专利名称：高速电脑多边形剪裁跟踪器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高速专用型电脑的图像处理方法及其硬件装置。
高速电脑在图像产生过程中，视锥同时在复杂的三维空间中运动，多边形构成的空间与视锥产生相割或不相割的情况;传统图像处理方法都以代数计算这些割点所在位置，当多边形完全在锥外时，大部分的计算将成为白费。
若将构成图像的每一多边形皆剪裁成三角形，并以三角形为基础，每一三角形被视窗切割后所生成新的多边形再被重划为多个三角形，将各多边形或各三角形的边名、点名，新切割所生成出的边名、点名，一组组存放于高速存储器内，以配合微程序控制的代数运算器，如此即可避免不必要的计算，在早期排除不需计算的状态，使电脑提高运算效率。本发明即是为达此目的而设计的一种高速电脑的图像处理方法及其硬件装置。
高速电脑的图像处理器，为了求得在视觉暂留瞬间来产生场景，速度要求非常严苛，所以本发明以专用硬件来提高电脑性能。
本发明的主要特征是运用一组高速存储器，将构成图像的每一多边形(或多数三角形)的边名、点名，与新切割所生成的边名、点名，一组组存放在高速存储器中，以配合微程序控制的代数运算器，早期排除不需计算的状态，使电脑能提高运算效率。
本发明可正确掌握动态视点所产生的即时逻辑状况(即三维图像与视锥所形成各类型的切割)，协助微程序转移，以及更进一步将计算结果存放至暂存器堆(即代数运算器上游的暂存器堆(RegisterFiles))的正确地址，使得后续的像素(Pixel扫描点)计算，形成顺畅的多级向量流水线(注一)处理。
本发明的上述互动智能产生地址、寻找地址，全都利用计算部件忙于其他动作的间隙完成，不产生任何微程序休止等待的情况。
本发明适用于三维、二维高速图形产生专用硬件，它的逻辑设计适用于ECL、TTL、CMOS等各种逻辑控制闸形成的线路板，及专用芯片ASIC。
附图简单说明
图1 表示本发明图形处理控制硬件方框图。
图2 为本发明的信息选择通路逻辑方框图。
图3 为本发明的边名缓存器逻辑方框图。
图4 为本发明图形处理示意图。
图5 为本发明图形处理方向示意图。
图6 为本发明四角视锥与九个逻辑区号标志示意图。
图7 为本发明暂存有关三角形信息的示意图。
以下配合附图及实施例结构详细说明本发明如后本发明的高速电脑多边形剪裁跟踪器包括由一边名缓存器11、信息选择通路12、三角形区位标志缓冲器13、一三角形处理控制逻辑14、一裁剪状况硬件15、一逻辑标志输入端的移位器16、与一裁剪控制逻辑17所组成的如图1中所示的方框图。
在图1中，边名缓存器11用作接收基本体(Primitive Library)(注二)送来的三角形边信息，在处理时，不中断地读出三角形的有关信息，通过信息选择通路12得到微程序所需信息并回送至边名缓存器11，详图如图3中所示。(图3中的PPE更新RAM见注三)。
信息选择路12详如图2中所示，其主要功能是在微程序运行时送出一些控制信号，正确选出暂存器堆的地址、页数，其中PPA、PPB、PPC等是切割而生的新边信号，回送至边名缓存器11。图2中所示的信息选择通路显示一个三角形，除了三个角顶的X、Y、Z之外还有边名和相夹的两点，图中PPA、PPB等意指端点名、尾点名与边名。(图中Ptail与Phead名见注四)。
三角形区位标志缓冲器13将SIGN输入端的信号，即代数运算部份算出在视锥某一边界之内或外的逻辑标志，经该移位器16送至此区位标志缓冲器13;区位标志缓冲器13采用四角锥、九个区位(注五)，每一区位四个逻辑信号以标志裁剪，在裁剪过程中将其暂存以备使用。三角形每个点所在区位，在座标转换过程中根据Local name(局部名)的名存入此缓冲器13的RAM中，且在裁剪过程中割出的新点，它会给予新的Local name，并根据新名存入RAM。
