Архитектура масштабируемого семейства встраиваемых модулей формирования изображений

УДК 681.3

В. В. ШИШКИН, В .В. УЛЫБИН, А. А. БОРИСОВ

АРХИТЕКТУРА МАСШТАБИРУЕМОГО СЕМЕЙСТВА ВСТРАИВАЕМЫХ МОДУЛЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ

Рассматривается архитектура высокопроизводительной системы синтеза трехмерных изображений в режиме реального времени. Приведена методология построения масштабируемых графических систем с учетом специфики области применения.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время актуальной является проблема разработки электронных систем синтеза и отображения графических изображений в реальном времени с высокой реалистичностью. Такие системы необходимы для создания различного рода электронных индикаторов и приборных панелей. В статье предлагается архитектура масштабируемого семейства модулей формирования изображений (МФИ), позволяющая решить данную задачу на современном уровне развития микропроцессорной техники. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Современный уровень развития электронной техники позволяет перейти на качественно новый уровень представления графической информации, что является чрезвычайно важным для управления сложными техническими объектами в реальном времени. Анализ информационного наполения различных приборных панелей показал, что для их синтеза и отображения на жидко-кристаллических индикаторах (ЖКИ) и электроннолучевых трубках (ЭЛТ) достаточно ограниченного множества примитивов и команд графического стандарта OpenGL. Проведенный анализ известных реализаций систем формирования изображений в свою очередь показал, что ни один существующий универсальный микропроцессор не может обеспечить обработку требуемых изображений в реальном масштабе времени. Кроме этого при промышленном производстве приборных панелей требуется иметь одну архитектуру, которая позволит в ее рамках с минимальными модификациями проектировать и выпускать панели под конкретные требования. Исходя из вышеизложенного ставится задача разра-ботки данной архитектуры. АРХИТЕКТУРА МФИ

Визуализация трехмерных объектов подразумевает реализацию следующих операций:

1- геометрические преобразования, связанные с проекцией объектов на экран;

2- генерирование каркасов объектов;

3- вычисление характеристик освещения и отражения поверхностей объектов;.

4- вычисление цвета и яркости каждой точки изображения с учетом условий освещения и текстуры поверхностей объектов;

5- заполнение граней изображений объектов соответствующими текстурами;

6- суммирование изображений с целью создания спецэффектов.

Исходя из этого, а также учитывая требование создания масштабируемого семейства модулей формирования изображения, в рамках которого можно минимизировать затраты на модификацию при масштабировании системы, для реализации МФИ необходимо использовать специализированный микропроцессор с аппаратной поддержкой матричных операций и специализированный графический ускоритель, выполненный на базе программируемой логической матрицы. Использование такой структуры за счет перестройки графического ускорителя под конкретный набор функции (двумерных, трехмерных) обеспечивает гибкость и расширяемость системы при сохранении общей структуры и программного обеспечения. Структурная схема масштабируемого МФИ приведена на рис.1.

МФИ включает следующие узлы со своими функциями: -центральный процессор решает общие задачи управления, предпускового и текущего контроля;

-графический процессор решает задачи синтеза изображения, текстурирования, геометрических преобразований и строится на основе матричного сопроцессора и/или программируемой логической матрицы;

-интерфейсный блок осуществляет взаимодействие МФИ с центральным внешним процессором;

-основная память обеспечивает функционирование ОС и программного обеспечения;

-видео ОЗУ обеспечивает хранение изображения и организации z-буфера; -контроллер дисплея осуществляет передачу сформированного изображения на ЖКИ или ЭЛТ;

-альфа- и гамма- фильтры выполняют цветовую коррекцию входного изображения;

-схема ввода и формирования растровых изображений осуществляет ввод и обработку внешней графической информации.

Снижение требуемого объема оборудования при одновременном повышении производительности системы синтеза изображений может быть достигнуто путем структурной специализации системы в целом (общий алгоритм синтеза) и основных устройств (алгоритмы конкретных задач). Ддя

увеличения общей производительности устройства предлагается использовать конвейерную структуру графического процессора и распараллеливание процессов синтеза изображений, с учетом реализации метода прямой трассировки лучей.

Для обеспечения реалистичности изображений следует в качестве геометрических примитивов использовать криволинейные поверхности, обладающие более высокими, чем полигоны, изобразительными возможностями

Елок мод, и Якдениршпита

п^фиг-ых изображений

>

№

1

Рно.1, ^ти'ятуркля скеиа МФИ

Для достижения высокой производительности алгоритмы выполнения основных графических операций выбираются исходя из их максимальной эффективности. При этом разные графические операции могут выполняться над примитивами, имеющими разные формы описания, в различных координатных системах. В случае применения метода прямой трассировки примитивы развертываются в разных системах координат по одному и тому же закону, а обмен информацией между системами координат объединяет графические операции в единый процесс отображения.

Структура графического конвейера, разработанная на основе приведенных соображений, изображена на рис.2. Структурная схема включает в себя графический процессор, буфер кадра (БК), каналы обработки растровой информации, а также генератор символов. В состав графического процессора входят параллельно работающие блоки: текстурный (ТП), атрибутный (АП), геометрический (ГП) и фрагментный (ФП) процессоры. Их взаимоействие обеспечивает блок синхро-

Рис.2. Структурная схема графического конвейера Атрибутный процессор развертывает примитив в его системе координат (СКП). В процессе развертывания определяется видимость и освещенность каждой текущей точки примитива. Для этого в СКП переводятся точки размещения наблюдателя и источников света. Для расширения изобразительных возможностей МФИ из примитивов могут выделяться фрагменты различной формы. Для получения фрагментов примитивы переводятся в систему координат фрагментов (СКФ) с подходящими наклонами и смещениями, а затем ограничиваются в СКФ поверхностями простой формы, например, координатными плоскостями. Это выполняется в ФП.

Геометрический процессор развертывает примитив в системе координат наблюдателя (СКН), где учитываются параметры динамики примитива (перемещения, повороты) и его отображение в перспективе. Перспективное преобразование выполняется над характерными точками примитива, например, для сплайнов -над вершинами опорного многогранника. Тем самым примитив в СКН трансформируется по закону перспективы, что позволяет заменить центральное проецирование его текущих точек более простым параллельным проецированием. Кроме того, над трансформированным таким образом примитивом в СКН легко выполняется операция отсечения, так как пирамида видимости заменяется параллелепипедом видимости. Из атрибутного и фрагментного процессоров геометрический процессор получает признаки видимости текущих точек примитива и для видимых точек формирует адреса на экране и удаленность от наблюдателя (глубину) в СКН. Синхронно с развертыванием рельефа примитива в системе координат текстуры (СКТ) происходит декомпрессия его предварительно упакованной текстуры нужного уровня точности текстурным процессором. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основным результатом работы является архитектура масштабируемого семейства модулей формирования изображения для встраиваемых систем. Разработана структурная схема МФИ и детализирована структура графического конвейера. Предлагаемая система обладает высоким уровнем параллелизма обработки графической информации, что позволит работать с трехмерной графикой в реальном режиме времени.

Шишкин Вадим Викторинович, кандидат технических наук, окончил радиотехнический факультет Ульяновского политехнического института, доцент кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы». Имеет статьи в области компьютерных и информационных технологий с приложениями в САПР и моделировании.

Улыбин Виталий Вячеславович, окончил факультет информационных систем и технологий Ульяновского государственного технического университета, аспирант кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы».

Борисов Александр Александрович, окончил факультет информационных систем и технологий Ульяновского государственного технического университета, аспирант кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы».