摘要：2000年以來，隨著嵌入式技術(shù)不斷發(fā)展，很多基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)字化產(chǎn)品已經(jīng)繼PC機之后信息處理的又一大主要工具。它們都需要具備圖形處理的功能，并且顯示的內(nèi)容也正經(jīng)歷從簡單2D圖形到3D圖形的轉(zhuǎn)變。本設(shè)計采用OpenGL作為系統(tǒng)的圖形API，選取了21條基本的API命令，定義了它們的渲染列表格式和命令字編碼，并以此作為IP核的設(shè)計規(guī)約。

1 項目背景

1.1 研究背景

LCD顯示屏的應(yīng)用越來越廣，數(shù)量越來越多。LCD顯示屏應(yīng)用廣泛,無處不在。如家庭各種電器設(shè)備。更常見是用于各種公共場合如體育館、廣場等商業(yè)用途。給我們傳遞一種更為直觀、生動的信息。從此我們的生活發(fā)生了巨大改變。巨大的應(yīng)用巨大的市場帶來了巨大的商機。而與此同時，立體影像產(chǎn)業(yè)釀巨變，3D熱潮勢不可擋——電視機/顯示設(shè)備。

基于FPGA的LCD顯示的3D影像是為了LCD顯示屏的信息量更多，滿足人需求。

1.2 基于FPGA的立體顯示的優(yōu)越性

本項目通過在FPGA上用Verilog語言實現(xiàn)3D影像在LCD的成像，具有以下優(yōu)勢：

1. 采用可編程的FPGA進行設(shè)計，便于設(shè)計的更新與升級，節(jié)約成本。
2. 緩解CPU在圖形處理方面的負(fù)擔(dān)。
3. 滿足廣大消費者對3D影像的需求
4. LCD體積小、質(zhì)量輕、功耗低，可以用大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動，可以在明亮環(huán)境下顯示，不含射線傷害。

2 項目方案

2.1 實現(xiàn)功能

1. 將IP核劃分為四部分，這里我們分別稱之為FPGA1模塊、FPGA2模塊FPGA3和模塊FPGA4模塊，模擬CPU發(fā)送數(shù)據(jù)的cpu_module需要我們用Verilog HDL設(shè)計。Cpu_module和IP核的幾何變換模塊屬于FPGA1模塊，IP核的光照模塊屬于FPGS2模塊，F(xiàn)PGA3模塊則包含了IP核圖形管線的圖元裝配模塊，剔除剪切模塊、背面剔除模塊和投影模塊，IP核圖形管線最后兩個模塊光柵化和片段處理屬于PFGA4模塊。

2.2硬件設(shè)計

通過上面對整個系統(tǒng)功能要求, 性能要求的分析, 我們可以確定系統(tǒng)的基本硬件結(jié)構(gòu), 其組成框圖如下所示:：

IP核圖形管線的組成

圖中的cpu module模塊用來模擬圖形應(yīng)用程序經(jīng)CPU處理得到渲染列表的過程，它將渲染列表命令以GPU方言的形式送到GPU，并等待圖形管線中8級流水線的處理。整個圖形管線分為兩部分，幾何部分和光柵部分，圖中的前6個模塊幾何變換、光照、圖元裝配、裁剪、背面剔除、投影屬于幾何部分，后2個模塊光柵化和片段處理屬于光柵部分。

下面就圖形管線每個模塊的功能做一個簡要的陳述。

首先是對cpu module送來的數(shù)據(jù)進行幾何變換，一個三角形圖元由三個頂點構(gòu)成，每個頂點包含的信息有位置信息、法線信息、顏色信息等。由于三維空間中的物體都是以頂點的形式描述，所以幾何變換模塊主要是對舀Begin和glEnd之間的頂點數(shù)據(jù)流和相關(guān)命令的處理，所做的工作包含對頂點坐標(biāo)的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放。

然后是對頂點顏色的計算，每個頂點都可以有自己的顏色。影響物體顏色的因素有幾個方面，一是環(huán)境光照的影響，二是物體材質(zhì)本身對光源進行調(diào)制，三是光源的位置，因此該級模塊有很多需要根據(jù)渲染列表中的命令設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，然后按照光照原理和各個模型參數(shù)計算出頂點的顏色。頂點的坐標(biāo)位置和顏色信息有了以后就需要將單獨的頂點數(shù)據(jù)組裝成一個個圖元，OpenGL支持的圖元有點、線、三角形、折線、線環(huán)、三角形帶和三角形扇等。我們的IP核目前只考慮了對三角形圖元的處理，因為三角形是最基本的圖元，其它圖元只要在圖元裝配一級做一些處理就可以轉(zhuǎn)化為對三角形圖元的處理，點和線段的處理比三角形的處理簡單，只是在光柵化一級稍有不同，而一些復(fù)雜圖元則可以分解成三角形圖元來處理。

