計(jì)算機(jī)圖形顯示、加速及實(shí)現(xiàn)技術(shù)

前言

　　當(dāng)你利用計(jì)算機(jī)玩游戲或欣賞動畫片時(shí)，屏幕上所呈現(xiàn)出的五彩繽紛的畫面、逼真的三維圖形會時(shí)常讓你為之折服，嘆為觀止。當(dāng)人們贊嘆計(jì)算機(jī)所具有的這一切神奇功能時(shí)，許多人并不知道，計(jì)算機(jī)內(nèi)有一顆圖形處理器（也叫做圖形處理器或圖形處理單元）（GPU，Graphics Processing Unit）芯片正默默地高速運(yùn)行著。也正因?yàn)镚PIJ的誕生，才使得現(xiàn)代計(jì)算機(jī)屏幕變得更加生動逼真，為人們帶來了巨大的視覺沖擊與享受，進(jìn)一步推動了計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與普及?！　∧壳埃珿PU在通用計(jì)算機(jī)中已得到了廣泛的應(yīng)用。幾乎每一臺計(jì)算機(jī)上都配置了一塊顯卡，而每一塊顯卡的核心芯片就是GPU。作為3D圖形硬件基礎(chǔ)，圖形處理器（GPU）在整個(gè)計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，其發(fā)展速度大大超過了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中其他硬件單元的發(fā)展速度。從1999年NVlDIA公司推出第一款具有3D圖形加速功能的Geforce256圖形芯片，到2005年推出的具有強(qiáng)大的圖形管道可編程能力的Geforce7系列的圖形芯片，圖形芯片經(jīng)歷了五代的革新，而在此期間，英特爾公司的中央處理器芯片的發(fā)展僅僅從Pentium III發(fā)展到PentiumⅣ。圖形處理器的集成度也已大大超越了中央處理器的集成度，其發(fā)展更新速度超出了摩爾定律的限制。在GPU強(qiáng)大圖形處理能力的支持下，大型三維電腦游戲、網(wǎng)絡(luò)游戲以及Play Station、Xbox等新型游戲平臺正試圖將人們從傳統(tǒng)的電視、電影等娛樂方式中剝離出來。所有這些都預(yù)示著圖形技術(shù)將成為21世紀(jì)最具活力的研究領(lǐng)域。除此之外，GPU的發(fā)展極大地提高了計(jì)算機(jī)圖形處理的速度和圖形質(zhì)量，并促進(jìn)了虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)動畫和自然景物仿真等領(lǐng)域的快速發(fā)展。圖形處理器繪制流水線高速、并行的特性以及靈活的可編程功能，為數(shù)字圖像處理和通用并行計(jì)算提供了良好的運(yùn)行平臺。作者憑借多年來的相關(guān)科研成果與經(jīng)驗(yàn)，撰寫完成目前國內(nèi)首部GPU開發(fā)應(yīng)用的技術(shù)專著，期望推動GPI.J在廣大IT產(chǎn)品，特別是在嵌入式產(chǎn)品中得到運(yùn)用，為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)?！　∪珪卜譃?章。前4章構(gòu)成本書上篇，著重介紹計(jì)算機(jī)圖形顯示及其加速原理，以及通用圖形系統(tǒng)中的軟硬件構(gòu)成和開發(fā)流程，使初學(xué)者掌握相關(guān)概念，為后一階段的GPU實(shí)際開發(fā)打下良好的基礎(chǔ)。后5章構(gòu)成本書下篇，通過一個(gè)實(shí)際的GP[J應(yīng)用開發(fā)實(shí)例，對嵌入式圖形系統(tǒng)的構(gòu)成、GPU內(nèi)部架構(gòu)、開發(fā)工具、驅(qū)動程序編寫進(jìn)行了詳細(xì)地描述，其中包含了大量最新的科研成果與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。讀者通過下篇的學(xué)習(xí)，應(yīng)能建立起對嵌入式圖形系統(tǒng)開發(fā)流程的全新認(rèn)識。在實(shí)際的開發(fā)過程中，盡管讀者所選用的GPU具體型號、操作系統(tǒng)、開發(fā)軟件可能與本書實(shí)例有所不同，但開發(fā)方法、開發(fā)流程卻是完全相同的，以達(dá)到能舉一反三的目的。

