TW413794B - A 3D graphics processor based on horizontal scan lines as processing unit and the drawing method therefor - Google Patents

Description

413794 五、發明說明（1) 本發明係有關於—種以平行掃描線為處理單元之三維 圖形處理器及其繪圖方法，以一水平掃描線或複數個掃描， 水平線為處理草元’可省略一般之圖框暫存器及Z-暫存_ 器，並可與2 D子圖形共用資料庫記憶體分享資源，不僅可 加快3D繪圖之速度’亦可達到多媒體裝置整合並簡化設計 之目的者。 隨著資訊虞業之進步’一般電腦使用者所追求的不再 是早期的簡單夂字處理或2D晝面顯像，而是要求可在電腦 顯示器中顯示出虛擬真實場景之3D多媒體立體影像，以更 精緻、更具真實立體感之晝面為追求目標。而3D圖形（3D Graph i c)繪製技術即是在電腦與現實場景令之中間橋樑， 3 D圖形繪圖技術不僅可用於真實世界之事先模擬，亦可用 於科學方面之視覺化、育樂休間之美觀化、或是產品設計 之作動中，再再都表現出3 D圖形繪製技術所能帶來之震憾 效果，故世界先進諸國莫不把3D圖形（3D Graphic)技術視 為下一世紀之明星產業。 在3D圖形之立體顯像中，一般主要係利用一 3D圖形處 理器（3D Graphic Processor)用以達成。惟，習用之3D圖 形處理器，如第1圖所示，其處理方式概可分為繪圖幾何 引擎階段（Geometry Stage)及上色階段（Rendering Stage)兩大部分。其中，在繪圖幾何引擎階段中，主要係 利用中央處理器（CPU) 1 1透過一系統匯流排1 3將主記 憶體1 2中之二角形（triangle)資料以一圖框（frame)為 處理單元而加以運算’換言之，係將3 D立體空間座標資料

413794 五、發明說明（2) 轉換為圖點（pi xe 1)資料以及管理所有多邊形之佈置，包 $顏色、陰影及紋理等特殊屬性，在這個階段中有相當數 里之數學運算需利用中央處理器1 1之浮點運算（FPU)來. 完成， 成之延 而 2D顯示 處理器 制器2 器2 8 將圖點 該影像 示出物 調色控 7及顯 顯像在 此舉容 滞，而 在上色 器上所 1 1所 2、資 及 CRT-資料轉 分別儲 體遠近 制器1 示器同 顯示器 易造成中 影響其立 階段中， 應呈現出 下載之圖 料緩衝器 控制器2 換成最終 存於圖框 央處理器1 1 體圖形繪製之 其主要係提供 立體與動態之 點貧料’並藉 2 4、圖形控 9所組合而成 欲顯像於顯示 暫存器（frame 之Z -暫存器-(Z-buffer) 資料運算及傳輸所造 速度。 將真實之 5 、色彩 步信號產 1 9中。 調色記憶體1 生器1 7 5之 過程，接 由一包括 制器2 6 之讀'圖晶 器1 9之 buffer) 1 6中， 5 5、視 功能，而 圖點顯像在 收來自中央 有記憶體控 '時序產生 片組2 0而 影像，並將 1 4及可顯 再搭配色彩 tTL、編碼器1 將立體影像 由於該3D圖形處理器係以一圖框為單元，將τ 基本單位三自并；早以 '蓄瞀由抑 , 眾'多之3D 二角形予乂運斤處理，k W增加其相對應 J J其圖植暫存器i 4及2_暫存器丄6所需配合匕 =谷里就不能太小，以—個解析度為25δ χ25 。己 ，點為16bit之顯示器為例，其圖框暫存器i /)、而 谷量就不可小於256K(bytes)，而2—暫存p6圮憶體 容量亦不可小KUSUbytes)，否則將造成顯像憶體 但如此大容量之記憶體（SRAM)對消費性電子 麻煩。 系而言，所

