真实感图形绘制中明暗效果的FPGA实现

计算机图形学中真实感成像包括两部分内容：物体的精确图形表示；场景中光照效果的适当的描述。光照效果包括光的反射、透明性、表面纹理和阴影。对物体进行投影，然后再可见面上产生自然光照效果，可以实现场景的真实感显示。光照明模型主要用于物体表面某点处的光强度计算。面绘制算法是通过光照模型中的光强度计算，以确定场景中物体表面的所有投影像素点的光强度。Phong明暗处理算法是生成真实感3D图像最佳算法之一。但是由于其大量的像素级运算和硬件难度而在实现实时真实感图形绘制中被Gotuaud明暗处理算法所取代。VLSI技术的发展以及对于高真实感实时图形的需求使得Phong明暗处理算法的实现成为可能。利用泰勒级数近似的Fast  Phong明暗处理算法适合硬件实现。此算法需要存储大量数据的ROM。这增加了实现的难度。  本文完成了以下工作：  1、本文简述了实时真实感图形绘制管线，详细叙述了所用到的光照明模型和明暗处理方法，并对几种明暗处理方法的效果作了比较，实验结果表明Fast  Phong明暗处理算法适用于实时真实感图形绘制。  2、在熟悉Xilinx公司FPGA芯片结构及其开发流程的基础上，结合Xilinx公司提供的FPGA开发工具ISE  7.1i，仿真工具为ISE  simulator，综合工具为XST；完成了Fast  Phong明暗处理模块的FPGA设计与实现。综合得到的电路的最高频率为54.058MHz。本文的Fast  Phong明暗处理硬件模块适用于实时真实感图形绘制。  3、本文通过误差分析，提出了优化的查找表结构。通过在FPGA上对本文所提结构进行验证。结果表明，本方案在提高速度、精度的同时将ROM的数据量从64K*8bit减少至13K*8bit。