[发明专利]一种用于3D图学渲染加速的FPGA芯片

说明书

技术领域

本发明涉及3D图学渲染技术领域，尤其涉及一种用于3D图学渲染加速的现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)芯片。

背景技术

3D图学渲染技术是现今3D计算机图学(3D Computer Graphics)的应用中需求性最高的技术。这个技术的最高诉求是在实时应用中产生真实的视觉影像。朝着这个方向，3D图学渲染技术的实现至今有3种方式：1.基于CPU或图形处理器(Graphic Processing Unit，GPU)的3D图学渲染技术。2.基于专用集成电路(Application Specific integrated Circuit，ASIC)芯片固定逻辑的3D图学渲染技术。3.基于FPGA芯片可重构逻辑的3D图学渲染技术。

在许多的大规模的3D应用中，最耗时间的任务是将3D影像的视觉信息表达在2D的平面上。尤其是在将如3D工业设计、3D动画、3D电影特效编辑的工具用在大规模、复杂的绘图设计(例如飞机、汽车的模型设计)上，能够迅速完成切面(Cutting Plane)、模型合并(Model Interrogation)、复杂着色(Sophisticated Shading)是一个基本的关键操作。这些不同的3D图学应用有一个共同的技术要求：高速的3D数字信号处理功能。在罗聪翼著的《Blender权威指南》书第7章第5节《渲染农场》中叙述：著名的电影特效工作室Weta Digital在制作电影《2012》(注：2009年美国科幻灾难片)的过程中，花费在单帧画面上的渲染时间平均为20个小时，而整个地震场景的特效帧数超过7000帧，所以总共的渲染时间大约为141,120小时。

根据Wikipedia报导，现在3D应用市场上的3D图学工具几乎全由基于光栅法的系统(Rasterization-Based System)。这个系统的软件部分由OpenGL API(www.opengl.org)的库函数以及它们的应用组成，硬件部分全是CPU、GPU以及少数设计使用的专用定制芯片。自70年代开始至今，随着CPU芯片(以Intel公司为首)与GPU芯片(以Nvidia公司为首)设计技术以及超深亚微米工艺(Ultra-Deep Submicron Processing Technology)芯片制造工艺的高度发展，基于光栅法的3D图学工具的品质与操作速度有特别的进步。光栅法3D图学系统的优势在于产品开发的周期短以及高度灵活性，但由于它的操作本质上是指令级串行执行的方式，速度的上升远远跟不上超深亚微米工艺根据摩尔定律(Moore’s Law，工艺进步带来的芯片逻辑密度每18个月翻一倍)的进步。迄今为止，经过了40年的努力，光栅法3D图学应用的速度仍未达到实时应用的要求。近10年来，一些利用多核与配合CPU的定制硬件的光栅法系统报导略超过每秒24帧的视频效果，但它们的开发周期漫长而成本昂贵。

光栅法系统的图学设计是一个由设计者操纵的画板式绘图技术(Painter’s Algorithm)。它的效果是一个人的3D视觉以人为模拟的方式表达为2D画板上绘画的结果，而并非真实光学物理现象的仿真。

自70年代，一个基于物理光学的光线跟踪法出现，企图得到一个物理上逼真的视觉效果，将光学中的反射、折射、透视与阴影的物理现象利用几何光学的射线法计算出来。由于光线跟踪法本质上避免了不可见部分的跟踪，计算量是物体复杂度的对数函数，与光栅法计算量是情景复杂度的线性函数相比，在针对复杂情景的3D图学应用中有明显的优势。但是它的计算量对现今的计算机软件运行速度而言是过分大的负担。

自2001年开始，德国萨尔大学(Saarland University)由Philipp Slusallek教授带领的计算机图学小组研究以基于光线跟踪法的硬件平行计算架构来实践3D图学建模与渲染。在2006年9月的美国犹他州举办的IEEE会议(IEEE Symposium on Interactive Ray Tracing)上，该小组宣布了一个实时光线跟踪的ASIC芯片设计，可以达到每秒200帧高品质的画面。根据德国汽车公司Volkswagan报导，该芯片技术已为汽车工业提供一个新的汽车模型的可视化设计方法，避免了昂贵耗时的原型设计，使得汽车工业的设计成本与产品上市周期降低30％。