第5頁 413794 五、發明說明（3) 佔之成本支出比例太大，而 惠廣大之使用者。 再者，習用之3D圖形處 共享記憶體，亦難以達到資 計者而言，除了必須要注意 之大量運算轉換成硬體，以 速度外（中央處理器之浮點 形及2 D圖形之硬體配合問題 因故，如何設計出一種 法’以有效解決圖框暫存器 題，還可加速其圖形之處理 場景之資源共享’長久以來 明欲行解決之困難點所在， 資訊相關產業設計之實務經 之弊端，乃思及犬破傳統點 功時必經過上始點，以造成 個人之專業知識’經多方設 品及改良後’終能劊作出一 三維圖形處理器及其繪圓方 本發明之主要目的，在 理單元之三維圖形繪圖方法 之概念，而是以一條水平掃 單元，以立即運算需要顯像 存器中，再搭配顯示器之同 難以在市場上廣泛被應用及嘉 理器無法與2D子圖形運算裝置-源共享整合之目的，如此對設 到以軟體之概念將軟體所耗用 縮減軟體之運算量來加快處理 運算過程），還必須思及3D圊 ’設計上有其一定之困難度。 三維圖形處理器及其繪圖方 及Z-暫存器之記憶體容量問 速度，並達到整合2D圖形及3D 一直是使用者殷切盼望及本發 本發明人基於多年從事於電腦 驗，有鑑於習用3D圖形處理器 火因在上始點之前，而造成作 重大能量損耗之缺點，以窮其 計、探討，並經無數次試作樣 種以平行掃描線為處理單元之 法。爰是， 於提供一種以平行掃描線為處 ，捨棄習用以圖框為處理單元 描線或數條水平掃描線為處理 之圖點而直接儲存於一圖點暫 步顯示訊號來加以顯像出其立

第6頁 415794 五、發明說明（4) !影：：:堇：：：圖框暫存器及z _暫存器之記 ϊ ’亦可大幅卽省其成本支出者。 ' 本發明之次要目的，在於提供—種以平行掃描線 理举凡之二維圖形綠圖方法，其3D圖形之基本單元 .

Unable)全部轉儲存入一資料庫記憶體中，而盈= 過t央處理器之運算，故不合、止士士 …而透 m 故不H &成中央處理器資料運算及 傳輸所反成之延滯，以加快31)圖形之 本發明之又一目的，在於裎徂 ％ ^ 旳在於棱供—種以平行掃描線為處 理早兀之二維圖形繪圖方法，以管線作業方式 (pipe-1 ine)來計算處理盆二& ^ ..^ ^ ，、一角形之上色部分及繪圖幾何 引擎部分’而可完全發揮豆硕髀 繪製速度。 、揮''硬體之功能’以加快3D圖形之 本發明之又一目的，力热姐糾 ^ 在於^供—種以平行掃描線為處 理早兀之二維圖形處理哭豆咨