圖元裝配完成以后就應(yīng)該對不在視景體內(nèi)的圖元進行剔除，對部分在視景體內(nèi)的圖元進行剪切。由于視野的限制，人不可能同時看到所有的物體，舉例來說，你不可能看到自己背后是什么物體，因此在圖形學(xué)中用視景體來模擬視野的限制，將一些不顯示的圖元剔除剪切掉，以避免后級不必要的計算，減輕后級的負(fù)擔(dān)。

背面剔除模塊的工作是判斷圖元的正反面，根據(jù)需要顯示我們希望看到的那一面。因為雖然在視景體外面的圖元被剪切掉了，但是并不意味著所有剩下的圖元都會被顯示出來，比如一枚硬幣，當(dāng)印有人頭的一面對著我們的時候，另一面的字就不能呈現(xiàn)在我們面前，后級的處理也就不需要考慮有字的那一面。

前面五級的處理對象都是三維空間中的頂點數(shù)據(jù)，但我們的顯示設(shè)備只是二維的，這就需要我們將視景體中的三維圖元映射到二維平面上，投影交換模塊的作用就在于此。至此三維圖元就變成了二維的圖元，后面兩級就只需要對二維圖元進行處理。

光柵化一級需要將二維圖元的坐標(biāo)變換成整數(shù)，因為顯示設(shè)備的光柵是離散的點陣，該級還需要做的工作是填充圖元的內(nèi)部，另外圖元邊緣的反走樣也需要在該級完成。經(jīng)過該級的處理，二元圖元就變成了離散的片元數(shù)據(jù)，即人們常說的像素數(shù)據(jù)，每個像素數(shù)據(jù)都和顯示設(shè)備光柵上的某個點一一對應(yīng)。

最后一級是片段處理，它的工作就是在像素數(shù)據(jù)送到幀緩沖區(qū)之前再對像素數(shù)據(jù)進行篩選，因為只有符合條件的才會被寫入到幀緩沖區(qū)中。比如有一扇門，當(dāng)門關(guān)起來的時候我們就看不見門里的物體，這時只需將描述門的像素數(shù)據(jù)送到幀緩沖區(qū)中，門后面的物體是被門擋住了的，不應(yīng)該將描述門后物體的像素數(shù)據(jù)送到幀緩沖區(qū)。而當(dāng)門開著的時候，我們需要將描述門后物體的像素數(shù)據(jù)送到幀緩沖區(qū)中。同時如果需要Alpha混合，則還需要將兩個物體的重疊部分的像素的顏色值做混合處理。

這8個模塊是3D圖形處理器IP核的核心所在，我們的工作就是在課題組已有工作的基礎(chǔ)上，在4塊FPGAJ2用Verilog HDL來設(shè)計完善這8個模塊。

2.3 IP核的驗證平臺

驗證平臺的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。

驗證平臺的結(jié)構(gòu)示意圖

驗證平臺所使用的4片F(xiàn)PGA芯片是EP2C20Q240C8，它有18752個邏輯單元和239616BitSMemory，芯片之間采用級聯(lián)的形式，按先后順序我們分別用FPGAl、FPGA2、FPGA3、FPGA4來表示。

IP核的8個模塊需要按照圖形管線的結(jié)構(gòu)分別映射到4片F(xiàn)PGA中，根據(jù)圖形管線各模塊所做的工作，每個模塊在FPGA中的分配如圖3．3所示。

IP核各模塊在FPGA中的分配

按照圖中的劃分，我們可以看作是將IP核劃分成了4部分，這里我們分別稱之為FPGAl模塊、FPGA2模塊、FPGA3模塊和FPGA4模塊。由于條件限制，用來模擬CPU發(fā)送數(shù)據(jù)的epu．module也需要我們用Verilog HDL設(shè)計，epu 和IP核的幾何變換模塊屬于模塊，口核的光_module FPGAl照模塊屬于FPGA2模塊，F(xiàn)PGA3模塊則包含了IP核圖形管線的圖元裝配模塊、剔除剪切模塊、背面剔除模塊和投影模塊，IP核圖形管線最后兩個模塊光柵化和片段處理屬于FPGA4模塊。