基于FPGA的3D图像处理器IP核的设计与实现

摘要

图形处理系统是当代计算机系统的重要组成部分,传统的图形处理系统都采用一片专用的图形处理器GPU来缓解CPU在图形处理方面的负担,而随着人们对众多电子产品图形显示方面需求的不断提高,对于性能方面略逊一筹的嵌入式系统更需要专门的GPU来处理越来越复杂的图形。传统图形处理器GPU的发展已经相对成熟,而研究适合嵌入式系统的高性能GPU却还有许多问题有待解决。因此,关于嵌入式GPU的设计和研究具有重要的意义。
　　 论文在深入了解计算机图形学及相关算法的基础上,回顾了图形处理器及其渲染机制的发展历史,分析了图形系统的组成。论文采用OpenGL作为系统的图形API,选取了21条基本的API命令,定义了它们的渲染列表格式和命令字编码,并以此作为IP核的设计规约。图形管线分为几何和光栅两部分,最终细化为8个模块,分别在四片FPGA上用Verilog语言加以实现。论文对GPU的模块进行了详尽的分析与设计,重点研究实现了几何变换模块的缩放变换和组合变换,光照模块中对两个光源的处理,以及三角形图元的剔除剪切与反走样。
　　 IP核的设计、建立、调试及综合仿真都在QuartusⅡ6.0集成开发环境下面完成,IP核工作频率为50MHz,FPGA的逻辑资源占用率在80％左右,共占用的逻辑单元在60000LE内。最终在验证平台上能够正确执行所选的21条API命令,并能完成对三维物体的平移、缩放、光照计算、剔除剪切以及光栅化等工作。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:图表目录、注释表

第一章 绪论

1.1 图形处理器的发展及现状

1.1.1 图形处理器概念的提出

1.1.2 图形处理器的发展历史

1.1.3 图形处理器的发展现状

1.2 研究嵌入式图形处理器的意义

1.3 课题研究的目标内容及论文章节安排

第二章 嵌入式图形系统的组成一

2.1 图形系统简介

2.2 图形系统渲染机制

2.3 图形应用程序接口

2.3.1 OpenGL在图形系统中的作用

2.3.2 所选API命令的渲染列表格式及其编码的定义

第三章 IP核的图形管线结构设计

3.1 IP核的图形管线结构

3.2 IP核的验证平台

3.3 IP核的硬件设计

3.3.1 FPGA1模块的硬件设计

3.3.2 FPGA2模块的硬件设计

3.3.3 FPGA3模块的硬件设计

3.3.4 FPGA4模块的硬件设计

第四章 IP核几何部分的设计与实现

4.1 IP核所涉及坐标系的介绍

4.2 几何变换模块

4.2.1 几何变换的原理

4.2.2 几何变换的实现

4.3 光照模块

4.3.1 光照的原理

4.3.2 光照的实现

4.4 图元装配模块

4.4.1 图元装配的原理

4.4.2 图元装配的实现

4.5 剔除剪切模块

4.5.1 剔除剪切的原理

4.5.2 剔除剪切的实现

4.6 背面剔除模块

4.6.1 背面剔除的原理

4.6.2 背面剔除的实现

4.7 投影变换模块

4.7.1 投影变换的原理

4.7.2 投影变换的实现

第五章 IP核光栅部分的设计与实现

5.1 光栅化模块

5.1.1 光栅化的原理

5.1.2 反走样的原理

5.1.3 光栅化的实现

5.1.4 反走样的实现

5.2 片段处理模块

5.2.1 片段处理的原理

5.2.2 片段处理的实现

5.3 IP核的功能验证

结论

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文