^ . ^ 〇〇其貧枓庫記憶體可分別儲存2D 圖升>之子圖形（sprite) 闰π七 $ u ϋ杜人一；及31)圖形之三角形（triangle)，以 達到兩者1 口及貧源共享之目的。 本發明之又一目的，t . _ οπ _ . , _ 在於^供—種以平行掃描線為處 理早7L之二維圖形處理写，1 為其圖形處理器之資料庫記憶體 可内建於與中央處理器—把 g 、 製程上之困難度者。 間 錄為使 貝審杳委 3 #+ an . t Λ' —女員對本發明之結構、特徵及所達成 之功效有更進一步之瞭躲盘切塒 .Λ , %解興的减’佐以較佳之實施圖例及 詳細說明如后： 首先月參閱第2圖，係為本發明3 D圖形之繪圖流程 413794 五 '發明說明（5) 圖；如圖所示，本發明主要繪圖方法至少包括有下列步 驟： _ 步驟2 0 1 ，中央處理器（CPU)偵測是否有3D圖形繪製. 之請求，若無，則回至原始狀態，繼續偵測； 步驟2 0 3 ，已測得3D圖形繪製要求，故將所有欲繪 製之3D圖形三角形組群（如一圖框或複數條水平掃 描線）以管線式作業方式全部放入一 3D圖形處理器 之資料庫記憶體中； 步驟2 0 5，因應每一單位之水平掃描線（如一條水平 丨 掃描線或複數條水平掃描線），掃描已儲存於資料庫 記憶體中之三角形，並找出與其相對應之三角形； 步驟2 0 7，將該相對應之三角形經3D圖形處理器之 計算而成為圖點，並把該圖點直接儲存於一圖點暫存 器中； 步驟2 0 9 ，搭配視訊編碼器及顯示器之同步信號而將 該圖點顯像於顯示器t ;及 步驟2 1 0 ，判斷是否已完成3D圖形之繪製工作，若 是，則結束工作；若否，則回至步2 0 5 ，進行下一 單位水平掃描線之3D圖形三角形的繪製工作。 在上述步驟中，可發現其中央處理器（CPU)並不做為 三角形之運算工作，且其3D圖形三角形係以組群為單位一 次存入圖形處理器中，故不會造成中央處理器資料運算及 傳輸所造成之延滯，而得以加快3 D圖形之繪製速度功能。 且以管線作業方式運算處理過後之圖點直接儲存於圖點暫

第8頁 413794 五、發明說明（6) --- 存器中，而無需使用大容量之圖框暫存器及2_暫存器 存以圖框為處理單元之大量數據，故可節省記憶體之田 量者。 用 再者，清參閲第3圖，係為本發明一較佳實施例之主 要構造示意圖：如圖所示’本發明3d圖形處理器（31) Graphic Processor)主要係包括有一直接記憶體存取控取 器（Fragment Attribute DMA) 3 4 ' 資料庫記憶體 (Database Memory) 3 5、掃描控制器（Scan c ⑽ tr〇Uer) 4 1 、3D功能運算器5 〇、圖點控制器（pixel Control ler) 4 3 、及至少一圖點暫存器（pixei Buffer) 45 1 、4 5 5 ，其中該直接記憶體存取控取器可透 過一局部匯流排3 3而受控於一中央處理^(cpu)3 1之 ^ ^ t ^ I, „35 ^ ^ Λ ^ 3 2之二角形（triangle)資料，其係以一圖框或複數條水 平掃描線之組群方式一次全部而將其三角形資料予以存 入。當，示器3 9欲顯像出其3D場景時，該掃描控制器4 1將至貧料庫記憶體3 5掃描並尋找出欲在該條水平掃描 線或複，條水平掃描線繪製出現之三角形資料，再經過31) 力月b運算益5 〇之運鼻以成為圖點（p丨χ e 1)資料，在受制 於圖點控制器4 3而選擇暫存於第一圖點暫存器4 5丄或 第一圖點暫存器4 5 5中，其中一圖點暫存器4 5 1可儲 存:一條水平掃描線欲顯示之圖點，而此同時另〆圖點暫 存杰4 5 5則搭配視訊編碼器3 7及顯示器同步信號產生 Is 3 8之作用，而在顯示器3 9中之該條水平掃描線或複

413794 五、發明說明（7) 數條水平掃描線顯像出該3 D場景。 而由於本發明係以一水平掃描線或複數條水平掃描線 為處理單位及時運算，而捨棄習用以圖框為處理單位之運― 算方式，故其欲暫存之資料容量即無需太大，只需一資料 庫記憶體3 5及一圖點暫存器4 5即可取代記憶體大容量 之圖框暫存器及Z_暫存器’所以相對就可節省成本支出。 請參閱第4圖’係為本發明3 D功能運算器5 〇之内部 構造示意圖’在其中主要係由一三角形配置檢測器 (Triangle Inrange Checker) 5 2、端點運算器（End

