[发明专利]以动态精确度调整3D绘图管线的方法和装置

说明书

技术领域

本发明一般地涉及三维(3D)绘图，更具体而言，涉及用于在资源受限设备上以动态精确度调整3D绘图管线的方法和装置。

背景技术

从令人着迷的电影特效，到医学成像、电子游戏和更多的领域，3D图形所带来的冲击不亚于一场革命。3D图形领域广泛而复杂，除可用于娱乐产业(包括电影和游戏)之外，3D图形技术也在计算机辅助设计(CAD)上为工业设计带来了巨大的飞跃。制造商可以在不使用任何材料设计的情况下“构造”出它们的产品。

用来创建3D图形的过程被称为3D管线(pipeline)。因为3D图形渲染本身的有序特性，整个处理过程被拆分成不同的步骤，有时被称作阶段(Stage)。概括地讲，一个常规的3D绘图管线顺序拆分为四个阶段：场景管理，几何图元运算，三角形设置和渲染(rendering)。图1示出3D绘图管线的示意图。

场景管理可以包括静态和动态几何物件资料结构的建立，摄影机资料的建立，遮蔽物的剪切以及多层次精致度模型(Level of Detail，LOD)。几何图元运算可以包括从模型空间到世界空间的变换，从世界空间到视图空间的变换，投影变换，背面剔除，光照处理，到剪裁空间的变换以及到二维(2D)屏幕空间的变换，等等。三角形设置包括斜率/增量计算，扫描线换算，等等。在几何图元运算之后，顶点资料已经被正确地放入3D立体空间中。通过三角形设置，可以将像素资料也放到里面。从屏幕画面来看，构建三角形也就是产生这个三角形外围各个像素的坐标。渲染包括着色、纹理、高光/雾计算、Alpha透明度测试、深度缓存等等。

由于3D图形绘制的各个阶段都涉及大量数据处理，因此在硬件运算能力受限的移动设备上，尤其是在没有浮点数运算能力的平台上，要实现3D绘图是非常困难的。

通常，人们能够接受的图形处理速率是每秒产生并显示至少8帧图像。要想达到这样的处理速率，一般要求设备平台满足如下条件：

(1)平台需要具有用于3D图形处理的图形处理单元(GPU)，从而能够足够快地绘制3D图像；

(2)由于3D图像的渲染过程需要使用大量的浮点数运算，因此平台硬件需要具有浮点数运算能力。

然而，对于不具有GPU甚至不提供硬件浮点数运算能力的资源受限平台而言，则难以实现高效的3D绘图管线。所谓“资源受限平台”，其被定义为不具有GPU，仅具有单一CPU并且该CPU不支持浮点数运算的设备平台。

对于资源受限平台，一般是用定点数来取代浮点数以加快计算的过程。然而，定点数计算存在一些局限。例如，在从世界坐标系转换到剪裁坐标系的过程中，由于3D世界大小的不同，转换过程中可能会因为精确度不足而导致计算的错误。这些计算错误会影响最终的视觉效果，使最后生成的图像产生抖动或扭曲的现象。

因此，存在对于能够在3D绘图过程中动态调整使用定点数模拟浮点数运算的精确度的需求。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出一种用于在资源受限设备上以动态精确度调整3D绘图管线的方法和装置。举例来说，在一个实施例中，该方法可以根据例如1帧画面中3D场景的大小(三维摄影机或眼睛所能看到的范围)来动态调整使用定点数模拟浮点数运算的精确度。

根据本发明第一方面，提供了一种用于进行3D绘图的方法，该方法的特征在于：在3D绘图管线中，用定点数模拟浮点数运算，并且其中，用定点数模拟浮点数运算的精确度被动态调整。在一个实施例中，在将3D世界坐标转换到2D屏幕坐标的过程中，根据摄影机所能看到的3D世界的大小，调整计算所需的精确度。在另一实施例中，在将3D世界坐标转换到2D屏幕坐标的过程中，对于各种物件，使用不同的精确度进行计算。例如，使用高精确度进行计算的内容可以是如下各项中的一个或多个：坐标转换矩阵、光源参数和摄影机参数。在又一实施例中，在变换到剪裁坐标的过程中，根据坐标转换数值的范围，调整计算所需的精确度。在又一实施例中，在贴图像素运算的过程中，根据贴图的大小，调整贴图uv内插运算所需的精确度。上述各精确度调整方式可以分别或结合使用。

根据本发明第二方面，提供了一种用于进行3D绘图的装置，所述装置包括：3D绘图装置，用于执行3D绘图，其中，在3D绘图管线中，用定点数模拟浮点数运算；以及动态精确度调整装置，用于动态调整用定点数模拟浮点数运算的精确度。