
Hauptfarben definieren und andere komprimierte Code-Werte Farben
definieren, die von gewählten
gewichteten Mittelwerten von Hauptfarben gebildet werden können, wobei
die entsprechenden Code-Werte auch gewichtete Mittelwerte der Code-Werte
der gewählten
Hauptfarben sind. Dann wird ein Ausgangstexel von einer Mehrzahl
von Eingangstexeln interpoliert, wobei der Interpolationsschritt
mit komprimierten Code-Werten erfolgt. Die Code-Werte werden nachfolgend dekomprimiert,
so dass sich die eigentlichen Farbwerte ergeben.
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Dieses
Verfahren findet auch für
andere Zwecke als nur in dem illustrierten Lower-Level-Mip-Map-Generator
Anwendung. Es kann überall
dort zum Einsatz kommen, wo Zwischenfarben generiert werden sollen, die
in komprimierter Form vorliegen, unter der Voraussetzung, dass die
komprimierten Codes eine lineare Beziehung haben, die der der tatsächlichen
Farben gleich kommt. Insbesondere kann es bei der ursprünglichen Generation
der im Speicher 22 befindlichen Mip-Maps angewendet werden.
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Die
beschriebenen und illustrierten Ausgestaltungen der Erfindung ergeben
verschiedene Verbesserungen gegenüber den bekannten Systemen.
Insbesondere wird die Speicherbandbreite für trilineare Filterung effizient
genutzt, besonders dann, wenn Texturkompressionscaches verwendet
werden. Durch Erzeugen der Lower-Level-Mip-Map-Daten von komprimierten Upper-Level-Mip-Map-Daten
wie verlangt, werden Zugriffe über
Seitenumbrüche
reduziert. Es kann eine Quad-Cache-Anordnung verwendet werden, um
ein trilineares gefiltertes Pixel pro Taktperiode zu garantieren.
Der Betrieb der Dekompressionslogik wird durch Verwenden von dynamischer
Dekompressionsressourcenzuordnung verbessert. Schließlich ergibt
die Vereinheitlichung der Lower-Level-Mip-Map-Generation mit der
Dekompressionslogik ein System mit relativ geringem Overhead.
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Es
ist klar, dass zahlreiche Modifikationen an den beschriebenen und
illustrierten Systemen vorgenommen werden können, die lediglich gewählte und
derzeit bevorzugte Ausgestaltungen der in den Ansprüchen definierten
Erfindung repräsentieren.