Point Calculator) 5 3、三角形 X 值運算器（Triangle x Value Calculator) 5 4 ' 三角形查表控制器（Triangle Look Up Table Controller)。6 、及一色彩調色控制器 (Color Palette Controller)。8、色彩調色記憶體 5 8 5所組合而成，其主要係把習用處理三角形之上色部分及 繪圖幾何引擎部分以管線作業方式（pipe-line)來計算處 理，不再透過中央處理器（CPU)，而可完全發揮其硬體之 功能’藉此以加快3D圖形之繪製速度及減少因中央處理器 處理資料運算及傳輸所造成之延滯現象。 再者，請參閱第5圖，係為本發明之另一實施例示意 圖；由於2D圖形之之子圖形（sprite)或動畫資料之架構本 來即與3 D繪製圖形之架構有許多相同之處極為類似，故本 發明之資料庫記憶體3 5亦可連接一2D子圖形運算裝置6 〇以用來儲存2D之子圖形資料，在該2D子圖形運算裝置6 〇中係包括有一片段產生器（Fragment Generator) 6 1 、

第10頁 五、發明說明（8) 功能產生器65、祝訊混合器63、及一2D功能運算器6 7，其中該片段產生器6 1可接收來自於資料庫記憶體3_ 5屬於2D之屬性資料’並經過可產生文字、視訊功能、及-視訊時序資料之功能產生器6 5作用，再一起傳送至祝訊 混合器6 3彙整，及藉由2 D功能運算器6 7之運算以得到 2 D圖形貢料，並受控圖點控制器4 3以搭配該3 d圖形起 至顯示器3 9中顯像出完美之圖樣。因為，2D圖形及3P圖 形皆透過同一架構及資料庫記憶體3 5 ’因此輕易可達到 兩者密切整合之目的，而簡化其設計之麻須。而存在於資 料庫記憶體3 5内之資料則可藉由資料内其中一屬性位元 之變化不同（未顯斧）而加以判斷該筆資料係為2 D圖形或 3D圖形資料並選擇係何種傳輸路徑。 最後’請參閱第6圖’係為本發明又一實施例示意 圖；由於本發明之資料庫記憶體3 5容量是固定式，其水 平掃描線所能處理之二角形個數總ϊ亦有一定之限制。為 可配合各種顯示器解析度之不同’而避免本發明3 D圖形處 理益有所使用上之限制’故在本發明此貫施例中尚可設有 一圖框暫存器（Frame Buff er) 7 0 ，分別連接於該3D功能 運算器5 0及圖點控制器4 3 ，3D功能運算器5 〇以管線 式（pipeline)及整個圖樞之方式接收資料庫記憶體内資料 而運算完成時，可立即把完成之圖框資料儲存於該圖框暫 ，器7 0中，而圖點控制器4 3還是以水平掃描線為處^ 單元方式，依時序控制圖樞暫存器7 〇内之資料選 於第一圖點暫存器451或第二圖點暫存器455中，子

