一種光照模型系統(tǒng)及實現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種光照模型系統(tǒng)，包括：環(huán)境光計算模塊、漫反射光計算模塊、鏡面光計算模塊、求和模塊、運算單元；所述的運算單元包括倒數(shù)平方根查找表單元、對數(shù)查找表單元、冪次方查找表單元、向量計算單元和乘積單元；環(huán)境光計算模塊，實現(xiàn)光照模型中環(huán)境光部分的效果；漫反射光計算模塊，實現(xiàn)光照模型中漫反射光部分的效果；鏡面光計算模塊，實現(xiàn)光照模型中鏡面反射光部分的計算；求和模塊：實現(xiàn)光照模型的最終效果計算；運算單元：完成光照模型所涉及的各種數(shù)學(xué)運算，包括倒數(shù)平方根運算、取對數(shù)運算、2的冪次方運算、乘法運算以及向量的加、減、內(nèi)積運算。
【專利說明】一種光照模型系統(tǒng)及實現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光照模型系統(tǒng)及實現(xiàn)方法，屬于利用集成電路設(shè)計實現(xiàn)計算機圖形學(xué)技術(shù)的【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]任何物體處在自然環(huán)境之中都要與周遭的光線發(fā)生關(guān)系，最基本的包括反射，折射，漫反/散射等。如果剔除了這些光線關(guān)系，物體的立體感不僅會丟失，整體上給人的感覺也會極為不真實，所以，在當今涉及計算機圖形技術(shù)的各個領(lǐng)域中，對光照的處理尤為重要。
[0003]光和物體表面之間的相互作用是一個復(fù)雜的物理過程，現(xiàn)在已經(jīng)提出各種光照模型來模擬該過程，其中一種光照模型模擬了環(huán)境光、漫反射光、鏡面反射光和發(fā)射光效果，其表達式如下:
[0004]I = Iatm+Idif+Ispc+Iemi
[0005]=KaIa+KdId (N ? L) +KsIs (N ? H) Ns+Ie (i )
[0006]在公式(i)中，Ka表示材質(zhì)的環(huán)境光反射系數(shù)，Kd表示材質(zhì)的漫反射系數(shù)，Ks表示材質(zhì)的鏡面反射系數(shù)， Ia表不環(huán)境光，Id表不光源的漫反射分量，Is表不光源的鏡面反射分量，Ie表不物體的發(fā)射光部分，N表不物體表面點的法向量，L表不物體表面點指向光源的
向量，H為半角向量〃 =y Ns表示物體表面的鏡面指數(shù)；
[0007]對于公式(i)中(N 口 H)Ns的冪次方的運算，可以通過以下方式進行:
[0008]令X= (N □ H)，y=Ns, a= (N □ H)Ns,則:
[0009]xy=a
[0010]log2xy=log2a
[0011]ylog2x=log2a
[0012]令:m=ylog2x
[0013]則:a=2m
[0014]即將冪次方運算轉(zhuǎn)換為硬件容易實現(xiàn)的取對數(shù)運算、乘法運算和2的冪次方運
笪
[0015]傳統(tǒng)有許多軟件和硬件實現(xiàn)該光照模型的方法，但是存在如下問題:
[0016]1、所需時間長:
[0017]由公式(i)可知，該光照模型計算復(fù)雜，涉及向量操作、冪次方操作等復(fù)雜運算，所需時間長即延時長，在實時性要求比較高的場合受到限制。
[0018]2、耗費資源多:
[0019]由公式(i)可知，該光照模型計算復(fù)雜，涉及向量操作、冪次方操作等復(fù)雜運算，耗費硬件資源多。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的技術(shù)問題，本發(fā)明公開一種光照模型系統(tǒng)，以實現(xiàn)高速有效的控制，減少硬件資源的消耗，提高了硬件資源的利用率。
[0021]本發(fā)明還提供上述一種光照模型系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。
[0022]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0023]一種光照模型系統(tǒng)，其中，以下所涉及的模塊是通過硬件描述語言Verilog實現(xiàn)的，所述光照模型系統(tǒng)包括:
[0024]環(huán)境光計算模塊、漫反射光計算模塊、鏡面光計算模塊、求和模塊、運算單元；所述的運算單元包括倒數(shù)平方根查找表單元、對數(shù)查找表單元、冪次方查找表單元、向量計算單元和乘積單元；
