[发明专利]一种GPU上针对延迟着色反走样绘制的优化方法

说明书

本发明公开了一种GPU上针对延迟着色反走样绘制的优化方法。本方法为：1)在几何绘制阶段中，将三维场景中的三维图元变换到屏幕空间执行光栅化操作以及深度测试操作，形成与屏幕空间像素位置对应的多个离屏缓冲区；2)绘制与屏幕等大的多边形并使得多边形在光栅化过程中填充整个屏幕，在像素处理器中首先对所有不需要多重采样处理的像素计算光照，丢弃每一需要多重采样处理的像素并记录该像素的位置；3)计算2)中记录的像素的光照；4)将2)计算的单采样像素的光照和3)计算的多重采样像素的光照进行合成，得到该三维场景的光照绘制结果。本发明提升了整个绘制中光照计算的效率。

技术领域

本发明涉及一种GPU上针对延迟着色反走样绘制的优化方法，属于计算机软件技术、计 算机图形学、虚拟现实技术领域。

背景技术

延迟着色技术是为了解决正向绘制方法中大量的重复像素计算而发展出来的一项技术， 它的核心思想是将三维图元的光栅化操作和光照计算分离。该方法分为两个阶段，几何绘制 阶段和光照计算阶段。

在几何绘制阶段中，场景中的三维图元(或称为三维几何图元，含多边形、参数表面等) 经过正常的模型视图变换和投影变换到屏幕空间执行光栅化操作以及深度测试操作，但是在 光栅化之后形成的像素处理过程中(即像素着色器或者片元着色器)不执行光照计算，而只是 将光照计算用到的所有参数—如位置、法向、材质等信息—记录在若干离屏缓冲区中。这一 组离屏缓冲区称为“几何缓冲区”(G-Buffer)。几何绘制阶段结束后，几何缓冲区中每个像素存 储了该像素上离视点最近的(即最终可见的)三维图元的光照参数。

第二步光照计算阶段对几何缓冲区的每一个像素进行光照计算，将光照计算结果输出到 帧缓冲并在显示设备上显示或者将结果输出其它离屏缓冲区上，这一步得到真正的具有颜色 属性的绘制结果。

走样(aliasing)现象泛指一切由于采样率低于信号的分辨率而导致的显示效果失真现象。 多重采样技术主要解决的是在由于显示设备的像素分辨率不足导致的多边形边缘产生锯齿的 走样问题，因此也称为多重采样抗锯齿技术。该技术不仅可以处理单个多边形(含三角形、 四边形等多边形)光栅化产生的边缘锯齿，也可以处理多个多边形彼此相交时在交线处产生 的锯齿。

该技术与超级采样技术相似，通过提高像素分辨率，即屏幕空间的空间采样分辨率来实 现抗锯齿的目的。无论是超级采样还是多重采样，每一个像素通常会根据模板产生多个采样 点(也就是一个像素包含多个采样点)，但是与超级采样不同的是，多重采样在光栅化阶段， 对每个多边形覆盖到的每个像素只产生一份像素数据(传统上也称颜色数据)，多重采样中只 有深度信息和覆盖率信息需要每个采样点分别计算。这样可以减少大量透视插值操作，也可 以大大减少像素着色器的执行次数，对计算资源的消耗与超级采样相比大大降低。当然，由 于屏幕缓冲区的大小和需要执行的深度测试、模版测试和混合(blend)操作的数量仍然没有减 少，该方法对于GPU的像素输出单元(ROP unit)的压力仍然较大。

多重采样使用比超级采样少得多的计算量，达到了非常接近的绘制效果，至今仍然是三 维实时绘制应用程序中使用最为广泛的抗锯齿算法。当然多重采样也并非完全没有缺陷，如 果需要在像素着色器中输出深度，那么多重采样的深度插值就会失效，在多边形交线处会没 有抗锯齿效果。

如果在延迟着色技术中进行反走样(以多重采样为例)，则延迟着色最核心的光照计算 阶段在GPU的像素着色器(或者称为片元着色器)中执行流程可以表示为下列伪代码：

在该流程中，首先通过纹理查找获得当前像素是否需要进行多重反走样的标记，然后根 据该标记的值分别进行处理：如果当前像素需要进行反走样，则依照反走样采样点的数目进 行分别采样并将个采样点光照计算的结果进行融合处理以获得最终该像素的光照和颜色；如 果不需要进行反走样，则直接计算出该像素点的光照和颜色。