第11頁 413794 五、發明說明（g) 等待在顯示器3 框暫存器7 0之 理整個圖框之資 就無需如前述實 异還是以管線式 一定之快迷。 當然，其資 體容量大小亦可 得以隨意調整其 線為處理之單位 樣’故其總合記 及Z-暫存器記憶 且’本發明之3 D 單晶片中，故其 對亦就較富彈性 綜上所述， 處理單元之三維 線或複數個掃描 存器及Z-暫存器 圖形共用資料庫 度，亦可達到多 發明實為一富有 者，應符合專利 清’祈釣局早曰 9中之 協助， 料，而 施例之 作業方 料庫記 視顯示 大小。 ’而有 憶體使 體之總 圖形處 所可選 〇 當知本 圖形處 水平線 而節省 記憶體 媒體裝 新穎性 申請要 賜准專 該水平掃描 -L 線中顯像出來。由於圖 本發明圖开ί走 團 盔二W形處理器亦可一次運算處， 二二角形個數總量之限制，當然也 掃描控制器4 1，且由於内部之 式運算，故其運算速度還是可保持 ^體3 5及圖點暫存器4 5之記憶 器3 9之解析度及其實際之需要而 但由於本發明係以每一條水平掃描 另】於習用以圖框為處理單元之態 用之容量相對於習用之圖框暫存器 合還是可節省相當之可觀數字。 理益係可内建於與中央處理器同_ 擇使用之記憶體種類及容量大小相 發明係有關於一種以平行掃描線為 理器及其繪圖方法’以一水平掃描 為處理單元，可省略一般之圖框暫 大量之記憶體使用量’並可與2D子 分旱資源，不僅可加快3D、繪圖之速 置整合並簡化設計之目的者。故本 '進步性，及可供產業利用功效 件無疑；爰依法提出發明專利申 利’至為感禱。 第12頁 413794 五、發明說明（ίο) 惟以上所述者’僅為本發明之較佳實施例而已，並非 用來限定本發明實施之範圍，如，在圖黠控制器功能強大 之情況下*其第一圖點暫存器及第二圖，點暫存器亦可結合· 為一者。故即凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構 造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發 明之申請專利範園内。 (一）圖式簡單說明： 第1圖·係為習用3D圖形處理器之主要構造示意圖； 係為本發明3D圖形之繪圖流程圖； 係為本發明一較佳實施例之主要構造示意圖； 係如第3圖所示實施例之3D功能運算器内部構 造示意圖； 第5圖··係本發明另一實施例構造示意圖；及 第6圖：係本發明又一實施例構造示意圖。 (二）圖號對照說明： 1 2 主記憶體 14 圖框暫存器 1 5 5色彩調色記憶υ 1 7 視訊編碼器 1 7 5同步信號產生器 2 2 記憶體控制器 2 6 圖形控制器 2 9 CRT-控制器 3 2 主記憶體 11 中央處理器 0 4 糸統匯流排 色彩調色控制器 z—暫存器 顯示器 繪圖晶片組 資料緩衝器 時序產生器 中央處理器 2 413794 五、發明說明¢11) 3 3 局部匯流排 3 5 資料庫記憶體 3 8 同步信號產生器 4 1 掃描控制器 4 5 1第一圖點暫存器 5 0 3D功能運算器 器 測體 檢 憶 置器記器器器 配制色生生存 形控調產產暫 角表彩段能框 三查色片功圖 5 2 6 8 1 5 0 5 5 5 6 6 7 3 4 直 接 記 憶 體 存 取 3 7 視 訊 編 碼 器 3 9 顯 示 器 4 3 圖 點 控 制 器 4 5 : 5第 二 圖 點 控 制 哭 σσ 5 3 端 點 運 算 哭 ITCI 5 4 X 值 運 算 器 5 8 色 彩 調 色 控 制 哭 〇〇 6 0 2D 子 圖 形 運 算 哭 6 3 視 訊 混 合 器 6 7 2D 功 能 運 算 器

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Claims (1)

1. 六、申請專利範圍 申請專利範圍： ~' 有 1.一種二維圖形處理器之繪圖 : " 方法，其主要步驟係包括- (A) .把一组蛘所有欲繪製顯 全部由主記憶體轉送餘之二角形（t r i ang 1 e )， 料庫記憶體中； 存予—3D圖形處理器之資 (B) _因應每—單位水平掃描 + 體中掃描並找出其相針庙要，從資料庫記憶 ⑹·相對應之三角形經角形； (pixel)，並直接儲/· λ成為所欲繪製之圖點 ⑻.搭配顯示器之同步作子—圖點暫存器中；及 2 之圖點顯像於顯示器中儲存於圖點暫存器中 專：範圍第丄項所述之 3 角形組群係以-圖框為單位者。 步 J Γ 範圍第1項所述m法，其令⑴牛 4 驟中之三角形組群係以複數個水平掃為2)步 .如申請專利範圍第i項所述之繪圖；；線ί;二者： ::之每-單位水平掃猫線係指以—水平掃描線：單 如申請，利範圍第1項所述之繪圖方法，其中（β)步 Γ:，ΐ —單位水平掃描線係指以複數條水平掃描線 马單位者。 如申請專利範圍第1項所述之繪圖方法，其中（C 驟中之圖點暫存器容量大小可視顯示器之解析度大小

