[发明专利]一种基于表面信号拟合的着色器简化方法、装置及图形渲染方法

说明书

技术领域

本发明涉及图形渲染技术领域，尤其涉及一种基于表面信号拟合的着色器简化方法、装置及图形渲染方法。

背景技术

图形渲染的主要功能是根据给定的待渲染模型，在屏幕上生成(渲染)二维图像。其中，场景物体在屏幕上的形状和位置由待渲染模型本身的几何、相机的方位和参数决定。而待渲染模型在屏幕上的外观则由待渲染模型的材质属性、光源属性、纹理和设置的光照明模型决定。图形渲染的整个流程被分成一系列的阶段，这些阶段之间是线性串联的关系，前一阶段的输出是后一阶段的输入，前一阶段没有完成，则后一阶段不会启动，这种形式称之为渲染流水线或者渲染管线。由于计算性能对于渲染的重要性，当前渲染流水线都由特制的计算机硬件——图形处理单元(GPUs)来专门进行计算。

由于图形技术水平和图形硬件的发展水平的限制，早期的图形渲染大多使用的是固定功能的渲染流水线。所谓固定功能渲染流水线就是预先将渲染管线中各个阶段的功能定义好，在渲染启动时只需要设置管线各个阶段的渲染状态，再将顶点数据送入流水线，整个渲染流程不再施加额外的干预。在这种渲染方式中，管线的功能都已经固化，故称为固定功能渲染流水线。

随着图形技术和图形硬件技术的发展，固定功能流水线已经不能满足人们对高品质画面追求。为了追求更出色的渲染效果，人们将固定管线中的一些阶段进行了改进，使之不再执行固定的功能，而可以通过用户定制的代码来控制这个阶段的操作，实现更丰富的功能。改进过后的渲染流水线称之为定制流水线，也称之为可编程流水线。

在可编程流水线中，由用户定制的代码被称为着色器(Shader)。根据渲染管线不同阶段所提供可定制功能的不同，最新的可编程流水线提供了5种着色器，根据数据渲染的流程，依次为顶点着色器(Vertex Shader)、细分着色 器(Tesselation Shader，包含2种着色器，对于DirectX，细分着色器包括外壳着色器(Hull Shader)和域着色器(Domain Shader)；对于OpenGL，细分着色器包括细分评估着色器和细分控制着色器)、几何着色器(Geometry Shader)和像素着色器(Fragment Shader)。以上5个着色器按照功能可分为3类。第一类着色器是顶点着色器，处理顶点信息。第二类着色器是几何处理着色器，包括几何着色器和细分着色器，用于计算并输出新的几何图元。第三类是像素着色器，其输入为插值后的几何属性并且输出为像素的颜色值。通过这些着色器，渲染流水线中不同阶段的不同硬件资源、不同硬件处理模式被暴露出来可以供用户操作与使用，从而编写具有特定计算功能的着色器程序。

由于可编程流水线所提供的可定制功能的着色器，给使用者提供了广阔的可定制功能，当前的很多应用程序如视频游戏、可视化、高真实感绘制等都依赖于高性能的着色器计算。但是，着色器程序编写的质量很大程度上依赖于程序员的经验。尽管有一些规则和工具集来处理交互式建模和着色器程序优化，整个渲染过程仍然耗时，并且也不是最高效的。因此，人们开展了一些工作进行自动的着色器优化，并且取得了很好的结果。

自动的着色器优化方法，以用户编写的着色器代码和待渲染场景为外部输入数据，通过对着色器代码使用渲染流水线硬件资源的分析与处理，实现对绘制流水线硬件资源的优化配置与调整，实现对待渲染模型渲染结果质量、渲染所需时间以及渲染过程所需显存空间的改变，从而提高图形处理单元(GPUs)的计算性能，满足用户的需要。

一般地，对于整个着色器，最耗时的渲染计算都在像素着色器部分，因此以前的方法主要的目标都在优化像素着色器的计算。Pellacini提供了一个用户可配置的着色器简化方法来进行逐像素的过程建模。程序生成一系列由原始着色器逐步简化生成的着色器。该方法通过对着色器的代码应用指定的简化规则来生成一系列的候选变种，然后评估变种与原始着色器之间度量的差来选择具有最小误差的候选变种。这种选择过程一直循环直到最后的着色器成为了常量。Sitthi-amorn使用遗传编程来自动简化渲染过程。与Pellacini类似，该算法同样计算一系列逐步简化的着色器，但考虑了更多的代码变换规则，包括代码中表达式语句中操作数与操作符的交换、语句的删除和语句的插入等，同时该方法使用遗传算法来选取更多的简化后的着色器，并且也能生成更快的和更可靠 的结果。