裁剪状况硬件15主要功能是藉此决定一个三角形是否需要裁剪，对哪个面裁剪，以及对裁剪的过程状态判断。
裁剪控制逻辑17详如图3中所示，主要是对三角形或剪裁过程中得到的多边形各边进行检查，判断出此边是否需要剪裁，不需剪裁的边则跳过，取下一条边进行检查;若需剪裁，是剪掉头或是剪掉尾？并控制信息选择通路12及边名缓存器11以产生剪裁后的新边及新点，并将新边名及新点名存入缓存器11。此裁剪控制逻辑17根据另一个多元逻辑分岔器(注六)，及微程序送出的命令与三角形状态，输出控制信号至分岔器，控制微程序的转移。图3中，LDPPE意指准予送进PPE信息群，BCLP意指剪裁前一步，AB意指抛弃，BT意指重分割三角形，CLIP意指剪裁，WRC意指“写”计数器Enable(启动)。
如上所述的本发明具有如下功能(1)暂存(注七)有关三角形的信息，对其合理使用。
(2)与多元逻辑分岔器配合，控制三角形代数处理的程序方向。
(3)完成三角形剪裁逻辑运算。
(4)形成下游扫描点处理器的数据流控制信号。
因此，本发明的多边形剪裁跟踪器能配合微程序控制的代数运算器，早期排除不需计算的状态，使电脑能提高运算效率;本发明更可正确掌握动态视点所产生的即时逻辑状况，协且微程序转移，形成顺畅的多级向量流水线处理;在运算时，利用计算部件忙于其他动作的间隙完成，不产生任何等待的空间，而能达实时系统(Real time system)目的。
本发明可供应用于三维、二维(3D或2D)高速图形产生专用硬件，它的逻辑设计适用于ECL、TTL、CMOS等各种逻辑控制门形成的线路板，及专用芯片ASIC。
本发明对所有用多边形表达的图形产生器皆有相同功效。
＃注一多级向量流水线即Pipeline Vector Processor，超级电脑所常见的阵列处理器Array Processor)各自独立平行运作，靠多级锁存器(Latch)把运算分成多级，提高时脉速度，流水线输出。
＃注二基本体图形学中用一个几何形体，经过转换得到另一形体，例如长方体，可用一正方体在X、Y、Z三方向乘上不同比例数而得，一椭圆体可将球体经过转换而得，一根油条可由多角柱经过应力张量(Stress Tensor)旋扭而成。在此，正方体、球体、多角柱都被称为基本体，存于图形库供使用。
＃注三PPE更新RAM请参阅图4所示，点1与点2都被截头去尾，形成点1′与点2′，边1、2和边1′、2′是同样的。此时原三角形1、2、3变成了五边形1′、2′、3′、4′，由于硬件设计立足于三角形，所以1′成为新锚点，重划割三角形1′、2′、3′，三角形1′、3′、3，三角形1′、3′、4′。这时新边2′、3′，新边3′、1′，新边4′、1′都要被存起来，放在更新RAM。PPE意指点尾、点头、所夹边名。
＃注四Prai/Phead点处理是有方向性的(请参阅图5所示)，从点1向点2进行如同箭头，点1是Ptail，点2是Phead;在裁剪发生时，若尾点被截除，新割点即为Ptail Save(Ptail保存)，若头点被截除，新割点即为Phead Save(Phead保存)。
＃注五四角锥与九个逻辑区号标志请参阅图6所示，视点到显示幕的四个角顶，形成一个视角锥，取显示幕的平面，则有「井」字分区九块，三角面(或多边形面)若落在视锥之外，其投影必落在中间区(斜线区)之外，不必处理，可抛弃之;若完全落于视锥中，则不需剪裁，全部保留;若一部分在视锥外，一部分在视锥内，则投影后的三角形部分在斜线区内部份在斜线区外，这时产生多种状态的剪裁，如何剪裁则视各点落于哪一区位，所以每一点要经过代数运算部件之计算，检查在上限之上或下，在下限之上或下，在左限之左或右，在右限之右或左，如此得到四个区号标志。