   第】5頁 413794 六'申請專利範圍 而調整 7 ·如申請 驟中之 行之緣 8 ·如申請 形處理 形（S p r 9 .如申請 資料庫 藉由每· 1 〇 ·如申 一圖框 1 1 一種 其主要 專利範圍 運算方式 圖幾何引 專利範圍 器之資料 i te)。 專利範圍 記憶體内 第1項所述之繪圖方法，其中（c)步. 係指以管線式作業方式對三角形所進 擎動作及上色動作。 第1項所述之繪圖方法，其中該3D圖 庫記憶體亦可用來儲存2D圖框之子圖 第8 一筆資料之一 請專利範 暫存器， 以平行掃 結構係包 一資料庫記憶體 憶體及一中央處理器 三角形資 一掃描控制器， 線而在資 中之複數個 位水平掃描 形； 之相對應 點； — 3D功能運算器 角形資料 圍第 用以 描線 括有 ，藉 連接 料； 連接 料庫 ，連 ，並 項所述之搶圖方法，其中儲存於 圖框子圖形及3d圖點三角形係可 位元變化不同以資判斷者。 8項所述之繪圖方法，尚可外 接收整個圖框之gj點。 為處理單凡之三維圖形處理器， 由一局部匯流排而分別盥一主 ’而可用以健存來自於主記憶體 該資料庫記憶體’可因應每 記憶體中檢測出其相對庳 = 〜、二角 接並接收自該掃描控制器 經運算致使其成為可顯像來 一圖點控制器，連接於該3D功能運算器及至小— 乂 一圖點

   第16頁 413794 一直 3 *如 其中 器、 制器 三角 色控 4 -如 其中 致使 置。 5 ·如 其中 合器 該片 算器 々、申請專利範圍 暫存器之間，而 處直接選擇移存 一視訊編碼 產生器’可將欲 配該同步信號產 在一顯示器中顯 1 2 .如申請專 其中在該資 接記憶 申請專 該3 D功 端點運 、色彩 形配置 制器處 申請專 該資料 該資料 申請專 該2D子 、2D功 段產生 連接該 可控制處理運算 至其中一圖點暫 器’分別連接該 顯像之圖點進行 生器所產生之顯 像出其3D圖形者 利範圍第1 1項 料庫記憶體與局 體存取控制器。 利範圍第1 1項 能運算器係至少 算器、三角形X 調色控制器及色 檢测器處連接該 來連接該圖點控 利範圍第1 1項 庫5己憶體尚可健 庫記憶體可再連 值運算器、三角 彩調色記憶體， 掃描控制器，而 制器。 所述之三維圖形 存2D圖形之子圖 接有一2D子圖形 利fe圍第1 4項所述之三維圖形處理器， ，形運异裝置係由一片段產生器、視訊混 f運算器、及功能產生器所組合而成，由 益以連接該資料庫記憶體，再從2D功能運 圖點控制器’而視訊混合器則分別連接該 好之圖點自3D功能運算器 存器中；及 圖點控制器及一同步信號 數位類比信號轉換，並搭 示器同步信號，而依時序 所述之三維圖形 部匯流排之間尚 處理器， 可連設有 所述之三維圖形處理器， 包括有一三角形配置檢測 形查表控 分別係由 由色彩調 處理器， 形資料， 運算裝

   413794 六、申請專利範圍 片段產生器、2D功能運算器及功能產生器。 1 6 ‘如申請專利範圍第1 1項所述之三維圖形處理器，' 尚可包括有一可儲存整個圖框資料之圖框暫存器，分_ 別連接該3D功能運算器及圖點控制器。 1 7 ·如申請專利範圍第1 1項所述之三維圖形處理器， 其中該圖點暫存器數量係以兩個為最佳。 1 8 ·如申請專利範圍第1 1項所述之三維圖形處理器1 其中該三維圖形處理器係可與該中央處理器同時内建 於一單晶片中者。

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