[发明专利]一种实现光线追踪的硬件设计架构

说明书

技术领域

本发明涉及一种实现光线追踪的硬件设计架构及方法，属于利用集成电路设计实现计算机图形学技术的技术领域。

背景技术

任何物体处在自然环境之中都要与周遭的光线发生关系，最基本的包括反射、折射、漫反/散射、透射等。如果没有这些光线关系，不仅物体的立体感丢失，而且物体整体上给人的感觉也极不真实，所以，在当今涉及计算机图形技术的各个领域中，光照处理尤为重要。

光和物体表面之间的相互作用是一个复杂的物理过程，现在的图形处理器是用光栅化方法进行处理，但是无法得到高真实感的图像。光线追踪算法能够对该过程进行模拟，从而产生具有高度真实感的图像，在计算机3D图形处理中占有重要地位。其基本原理如图1所示。

光线追踪算法的跟踪方向与光传播的方向相反，从我们的眼睛出发经过屏幕上的一点(像素)形成一条光线E₁，该光线E₁与场景中的物体相交于一点P₁，根据法线方向得到E₁关于P₁点的反射光线R₁和透射光线T₁，继续追踪R₁和T₁直到R₁和T₁跑出场景或者R₁和T₁达到设定的最大深度值，然后根据追踪到的各个交点的属性和光源属性确定光线E₁在P₁点处总的光强I，其表达式如下：

I＝I_local+I_sK_s+I_tK_t         i

式i中,I_local表示交点处由光源直接光照产生的局部光照强度，I_sK_s表示反射方向上由其他物体引起的间接光照强度，I_s通过对反射光线的递归跟踪得到，K_s表示材质的间接反射系数，I_tK_t表示折射方向上由其它物体引起的间接光照光强，K_t表示材质的间接折射系数。

传统有许多软件和硬件实现光照处理的方法，但是存在如下问题：第一，光照效果不真实：传统的光栅化方法实现的光照处理虽然已经很大程度上对光线与物体的交互进行了模拟，但是，其拟合程度是有限的。此外，光栅化方法需要进行复杂的操作才能实现某些光照效果。第二，处理速度慢：由式i可知，该光线追踪算法计算复杂，涉及多条光线的递归，所需计算量大，传统软件和硬件实现光照追踪的算法所需时间长即延时长，在要求实时性的场合受到限制。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明公开了一种硬件设计架构，所述硬件设计架构实现了光线的追踪,并实现快速的3D场景图形渲染，提高图像真实感，达到实时性要求。

本发明还公开了上述硬件设计架构的实现方法。

本发明的技术方案如下：

一种实现光线追踪的硬件设计架构，包括模块单元、三角形属性存储器、浮点数处理单元及通用寄存器，所述模块单元、所述浮点数处理单元及所述通用寄存器依次连接，所述通用寄存器连接所述模块单元，所述模块单元包括视见系统建立模块、光线存储器、光线产生模块、光线与三角形相交测试模块、三角形插值模块及渲染模块；所述视见系统建立模块、所述光线存储器、所述光线产生模块、所述光线与三角形相交测试模块、所述三角形插值模块及所述渲染模块依次连接，所述光线与三角形相交测试模块与所述渲染模块连接。

所述视见系统建立模块、所述光线产生模块、所述光线与三角形相交测试模块、所述三角形插值模块及所述渲染模块是通过硬件描述语言Verilog实现的。

根据本发明优选的，所述浮点数处理单元包括倒数平方根查找表单元、对数查找表单元、幂次方查找表单元、加法单元、乘积单元及比较单元。