[0025]所述環(huán)境光計算模塊:實現(xiàn)光照模型中環(huán)境光部分的計算；
[0026]所述漫反射光計算模塊:實現(xiàn)光照模型中漫反射光部分的計算；
[0027]所述鏡面光計算模塊:實現(xiàn)光照模型中鏡面反射光部分的計算；
[0028]所述求和模塊:實現(xiàn)光照模型的最終效果計算；
[0029]所述運算單元:完成光照模型所涉及的各種數(shù)學(xué)運算，包括倒數(shù)平方根運算、取對數(shù)運算、2的冪次方運算、乘法運算以及向量的加、減、內(nèi)積運算；其中，所述運算單元包括:
[0030]倒數(shù)平方根查找表單元:實現(xiàn)倒數(shù)平方根運算；
[0031]對數(shù)查找表單元:實現(xiàn)取對數(shù)運算；
[0032]冪次方查找表單元:實現(xiàn)2的冪次方運算；
[0033]向量計算單元:實現(xiàn)向量的加、減、內(nèi)積運算；
[0034]乘積單元:實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的相乘。
[0035]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述倒數(shù)平方根查找表單元的數(shù)量為I個，所述對數(shù)查找表單元的數(shù)量為I個，所述冪次方查找表單元的數(shù)量為I個，所述向量計算單元的數(shù)量為2個，所述乘積單元的數(shù)量為3個。
[0036]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述倒數(shù)平方根查找表單元、對數(shù)查找表單元和冪次方查找表單元完成一次操作分別需要I個時鐘周期，所述向量計算單元完成一次向量操作需要3個時鐘周期，所述乘積單元完成一次相乘操作需要I個時鐘周期。
[0037]一種光照模型系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，包括如下步驟:
[0038](I)鏡面光計算模塊根據(jù)輸入端傳來的數(shù)據(jù)調(diào)用運算單元逐步完成光照模型中鏡面反射光的計算；
[0039](2)在步驟(I)的同時，漫反射光計算模塊根據(jù)輸入端傳來的數(shù)據(jù)調(diào)用運算單元逐步完成光照模型中漫反射反射光的計算；
[0040](3)在步驟(I)、步驟(2)的同時，環(huán)境光計算模塊根據(jù)輸入端傳來的數(shù)據(jù)調(diào)用運算單元逐步完成光照模型中環(huán)境光的計算；
[0041](4)在步驟(I)、步驟(2)、步驟(3)都完成后，求和模塊完成環(huán)境光、漫反射光、鏡面反射光以及發(fā)射光的和，即光照模型的最終效果計算，其求和采用現(xiàn)有公式(i)完成:
[0042]I = Iatm+Idif+Ispc+Iemi
[0043]=KaIa+K山(N.L) +KsIs (N.H) Ns+Ie (i )
[0044]在公式(i)中，Ka表示材質(zhì)的環(huán)境光反射系數(shù)，Kd表示材質(zhì)的漫反射系數(shù)，Ks表示材質(zhì)的鏡面反射系數(shù)，Ia表不環(huán)境光，Id表不光源的漫反射分量，Is表不光源的鏡面反射分量，Ie表不物體的發(fā)射光部分，N表不物體表面點的法向量，L表不物體表面點指向光源的
向量，H為半角向量〃 =Ns表示物體表面的鏡面指數(shù)。
[0045]本發(fā)明的優(yōu)勢在于:
[0046]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是:本發(fā)明通過環(huán)境光計算模塊實現(xiàn)光照模型中環(huán)境光部分的效果，通過漫反射光計算模塊實現(xiàn)光照模型中漫反射光部分的效果，通過鏡面光計算模塊實現(xiàn)光照模型中鏡面反射光部分的效果，通過求和模塊實現(xiàn)光照模型的最終效果計算，其中通過運算單元完成光照模型所涉及的各種數(shù)學(xué)運算，包括倒數(shù)平方根運算、取對數(shù)運算、2的冪次方運算、乘法運算以及向量的加、減、內(nèi)積運算，減少了硬件資源的消耗，提高了硬件資源的利用率，此外，本發(fā)明通過將占用時鐘周期少的操作穿插到占用時鐘周期多的操作中，節(jié)省了時鐘周期，提高了實時性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0047]圖1為本發(fā)明所述光照模型中的向量關(guān)系圖示。
[0048]圖2為本發(fā)明的原理圖。
