[发明专利]一种光照模型系统及实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光照模型系统及实现方法，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/散射等。如果剔除了这些光线关系，物体的立体感不仅会丢失，整体上给人的感觉也会极为不真实，所以，在当今涉及计算机图形技术的各个领域中，对光照的处理尤为重要。

光和物体表面之间的相互作用是一个复杂的物理过程，现在已经提出各种光照模型来模拟该过程，其中一种光照模型模拟了环境光、漫反射光、镜面反射光和发射光效果，其表达式如下：

I=I_atm+I_dif+I_spc+I_emi

=K_aI_a+K_dI_d(N·L)+K_sI_s(N·H)^Ns+I_e   （i）

在公式（i）中,K_a表示材质的环境光反射系数，K_d表示材质的漫反射系数，K_s表示材质的镜面反射系数，I_a表示环境光，I_d表示光源的漫反射分量，I_s表示光源的镜面反射分量，I_e表示物体的发射光部分，N表示物体表面点的法向量，L表示物体表面点指向光源的向量，H为半角向量Ns表示物体表面的镜面指数；

对于公式（i）中(N□H)^Ns的幂次方的运算，可以通过以下方式进行：

令x=(N□H)，y=Ns，a=(N□H)^Ns，则：

x^y=a

log₂x^y=log₂a

ylog₂x=log₂a

令：m=ylog₂x

则：a=2^m

即将幂次方运算转换为硬件容易实现的取对数运算、乘法运算和2的幂次方运算。

传统有许多软件和硬件实现该光照模型的方法，但是存在如下问题：

1、所需时间长：

由公式（i）可知，该光照模型计算复杂，涉及向量操作、幂次方操作等复杂运算，所需时间长即延时长，在实时性要求比较高的场合受到限制。

2、耗费资源多：

由公式（i）可知，该光照模型计算复杂，涉及向量操作、幂次方操作等复杂运算，耗费硬件资源多。

发明内容

针对现有技术所存在的技术问题，本发明公开一种光照模型系统,以实现高速有效的控制，减少硬件资源的消耗，提高了硬件资源的利用率。

本发明还提供上述一种光照模型系统的实现方法。

本发明的技术方案如下：

一种光照模型系统，其中，以下所涉及的模块是通过硬件描述语言Verilog实现的，所述光照模型系统包括：

环境光计算模块、漫反射光计算模块、镜面光计算模块、求和模块、运算单元；所述的运算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、向量计算单元和乘积单元；

所述环境光计算模块：实现光照模型中环境光部分的计算；

所述漫反射光计算模块：实现光照模型中漫反射光部分的计算；

所述镜面光计算模块：实现光照模型中镜面反射光部分的计算；

所述求和模块：实现光照模型的最终效果计算；

所述运算单元：完成光照模型所涉及的各种数学运算，包括倒数平方根运算、取对数运算、2的幂次方运算、乘法运算以及向量的加、减、内积运算；其中，所述运算单元包括：

倒数平方根查找表单元：实现倒数平方根运算；

对数查找表单元：实现取对数运算；

幂次方查找表单元：实现2的幂次方运算；

向量计算单元：实现向量的加、减、内积运算；

乘积单元：实现相关数据的相乘。

根据本发明优选的，所述倒数平方根查找表单元的数量为1个，所述对数查找表单元的数量为1个，所述幂次方查找表单元的数量为1个，所述向量计算单元的数量为2个，所述乘积单元的数量为3个。