[发明专利]对处理图像的指令进行处理的方法、控制器和系统

说明书

技术领域

本发明通常涉及图像处理领域，且更具体地，涉及用于处理图像的指令集合。

背景技术

从三维场景来呈现二维图像的处理通常称作图像处理。图像呈现的一个特殊目的是使二维仿真或者三维场景的呈现尽可能逼真。这种为了使得场景呈现更为逼真的需求导致了越来越高的图像复杂性以及用于处理复杂图像的创新方法。

通常在监视器或者某种类型的显示屏上显示表示三维场景的二维图像。现代监视器通过使用像素来显示图像。像素是在监视器上示出的最小空间区域。多数现代计算机监视器使用数十万或者数百万的像素组合来构成整个显示或者呈现的场景。单独的像素以栅格形式设置并且共同覆盖监视器的整个观察区域。可以示出每个单独的像素以呈现用于观察的最终画面。

一种方法称为光栅化，用于使用像素在二维监视器上呈现真实世界的三维场景。光栅化是如下过程：采用以矢量格式(场景之内几何物体的数学表示)表示的二维图像，并且将该图像转换成为用于在监视器上显示的独立像素。在快速呈现图形以及使用相对较低数量的计算能力方面，光栅化是有效的；然而，光栅化受到某些负面影响。例如，因为光栅化并不是基于光的物理属性而是基于在投影到二维平面之上的场景中的三维几何物体的形状，所以光栅化通常受到缺少真实性的影响。此外，由光栅化呈现场景所需的计算能力直接随着待呈现场景中物体复杂性的增加而按比例变化。随着图像处理变得更为真实，呈现的场景也变得更加复杂。因而，因为光栅化直接随复杂性而按比例变化，使得光栅化随着图像处理的发展受到影响。

另一种方法称作射线跟踪，其用于使用像素将真实世界的三维场景呈现在二维监视器之上。射线跟踪技术跟踪将要在计算机屏幕上呈现的三维场景之中的其行为类似于光线的假想射线的传播。射线源于坐在计算机屏幕后的观察者的眼睛，并且穿过构成计算机屏幕的像素而通过，朝向三维场景。每个跟踪的射线行进到场景之中并且可以与场景以内的物体相交。如果射线与场景以内的物体相交，则使用该物体的属性以及多个其他起作用的因素，例如光源的影响，来计算射线暴露处的颜色和光的量、或者其中的缺乏。然后，使用这些计算来确定跟踪的射线所通过的像素的最终颜色。

对单一场景多次执行射线跟踪过程。例如，可以为显示器中的每个像素跟踪单一射线。一旦为了确定构成计算机屏幕的二维显示的所有像素的颜色已经跟踪了足够数量的射线，则可以在计算机屏幕上向观察者显示三维场景的二维合成。

通常，射线跟踪比光栅化更为真实地呈现现实世界的三维场景。这部分地是由于射线跟踪模拟了真实世界环境中光的传播和行为，而不像光栅化所执行的那样，将三维形状简单地投影到二维平面之上。因而，使用射线跟踪呈现的图形在监视器上更精确地描述了我们的眼睛所习惯看到的真实世界中的景物。

此外，相对于光栅化，射线跟踪还可以处理越来越复杂的场景。射线跟踪随场景复杂性而成对数比例变化。这是由于以下事实，即使场景变得更为复杂，也只有相同数量的射线投射到场景之中。因而，与光栅化不同的是，随着场景变得更为复杂，在计算机能力需求方面射线跟踪并未受到影响。

然而，射线跟踪的一个主要缺点是大量浮点计算，并且由此增加的呈现场景所需的处理能力。当需要快速呈现时导致出现问题，例如，当图像处理系统例如在游戏控制台中针对动画目的而呈现图形的时候。由于对于射线跟踪所增加的计算需求，难以快速呈现看起来足够真实的动画(真实的动画大约是每秒二十至二十四帧)。

使用例如射线跟踪的图像处理可以包括执行矢量和标量数学运算两者。因而，用于图像处理的硬件支持可以包括配置为执行多种计算的矢量和标量单元。矢量和标量运算例如可以是跟踪通过场景的光的路径、或者移动三维场景以内的物体。矢量单元可以对场景中关于物体的矢量执行例如点乘、叉乘的运算。标量单元可以对标量值执行算术运算，例如加、减、乘、除等。

可以将矢量和标量单元管线化(pipeline)以改进性能。然而，执行矢量运算可以包括执行相互依赖的多个指令的多个迭代。指令之间的这种依赖可以降低管线化单元的效率。例如，为了在执行第二指令之前完成第一指令，可能不曾使用多个管线化阶段。