[发明专利]用于基于图块的3D计算机图形系统的可随机访问的无损参数数据压缩

说明书

技术领域

本发明涉及用于基于图块（tile based）的3维计算机图形系统中参数数据的无损压缩的方法和装置。

背景技术

随着技术的快速发展，3维计算机生成的图像的复杂性也以相同速度增加。人们可以使用顶点和三角网格很容易地为非常复杂的3D对象（像人类运动）建立计算机模型。然后这种3D模型可以被发送至3D计算机图形系统，在该系统中，动感的3D图像可以被生成在计算机屏幕上。计算机生成的3D动感图像被广泛地用在3D计算机游戏、导航工具和计算机辅助工程设计工具中。

3D计算机图形系统必须处理对更复杂的图形和更快的显示速度的不断需求。随着显示模型中细节的增加，越来越多的图形基元（primitive）和顶点被使用。另外，由于纹理和着色（shading）技术已经逐步发展，尤其随着可编程着色器（shader）语言的使用，越来越多的信息被关联于顶点数据（顶点参数数据）。在一些情况中，顶点参数数据大小可以是每个顶点大约100个32位字，并且在图像的渲染中可能存在百万个顶点。因此，在3D渲染中顶点参数数据的存储空间可以很容易地达到数百MB。

由于3D计算机图形系统需要处理大量的顶点参数数据，该系统的性能经常受到顶点参数数据存储宽带的限制。对于基于图块的3D计算机图形系统而言尤其如此，其中被写入内部存储器中的顶点参数数据可以针对不同的图块（tile）而被多次读取，在该不同的图块中来自基元的顶点需要执行渲染。对于3D计算机图形系统来说，通过压缩3D渲染中使用的顶点参数数据来减小顶点参数数据带宽将是非常有益的。

正如本领域技术人员所知晓的，基于图块的3D计算机图形系统将渲染表面划分成多个n×m的像素图块。如三角形、直线或点的基元仅仅针对与该基元重叠的图块而被处理。图1中示出在基于图块的3D计算机图形系统中用于平铺（tiling）的主要步骤。

在3D渲染中，包含某些共享顶点的基元和在相似位置中的基元可以及时地连续到达。为了使对于顶点参数数据的存储器访问更有效，基于图块的3D计算机图形系统可以在基元的周围定义图块的边界框，并根据边界框中的图块及其包含的基元来限制引入的基元的数量。这允许来自与这些图块重叠的基元的顶点参数数据被一起组合到基元块中。基元通过索引至这些基元块中的索引来构建。为了控制顶点参数数据的缓冲区大小，这里通常存在着顶点的最大数量和包含在基元块中的基元的最大数量的限制，例如32个顶点和64个基元。图2中示出了来自基元块的数据结构。存在着用于基元块中顶点参数数据的定义（如顶点的数量和基元的数量）的位于开始位置处的基元块报头字，如图2中的20所示。在基元块报头字之后是来自基元块中的许多个顶点的顶点参数数据，如图2中的21所示。

在该方案中，在3D渲染期间，来自基元块的一些基元可以被一些图块引用，而其他基元可以在其他图块中被引用。对基元块中顶点参数数据的访问要求对来自数据流的基元块进行随机访问。而且，基元块中的顶点参数数据可能被需要用于不同图块中的渲染，所以顶点参数数据被一次写入但可以被多次读取。

对3D顶点参数数据压缩算法的常规要求是快速、无损压缩、以及压缩和解压缩算法本身所使用的最小存储器空间。这是因为要求快速和高质量3D计算机图形系统被实施在集成电路中的小硅面积中。

对于基于图块的3D计算机图形系统，顶点参数数据压缩算法的附加要求是具备来自被压缩数据流的随机数据访问以及解压缩中快速且简单的算法的能力。

一些常规无损压缩算法（如霍夫曼编码/解码）需要常规大小的数据缓冲区以执行压缩。这对于具有有限硅面积的3D计算机图形系统来说是不合适的。运行长度编码不需要用于压缩的额外数据缓冲区，但是像其他熵编码算法，数据压缩在连续访问的数据流（如视频显示中的彩色数据流）上被执行。如果在基于图块的3D计算机图形系统中被使用，用于基元块的整个顶点参数数据流必须在任何顶点数据可以被访问之前被解压缩。这对于基于图块的渲染而言是极其低效的，尤其是如果基元块包含覆盖许多图块的巨大三角形，在这种情况下整个顶点参数数据流被解压缩许多次，即使来自基元块的仅一些顶点被使用。

通常，顶点参数数据值在3D计算机图形系统中被存储为32位浮点值。针对浮点顶点数据值使用定点表示可以很好地压缩基元块中的顶点数据。在定点格式中，浮点值可以由整数和固定数量的小数位一起表示。该方法将引起精确度降低，但是可以在来自顶点的X和Y坐标数据上很好地工作。因为计算机图形屏幕上的显示分辨率被固定为像素单元的一部分，因此来自屏幕上所渲染的基元的X和Y坐标被从原始浮点值转换成具有有限分辨率的屏幕值。