几何变换系统的硬件研究与FPGA实现

摘要

近年来，计算机图形学应用越来越广泛，尤其是三维(3D)绘图。3D绘图使用3D模型和各种影像处理产生具有三维空间真实感的影像，应用于虚拟真实情况以及多媒体的产品上，且多半是使用低成本的实时3D计算机绘图技术为基础。在初期，所有关于图形的计算都是由图形处理单元(GPU，Graphic Processing Unit)来完成了，但是随着3D图形学的发展，计算量越来越大，若所有计算工作仍然都由GPU来达成，那么将会使得其应用效能下降，无法满足今日这些实时的应用程序的需求。所以，需要利用其它技术来辅助加快处理速度，以提升整体效能。 通常加快算法处理速度的方法，是使用更快速的处理器、利用并行性和专门的硬件结构等，随着数字电路技术的发展，尤其是在FPGA方面的快速进步，让我们可以尝试另外一条途径。 3D绘图流程大致分为：几何转换子系统(Geometry Subsystem)和着色子系统(Render SIJbsystem)，而本论文主要定位于几何转换子系统的研究，尝试进行该部分的硬件描述语言实现，并希望借次推广到整个GPU单元的实现，本文主要特色表现在： 1、针对几何转换子系统，提出一种硬件实现方案，该方案能对基本的几何变换如：平移、缩放、旋转和投影进行操作。首先构造出总体变换矩阵，随后进行矩阵乘法运算，再进行投影变换，最后输出变换座标。 2、设计实现了单精度浮点数加法器和乘法器。图形学变换中需要进行大量的浮点数运算，最基本的运算是浮点数加法器和乘法器。这两个模块的实现是实现整个几何转换系统所必须的。 3、提出一种脉动阵列结构，用于两个矩阵的乘法运算。找到一种快捷的方法来实现矩阵相乘，将能大大提高系统的效率。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明

第1章绪论

1.1计算机图形学发展概述

1.2本文使用工具介绍

1.2.1软件

1.2.2硬件

1.3课题背景及意义

1.3.1真实感图形绘制

1.3.2研究意义

1.4本文的主要研究内容和结构安排

第2章3D图形硬件相关研究

2.1引言

2.2 3D绘图硬件的设计目标

2.3标准3D绘图着色管线

2.3.1 3D几何管线

2.3.2 3D座标变换介绍

2.4 3D图形硬件

2.4.1图形处理单元

2.4.2 FPGA作为替代和辅助

第3章浮点运算单元

3.1引言

3.2 IEEE单精度浮点数

3.3参数化的底层模块

3.4浮点数加法器

3.4.1模拟与仿真

3.5浮点数乘法器

3.5.1模拟与仿真

3.6本章小结

第4章几何变换系统的设计

4.1引言

4.2几何变换硬件架构设计

4.3矩阵构造单元

4.4三角函数查找表

4.5矩阵乘法器设计

4.5.1矩阵乘法的算法分析

4.5.2脉动阵列结构

4.6综合分析

4.7本章小结

第5章总结与展望

参考文献

附录A攻读硕士学位期间发表的论文及参加科研情况

附录B相关VHDL程序

致谢