＃注六多元逻辑分岔器微程序(Microcode)有许多短的子程序，从一个转折到另一个时，往往有二十多个逻辑状态参数，如果一个一个的检验势必让计算部件等待二十多个时脉，破坏了实时系统，多元逻辑分岔器最重要的一点就节省时间，设计可使计算部件全速进行，即如同市区中交通标志，总在我们行驶到时，及时转为绿灯，不必等待就会转折到正确的路线，这样保障了代数处理流水线不致中断。
＃注七暂存有关三角形的信息三角形的信息除了包括三顶点的三维几何座标值，还有各点的点名、两点所夹的边名、点的走向(如果1→2→3，此三角面迎向着我们，此面可见，如果1→3→2，则此三角面向后，我们看不见，不必处理，信息可扬弃，即如图7所示)，以及此三角面是仅仅表达平面？还是表现曲面的一个单位(即Flat Smooth)？这牵涉到单一法线还是三个法线，影响到阳光照射到此面所产生的光强分布值，这些信息要暂存于Index RAM(索引RAM)之中。
权利要求
一种高速电脑多边形剪裁跟踪器，使用于三维或二维高速图形产生专用硬件，其逻辑设计适用于ECL、TTL、CMOS各种逻辑控制闸形成的线路板，及专用芯片ASIC，更能有效使用于以多边形表达的图形产生器；其方法为将构成图像的每一多边形皆剪裁成三角形，并以三角形为基础，每一三角形被视窗切割后所生成新的多边形，再被重划为多数三角形，将各多边形或各三角形的边名、点名，新切割所生成出的边名、点名，一组组存放于高速存储器内，以配合微程序控制的代数运算器，避免不必要的计算，早期排除不需计算的状态，使电脑提高运算效率，达到即时产生复杂三维图形的目的；其特征在于，该硬件设备包括有边名缓存器、信息选择通路逻辑、三角形区位标志缓冲器、三角形处理控制逻辑、裁剪状况硬件、逻辑标志输入端的移位器、与一裁剪控制逻辑；其中边名缓存器，用于接收基本体送来的三角形边信息，在处理时不中断地读出三角形的有关信息，通过信息选择通路得到微程序所需信息并回至边名缓存器；信息选择通路逻辑，用于在微程序运行时，送出控制信号，正确选出暂存器的地址、页数，回送至边名缓存器；三角形区位标志缓冲器，将代数运算部件算出在视锥内、或外的逻辑标志，经该移位器送至此区位标志缓冲器；区位标志缓冲器采用四角锥、九个区位，每一区位四个逻辑信号以标志裁剪，在裁剪过程中将其暂存于RAM以备使用；裁剪状况硬件，用以决定一个三角形是否需要裁剪，对哪个面裁剪，以及对裁剪的过程状态判断；裁剪控制逻辑，用以对三角形或剪裁过程中得到的多边形的各边进行检查，判断出此边是否需要剪裁，不需剪裁的边则跳过，取下一条边进行检查；若需剪裁，是剪掉头或是剪掉尾？并控制信息选择通路及边名缓存器以产生剪裁后的新边及新点，并将新边名及新点名存入缓存器；此裁剪控制逻辑根据另一个多元逻辑分岔器，及微程序送出的命令与三角形状态，输出控制信号至分岔器，控制微程序的转移；藉此硬件设备可供使用于高速电脑的图像处理，并大幅提高电脑的图像运算性能。
全文摘要
高速图像器为求视觉暂留瞬间来产生场景，速度要求非常严苛，本发明以专用硬件(将三维空间的物体以三角形为基础)，使一个三角形被视窗切割后所生成新的多边形再被重新划分为多个三角形，将不需要的计算藉逻辑方法早期排除，提高性能，达到即时产生视景的目的；且此一发明能自动跟踪复杂图像变化情况，给运算部件正确指示。
文档编号G06T11/00GK1104792SQ9410302
公开日1995年7月5日 申请日期1994年3月15日 优先权日1994年3月15日
发明者杨高雄 申请人:杨高雄