內(nèi)容概要

本書實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的嵌入式圖形系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)方案，講解了從驅(qū)動層面剖析圖形處理器GPU硬件加速原理，詳細(xì)介紹了VxWorks下的OpenGL驅(qū)動程序開發(fā)方法及驅(qū)動實(shí)例。    本書共分為9章。第1章介紹了計(jì)算機(jī)圖形的基本概念以及計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和工作流程。第2章講述了計(jì)算機(jī)圖形顯示原理。第3章著重講述了圖形處理芯片（GPU）的基本架構(gòu)及加速原理。第4章講述了通用圖形系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)原理及基本開發(fā)流程。第5章結(jié)合圖形理論基礎(chǔ)和嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)，指出了在嵌入式圖形系統(tǒng)開發(fā)中所需關(guān)注的若干要點(diǎn)。第6章介紹了嵌入式圖形系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)方法。第7章對嵌入式圖形系統(tǒng)開發(fā)中所要用到的軟件開發(fā)環(huán)境、開發(fā)工具及其具體使用方法進(jìn)行了詳盡的介紹。第8章詳細(xì)講述了嵌入式圖形系統(tǒng)驅(qū)動程序的開發(fā)。第9章介紹了圖形系統(tǒng)OpenGL驅(qū)動開發(fā)的基本方法。    本書是在作者多科研工作基礎(chǔ)上完成的，其中包含了大量最新的科研成果與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，力求創(chuàng)新性、先進(jìn)性和實(shí)用性。    本書主要提供給研究所和企業(yè)的IT產(chǎn)品研發(fā)人員作為技術(shù)參考，亦可作為電子信息類研究生的相關(guān)課程教材。