[0049]圖3為查找表單元的接口示意圖。
[0050]圖4為向量單元的接口示意圖。
[0051]圖5為乘積單元的接口示意圖。
[0052]其中，1、運算單元，2、鏡面反射光模塊，3、漫反射光模塊，4、環(huán)境光模塊，5、發(fā)射光,6、求和模塊。
【具體實施方式】
[0053]下面結(jié)合附圖和優(yōu)選實施例對本發(fā)明作更進一步的詳細描述。
[0054]參見圖1和圖2，
[0055]一種光照模型系統(tǒng)，其中，以下所涉及的模塊是通過硬件描述語言Verilog實現(xiàn)的，所述光照模型的實現(xiàn)系統(tǒng)包括:
[0056]環(huán)境光計算模塊、漫反射光計算模塊、鏡面光計算模塊、求和模塊、運算單元；所述的運算單元包括倒數(shù)平方根查找表單元、對數(shù)查找表單元、冪次方查找表單元、向量計算單元和乘積單元；
[0057]所述環(huán)境光計算模塊:實現(xiàn)光照模型中環(huán)境光部分的計算；
[0058]所述漫反射光計算模塊:實現(xiàn)光照模型中漫反射光部分的計算；
[0059]所述鏡面光計算模塊:實現(xiàn)光照模型中鏡面反射光部分的計算；
[0060]所述求和模塊:實現(xiàn)光照模型的最終效果計算；
[0061]所述運算單元:完成光照模型所涉及的各種數(shù)學(xué)運算，包括倒數(shù)平方根運算、取對數(shù)運算、2的冪次方運算、乘法運算以及向量的加、減、內(nèi)積運算；其中，所述運算單元包括:
[0062]倒數(shù)平方根查找表單元:實現(xiàn)倒數(shù)平方根運算；
[0063]對數(shù)查找表單元:實現(xiàn)取對數(shù)運算；
[0064]冪次方查找表單元:實現(xiàn)2的冪次方運算；[0065]向量計算單元:實現(xiàn)向量的加、減、內(nèi)積運算；
[0066]乘積單元:實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的相乘。
[0067]所述倒數(shù)平方根查找表單元的數(shù)量為I個，所述對數(shù)查找表單元的數(shù)量為I個，所述冪次方查找表單元的數(shù)量為I個，所述向量計算單元的數(shù)量為2個,所述乘積單元的數(shù)量為3個。
[0068]所述倒數(shù)平方根查找表單元、對數(shù)查找表單元和冪次方查找表單元完成一次操作分別需要I個時鐘周期，所述向量計算單元完成一次向量操作需要3個時鐘周期，所述乘積單元完成一次相乘操作需要I個時鐘周期。
[0069]實施例2、
[0070]一種如實施例1所述光照模型的實現(xiàn)方法，包括如下步驟:
[0071](I)鏡面光計算模塊根據(jù)輸入端傳來的數(shù)據(jù)調(diào)用運算單元逐步完成光照模型中鏡面反射光的計算；
[0072](2)在步驟(I)的同時，漫反射光計算模塊根據(jù)輸入端傳來的數(shù)據(jù)調(diào)用運算單元逐步完成光照模型中漫反射反射光的計算；
[0073](3)在步驟(I)、步驟(2)的同時，環(huán)境光計算模塊根據(jù)輸入端傳來的數(shù)據(jù)調(diào)用運算單元逐步完成光照模型中環(huán)境光的計算；
[0074](4)在步驟(I)、步驟(2)、步驟(3)都完成后，求和模塊完成環(huán)境光、漫反射光、鏡面反射光以及發(fā)射光的和，即光照模型的最終效果計算，其求和采用現(xiàn)有公式(i)完成:
[0075]I=Iatm+Idif+Ispc+Iemi
[0076]=KaIa+K山(N.L) +KsIs (N.H) Ns+Ie (i )
[0077]在公式(i)中，Ka表示材質(zhì)的環(huán)境光反射系數(shù)，Kd表示材質(zhì)的漫反射系數(shù)，Ks表示材質(zhì)的鏡面反射系數(shù)，Ia表不環(huán)境光，Id表不光源的漫反射分量，Is表不光源的鏡面反射分量，Ie表不物體的發(fā)射光部分，N表不物體表面點的法向量，L表不物體表面點指向光源的
向量，H為半角向量〃 =\ LL+_JV y Ns表示物體表面的鏡面指數(shù)。
[0078]在本設(shè)計架構(gòu)中，在進行向量運算的同時，可以根據(jù)情況進行乘積操作，因為向量單元需要3個周期，乘積單元需要I個周期，從而可以進一步提高效率。
[0079]圖3中，iSclk為時鐘輸入端口，為模塊提供時鐘信號；iSrc為原操作數(shù)輸入端口 ；OLutRes為查找表結(jié)果輸出端口，輸出對輸入數(shù)據(jù)進行特定運算的結(jié)果。
