[发明专利]用于在多线程图像处理流水线中保持状态数据的上下文数据结构的向量寄存器文件高速缓存

说明书

技术领域

本发明一般地涉及数据处理，更具体地涉及图形图像处理和呈现（rendering）。

背景技术

呈现来自三维场景的二维图像的过程通常被称为图像处理。随着现代计算机产业的发展，图像处理也在发展。图像处理发展中的一个特殊目标是使得三维场景的二维模拟或呈现尽可能地真实。呈现真实图像的一个限制是是现代监视器通过像素的使用来显示图像。

像素是能在监视器上发光的最小空间区域。大多数现代计算机监视器将使用数十万或数百万像素的组合来构成整个显示或呈现的场景。单独的像素被布置在网格图案中，并共同覆盖监视器的整个观察区域。每个单独的像素可以被照亮以呈现用于观看的最终图片。

将真实世界三维场景呈现到使用像素的二维监视器上的一种技术被称为光栅化。光栅化是获取向量格式表示的二维图像（场景中的几何体的数学表示）、并将图像转化为用于在监视器上显示的单独像素的过程。光栅化能够有效地快速呈现图像并使用较低的计算量；但是，光栅化具有若干个缺点。例如，光栅化常常缺乏真实性，因为它不是基于光的物理性质，相反光栅化是基于投射到二维平面的场景中的三维几何体的形状。此外，用光栅化来呈现场景所需的计算能力直接随着要呈现的场景的复杂度增加而变化。随着图像处理变得越真实，要呈现的场景也变得越复杂。因此，光栅化随着图像处理的发展而受到困扰，因为光栅化直接随着复杂度而变化。

将真实世界三维场景呈现到使用像素的二维监视器的几种其他可选技术是基于更真实的物理建模来开发的。一种这样的物理呈现技术被称为光线跟踪（ray tracing）。光线跟踪技术跟踪假想的光线传播到要在计算机屏幕上呈现的三维场景中，该光线和光的光线表现类似。光线源于坐在计算机屏幕后面的观察者的眼睛，并向着三维场景穿过构成计算机屏幕的像素。每条被跟踪的光线进入到场景并可与场景中的物体相交。如果光线和场景中的物体相交，该物体的属性以及若干个其他影响因素被用来计算光线所暴露于的颜色和光的量或其缺失。这些计算然后被用来确定被跟踪的光线所经过的像素的最终颜色。

光线跟踪的过程针对单个场景会执行很多次。例如，可以针对显示器中的每个像素来跟踪单条光线。一旦有足够数量的光线已被跟踪以确定构成计算机屏幕的二维显示的所有像素的颜色，三维场景的二维合成可以在计算机屏幕上被显示给观察者。

光线跟踪典型地比光栅化更真实地呈现真实世界三维场景。这部分是由于光线跟踪模拟了光在真实世界环境中如何传播和表现，而不是和光栅化那样简单地将三维形状投射到二维平面上。因此，使用光线跟踪来呈现的图形在监视器上更准确地描绘了我们的眼睛在真实世界中习惯看到的东西。

此外，在场景变得更复杂时，光线跟踪也比光栅化更好地处理场景复杂度的增加。光线跟踪随场景复杂度成对数地变化。这是因为即使场景变得更复杂，相同数量的光线被投射到场景中。因此，光线跟踪不会像光栅化那样在场景变得更复杂时受计算能力需求的困扰。

但是，光线跟踪的一个主要缺点是呈现场景所需的大量计算以及相应的处理能力。这在需要快速呈现时，例如，当图像处理系统要实时呈现图形以用于例如游戏机中的动画的时候，会带来问题。由于用于光线跟踪的增加的计算需求，足够快地呈现动画以显得真实是困难的（真实的动画每秒大约二十到二十四帧）。

但是，随着半导体技术在时钟速度方面的持续改进以及并行性的使用增加，光栅化对于更复杂的图像变得可行，并且使用物理呈现技术例如光线跟踪来实时呈现场景成为光栅化的更为可行的替代。在芯片级别，多个处理器内核通常被置于同一芯片上，以与分离的处理器芯片、或者在一定程度上与完全分离的计算机基本相同的方式运行。此外，即使在内核中，通过使用专门用于处理特定类型操作的多个执行单元，并行性也被使用。基于硬件的流水线在很多情况中也被使用，从而可能占用多个时钟周期的某些操作被分解为阶段，使得在较早的操作完成之前其他操作能被启动。多线程也被用来使多指令流被并行处理，使更多总体工作能在任何给定时钟周期内被执行。

无论是执行基于光栅的还是物理的呈现以呈现用于场景的图像数据，并行性使用的增加对在并行的多线程架构中保持一致状态带来了一些挑战。例如，传统的图形软件应用编程接口（API），作为被应用程序调用以控制呈现过程的例程库（例如OpenGLTM和DirectXTM），不是被特别设计来管理多线程环境中的状态数据的。单线程图形代码（从应用程序的角度）假设每个操作的单一一致状态，并且因此，传统的图形软件API典型地期望函数调用执行保持顺序，这转而需要混杂的状态变量函数调用和绘图函数调用保持顺序。