图形处理器图形管线的研究与实现

论文摘要

随着人们对图形质量和图形处理速度的要求越来越高，单由CPU来进行图形处理已经无法满足要求，必须要由专门的芯片来进行图形数据处理，即图形处理器（GPU）。GPU在PC机中的应用经过数十年的发展，结构和功能上都已经比较完善，但是在GPU在嵌入式设备中的应用才刚刚起步，成本较高，性能不够稳定，因此，研究GPU在嵌入式系统中的应用具有很高的社会意义和经济价值。开发一款图形处理器，需要先确定图形学的算法，然后将算法写成软件库，最后变成硬件图形管线。本文所做的工作是首先提取GPU图形渲染管线的算法并对部分算法进行优化，根据OpenGL的API，用C语言写出各部分算法的图形软件库，最后在开发平台上进行GPU功能的验证。GPU的图形管线是图形系统的核心部分，可以分为几何变换阶段和光栅化阶段，论文分别对其算法进行深入研究，并对纹理映射部分的算法提出了改进方法以减少其走样，然后将提取的算法写成软件库，在开发平台上运行，本文的开发平台采用的是ARM处理器，操作系统选取的是LINUX操作系统，在这个ARM+LINUX开发环境中进行GPU的软件库的功能验证，实现图形处理器功能的软件模拟。本文设计的GPU图形管线软件实现了GPU的常用功能，几何阶段的功能全部都涉及到了，而光栅化阶段中的像素处理的功能现实得还不是很完善。设计的主要内容包括提取算法和功能验证，可以为后续GPU研发的算法优化和硬件部分的设计提供了一个很好软件模型。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 图形处理器的发展史
• 1.2 图形处理器的现状和研究意义
• 1.3 论文的章节安排
• 第2章 图形系统的研究和图形管线的方案设计
• 2.1 图形系统的组成结构
• 2.2 GPU 的体系结构
• 2.3 GPU 的图形管线
• 2.4 图形处理的工业标准的介绍
• 2.4.1 OpenGL/ OpenGL ES 的介绍
• 2.4.2 EGL 的介绍
• 2.5 驱动程序的介绍
• 2.6 论文中图形管线的设计方案
• 2.6.1 图形系统采用的硬件环境的介绍
• 2.6.2 图形系统采用的软件环境的介绍
• 2.6.3 GPU 软件实现的方案设计
• 第3章 图形管线几何阶段的设计和实现
• 3.1 几何变换的算法和实现
• 3.1.1 平移变换
• 3.1.2 旋转变换
• 3.1.3 缩放变换
• 3.1.4 几何变换的实现
• 3.2 光照运算的算法和实现
• 3.2.1 光源
• 3.2.2 物体的材质
• 3.2.3 光照的计算
• 3.2.4 光源的位置
• 3.2.5 光照运算的实现
• 3.3 图元装配的原理分析和实现
• 3.4 背面消隐的原理分析及实现
• 3.5 投影变换的算法和实现
• 3.5.1 正交投影
• 3.5.2 透视变换
• 3.5.3 投影的实现
• 3.5.4 剪裁的原理分析和实现
• 3.6 视区变换
• 第4章 图形管线光栅化阶段的设计和实现
• 4.1 光栅化
• 4.1.1 点光栅化的算法和实现
• 4.1.2 直线光栅化的算法和实现
• 4.1.3 三角形光栅化的算法和实现
• 4.1.4 着色方式
• 4.2 片元的处理的原理分析和实现
• 4.2.1 纹理映射的算法和实现
• 4.2.2 深度测试的算法和实现
• 4.2.3 颜色混合的算法和实现
• 4.2.4 缓存操作
• 第5章 纹理映射部分算法的改进
• 5.1 Mip-Map 的原理分析
• 5.1.1 Mip-Map 的过滤
• 5.1.2 插值运算
• 5.1.3 d 值的求取方法
• 5.1.4 Mip-Map 的缺陷
• 5.2 改进方法
• 5.2.1 改进求 d 的方法
• 5.2.2 长方形区域采集
• 5.2.3 仿真效果
• 第6章 图形系统管线功能的验证
• 6.1 图形系统
• 6.2 图形管线功能的验证
• 6.2.1 几何变换的验证
• 6.2.2 光照的验证
• 6.2.3 剪裁的验证
• 6.2.4 纹理映射的验证
• 6.2.5 着色的验证
• 6.2.6 深度测试与颜色的混合的验证
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读硕士学位期间发表和录用的论文
• 附录 B 图形环境的结构体
• 附录 C 顶点属性的结构体