[0080]圖4中，iSclk為時鐘輸入端口，為模塊提供時鐘信號；i0pcode為向量操作方式輸入端口，包括力口、減、點積；iSrcA、iSrcB、iSrcC分別為原操作數(shù)(向量)輸入端口 ；oVecRes為輸出端口，輸出對輸入向量進行特定操作的結(jié)果。
[0081]圖5中，iSrcA和iSrcB為輸入端口，分別輸入兩個乘數(shù)；oRes為輸出端口，輸出iSrcA與iSrcB相乘的結(jié)果。
[0082]本發(fā)明未經(jīng)描述的技術(shù)特征可以通過或采用現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)，在此不再贅述，當然，上述說明并非是對本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不僅限于上述舉例，本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的實質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改型、添加或替換，也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種光照模型系統(tǒng)，其中，以下所涉及的模塊是通過硬件描述語言Verilog實現(xiàn)的，其特征在于，所述光照模型的實現(xiàn)系統(tǒng)包括: 環(huán)境光計算模塊、漫反射光計算模塊、鏡面光計算模塊、求和模塊、運算單元；所述的運算單元包括倒數(shù)平方根查找表單元、對數(shù)查找表單元、冪次方查找表單元、向量計算單元和乘積單元； 所述環(huán)境光計算模塊:實現(xiàn)光照模型中環(huán)境光部分的計算； 所述漫反射光計算模塊:實現(xiàn)光照模型中漫反射光部分的計算； 所述鏡面光計算模塊:實現(xiàn)光照模型中鏡面反射光部分的計算； 所述求和模塊:實現(xiàn)光照模型的最終效果計算； 所述運算單元:完成光照模型所涉及的各種數(shù)學(xué)運算，包括倒數(shù)平方根運算、取對數(shù)運算、2的冪次方運算、乘法運算以及向量的加、減、內(nèi)積運算；其中，所述運算單元包括: 倒數(shù)平方根查找表單元:實現(xiàn)倒數(shù)平方根運算； 對數(shù)查找表單元:實現(xiàn)取對數(shù)運算； 幕次方查找表單兀:實現(xiàn)2的幕次方運算； 向量計算單元:實現(xiàn)向量的加、減、內(nèi)積運算； 乘積單元:實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的相乘。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光照模型系統(tǒng)，其特征在于，所述倒數(shù)平方根查找表單元的數(shù)量為I個，所述對數(shù)查找表單元的數(shù)量為I個，所述冪次方查找表單元的數(shù)量為I個，所述向量計算單元的數(shù)量為2個，所述乘積單元的數(shù)量為3個。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光照模型系統(tǒng)，其特征在于，所述倒數(shù)平方根查找表單元、對數(shù)查找表單元和冪次方查找表單元完成一次操作分別需要I個時鐘周期，所述向量計算單元完成一次向量操作需要3個時鐘周期，所述乘積單元完成一次相乘操作需要I個時鐘周期。
4.一種如權(quán)利要求1所述光照模型系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)鏡面光計算模塊根據(jù)輸入端傳來的數(shù)據(jù)調(diào)用運算單元逐步完成光照模型中鏡面反射光的計算； (2)在步驟(1)的同時，漫反射光計算模塊根據(jù)輸入端傳來的數(shù)據(jù)調(diào)用運算單元逐步完成光照模型中漫反射反射光的計算； (3)在步驟(1)、步驟(2)的同時，環(huán)境光計算模塊根據(jù)輸入端傳來的數(shù)據(jù)調(diào)用運算單元逐步完成光照模型中環(huán)境光的計算； (4)在步驟(1)、步驟(2)、步驟(3)都完成后，求和模塊完成環(huán)境光、漫反射光、鏡面反射光以及發(fā)射光的和，即光照模型的最終效果計算，其求和采用現(xiàn)有公式(i)完成:
【文檔編號】G06F17/50GK103699733SQ201310705942
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月19日
【發(fā)明者】周莉, 高園園, 孫濤, 章元智, 王佳, 汪洋 申請人:山東大學(xué)