[發明專利]一種光照模型系統及實現方法

在審

• 申請號: 201310705942.5
• 申請日: 2013-12-19
• 公開（公告）號: CN103699733A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發明（設計）人: 周莉;高園園;孫濤;章元智;王佳;汪洋
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 呂利敏

技術領域

本發明涉及一種光照模型系統及實現方法，屬于利用集成電路設計實現計算機圖形學技術的技術領域。

背景技術

任何物體處在自然環境之中都要與周遭的光線發生關系，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的各個領域中，對光照的處理尤為重要。

光和物體表面之間的相互作用是一個復雜的物理過程，現在已經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境光、漫反射光、鏡面反射光和發射光效果，其表達式如下：

I=I_atm+I_dif+I_spc+I_emi

=K_aI_a+K_dI_d(N·L)+K_sI_s(N·H)^Ns+I_e???（i）

在公式（i）中,K_a表示材質的環境光反射系數，K_d表示材質的漫反射系數，K_s表示材質的鏡面反射系數，I_a表示環境光，I_d表示光源的漫反射分量，I_s表示光源的鏡面反射分量，I_e表示物體的發射光部分，N表示物體表面點的法向量，L表示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；

對于公式（i）中(N□H)^Ns的冪次方的運算，可以通過以下方式進行：

令x=(N□H)，y=Ns，a=(N□H)^Ns，則：

x^y=a

log₂x^y=log₂a

ylog₂x=log₂a

令：m=ylog₂x

則：a=2^m

即將冪次方運算轉換為硬件容易實現的取對數運算、乘法運算和2的冪次方運算。

傳統有許多軟件和硬件實現該光照模型的方法，但是存在如下問題：

1、所需時間長：

由公式（i）可知，該光照模型計算復雜，涉及向量操作、冪次方操作等復雜運算，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。

2、耗費資源多：

由公式（i）可知，該光照模型計算復雜，涉及向量操作、冪次方操作等復雜運算，耗費硬件資源多。

發明內容

針對現有技術所存在的技術問題，本發明公開一種光照模型系統,以實現高速有效的控制，減少硬件資源的消耗，提高了硬件資源的利用率。

本發明還提供上述一種光照模型系統的實現方法。

本發明的技術方案如下：

一種光照模型系統，其中，以下所涉及的模塊是通過硬件描述語言Verilog實現的，所述光照模型系統包括：

環境光計算模塊、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平方根查找表單元、對數查找表單元、冪次方查找表單元、向量計算單元和乘積單元；

所述環境光計算模塊：實現光照模型中環境光部分的計算；

所述漫反射光計算模塊：實現光照模型中漫反射光部分的計算；

所述鏡面光計算模塊：實現光照模型中鏡面反射光部分的計算；

所述求和模塊：實現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學運算，包括倒數平方根運算、取對數運算、2的冪次方運算、乘法運算以及向量的加、減、內積運算；其中，所述運算單元包括：

倒數平方根查找表單元：實現倒數平方根運算；

對數查找表單元：實現取對數運算；

冪次方查找表單元：實現2的冪次方運算；

向量計算單元：實現向量的加、減、內積運算；

乘積單元：實現相關數據的相乘。

根據本發明優選的，所述倒數平方根查找表單元的數量為1個，所述對數查找表單元的數量為1個，所述冪次方查找表單元的數量為1個，所述向量計算單元的數量為2個，所述乘積單元的數量為3個。