書籍目錄

上篇  計(jì)算機(jī)圖形顯示及其加速原理　第1章  計(jì)算機(jī)圖形概述　　1.1  計(jì)算機(jī)圖形與計(jì)算機(jī)圖像　　　1.1.1  計(jì)算機(jī)圖形與計(jì)算機(jī)圖像的區(qū)別　　　1.1.2  點(diǎn)陣圖形和矢量圖形　　1.2　計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能　　　1.2.1  計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)　　　1.2.2  計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的基本功能　　1.3　計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的發(fā)展　　　1.3.1  圖形系統(tǒng)硬件發(fā)展歷程　　　1.3.2  圖形軟件架構(gòu)及發(fā)展歷程　　1.4　計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)工作流程——從幾何數(shù)據(jù)到圖形輸出　　　1.4.1  光柵掃描圖形顯示器王作原理　　　1.4.2  液晶顯示器工作原理及主要技術(shù)指標(biāo)　　　1.4.3  圖形系統(tǒng)顯示圖形的過程　第2章  計(jì)算機(jī)圖形顯示原理　  2.1  計(jì)算機(jī)圖形的繪制流程——生成一條直線　　　2.1.1  直線繪制DDA算法——最直觀的直線繪制　　　2.1.2 BresenHam直線繪制算法　　2.2  圖形變換　　　2.2.1  圖形坐標(biāo)系統(tǒng)概述　　　2.2.2  二維圖形幾何變換　　　2.2.3  三維圖形幾何變換　　　2.2.4  圖形投影變換　  2.3　真實(shí)感圖形顯示技術(shù)　　　2.3.1  消隱技術(shù)及其算法　　　2.3.2  光照技術(shù)及其算法　　　2.3.3  紋理貼圖　  2.4　計(jì)算機(jī)圖形繪制實(shí)例　第3章  圖形加速——利用GF'U繪制圖形　　3.1　基于GPU的圖形系統(tǒng)基本架構(gòu)　　3.2　GPU體系結(jié)構(gòu)及其工作原理　　　3.2.1  GPU體系結(jié)構(gòu)　　　3.2.2  GPU硬件加速渲染流程　　　3.2.3  常用GPU實(shí)例　　3.3　可編程圖形流水線　　　3.3.1  頂點(diǎn)著色器　　　3.3.2  像素（片元）著色器　　3.4　GPU下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織及基本操作　　　3.4.1  CPU下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織　　　3.4.2  GPU下的并行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的組織方式　第4章  通用圖形系統(tǒng)軟硬件構(gòu)成及開發(fā)　  4.1　通用圖形系統(tǒng)概述　  4.2　圖形系統(tǒng)硬件介紹　　　4.2.1  圖形硬件基本結(jié)構(gòu)　　　4.2.2  圖形系統(tǒng)相關(guān)器件　　　4.2.3  圖形處理設(shè)備接口　　　4.2.4  顯示終端及接口　  4.3　圖形系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)　　　4.3.1  圖形設(shè)備初始化　　　4.3.2  圖形設(shè)備驅(qū)動原理　　　4.3.3  圖形系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化　  4.4　圖形系統(tǒng)開發(fā)一般流程下篇  基于VxWorks的嵌入式圖形系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例　第5章  嵌入式圖形系統(tǒng)開發(fā)方法與流程　  5.1  嵌入式圖形系統(tǒng)基本特性　　　5.1.1  嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)　　　5.1.2  嵌入式圖形系統(tǒng)開發(fā)特性　　　5.1.3  常見嵌入式圖形處理器　  5.2　嵌入式圖形系統(tǒng)開發(fā)　　　5.2.1  開發(fā)基本方法與流程　　　5.2.2  嵌入式操作系統(tǒng)比較及選擇　　　5.2.3  交叉開發(fā)調(diào)試環(huán)境介紹　第6章　嵌入式圖形系統(tǒng)硬件組成及接口原理　　……　第7章　嵌入式圖形系統(tǒng)軟件開發(fā)工具及使用　第8章　嵌入式圖形系統(tǒng)驅(qū)動的實(shí)現(xiàn)　第9章　OpenGL驅(qū)動開發(fā)方法參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　上篇　計(jì)算機(jī)圖形顯示及其加速原理　　第2章　計(jì)算機(jī)圖形顯示原理　　2.2　圖形變換　　能在顯示器的某個(gè)位置繪制出基本圖元遠(yuǎn)不能滿足用戶對圖形顯示的要求，除了能夠繪制出這些圖元以外，開發(fā)人員還必須能夠?qū)@些圖形進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等幾何變換借以提高圖形程序開發(fā)的效率。本節(jié)將重點(diǎn)討論各種圖形的幾何變換在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中是如何實(shí)現(xiàn)的?！　?.2.1　圖形坐標(biāo)系統(tǒng)概述　　幾何物體具有很多重要的性質(zhì)，如大小、形狀、位置、方向以及相互之間的空間關(guān)系等。為了描述、分析、度量這些特性，需要一個(gè)稱為坐標(biāo)系統(tǒng)的參考框架。從本質(zhì)上來說，坐標(biāo)系統(tǒng)自身也是一個(gè)幾何物體。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的國際標(biāo)準(zhǔn)PHIGS（Programmers Hierarchical Interactive Graphics System）規(guī)定了5種坐標(biāo)系，分別是世界坐標(biāo)系、觀察坐標(biāo)系、投影坐標(biāo)系、設(shè)備坐標(biāo)系以及建模坐標(biāo)系。通過這一系列的坐標(biāo)系統(tǒng)，使得人們能夠輕松描述一個(gè)圖形的空間位置，這些坐標(biāo)系統(tǒng)也構(gòu)成了圖形變換的基礎(chǔ)。下面將逐一介紹這5種坐標(biāo)系。　?。?）世界坐標(biāo)系　　世界坐標(biāo)系是用戶用來定義圖形的坐標(biāo)系，因此也稱為用戶坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系統(tǒng)主要用于計(jì)算機(jī)圖形場景中所有圖形對象的空間定位和定義，包括觀察者的位置、視線等。計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)中涉及的其他坐標(biāo)系統(tǒng)都是參照它進(jìn)行定義的。世界坐標(biāo)系理論上是無限大且連續(xù)的，即它的定義域?yàn)閷?shí)數(shù)域。用戶可以在世界坐標(biāo)系中指定一個(gè)區(qū)域用來確定要顯示的圖形部分，此區(qū)域稱為窗口。世界坐標(biāo)系是右手三維坐標(biāo)系。

編輯推薦

　　完整的嵌入式圖形系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)方案；從驅(qū)動層面剖析圖形處理器GPU硬件加速原理；VxWorks下的OpenGL驅(qū)動程序開發(fā)方法及驅(qū)動實(shí)例。

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