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基于FPGA的3D图形处理器IP核的设计与实现

作　者: 谭显强
导　师: 吴宁
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 电路与系统
关键词: 图形处理器 图形管线 IP核 FPGA Verilog HDL
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


图形处理系统是当代计算机系统的重要组成部分,传统的图形处理系统都采用一片专用的图形处理器GPU来缓解CPU在图形处理方面的负担,而随着人们对众多电子产品图形显示方面需求的不断提高,对于性能方面略逊一筹的嵌入式系统更需要专门的GPU来处理越来越复杂的图形。传统图形处理器GPU的发展已经相对成熟,而研究适合嵌入式系统的高性能GPU却还有许多问题有待解决。因此,关于嵌入式GPU的设计和研究具有重要的意义。论文在深入了解计算机图形学及相关算法的基础上,回顾了图形处理器及其渲染机制的发展历史,分析了图形系统的组成。论文采用OpenGL作为系统的图形API,选取了21条基本的API命令,定义了它们的渲染列表格式和命令字编码,并以此作为IP核的设计规约。图形管线分为几何和光栅两部分,最终细化为8个模块,分别在四片FPGA上用Verilog语言加以实现。论文对GPU的模块进行了详尽的分析与设计,重点研究实现了几何变换模块的缩放变换和组合变换,光照模块中对两个光源的处理,以及三角形图元的剔除剪切与反走样。IP核的设计、建立、调试及综合仿真都在Quartus II 6.0集成开发环境下面完成,IP核工作频率为50MHz,FPGA的逻辑资源占用率在80%左右,共占用的逻辑单元在60000 LE内。最终在验证平台上能够正确执行所选的21条API命令,并能完成对三维物体的平移、缩放、光照计算、剔除剪切以及光栅化等工作。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-12
第一章 绪论  12-18
  1.1 图形处理器的发展及现状  12-15
    1.1.1 图形处理器概念的提出  12
    1.1.2 图形处理器的发展历史  12-15
    1.1.3 图形处理器的发展现状  15
  1.2 研究嵌入式图形处理器的意义  15-16
  1.3 课题研究的目标内容及论文章节安排  16-18
第二章 嵌入式图形系统的组成  18-35
  2.1 图形系统简介  18-19
  2.2 图形系统渲染机制  19-20
  2.3 图形应用程序接口  20-35
    2.3.1 OpenGL 在图形系统中的作用  20-21
    2.3.2 所选API 命令的渲染列表格式及其编码的定义  21-35
第三章 IP 核的图形管线结构设计  35-43
  3.1 IP 核的图形管线结构  35-36
  3.2 IP 核的验证平台  36-38
  3.3 IP 核的硬件设计  38-43
    3.3.1 FPGA1 模块的硬件设计  38-39
    3.3.2 FPGA2 模块的硬件设计  39-40
    3.3.3 FPGA3 模块的硬件设计  40-41
    3.3.4 FPGA4 模块的硬件设计  41-43
第四章 IP 核几何部分的设计与实现  43-66
  4.1 IP 核所涉及坐标系的介绍  43-44
  4.2 几何变换模块  44-48
    4.2.1 几何变换的原理  44-46
    4.2.2 几何变换的实现  46-48
  4.3 光照模块  48-52
    4.3.1 光照的原理  48-49
    4.3.2 光照的实现  49-52
  4.4 图元装配模块  52-53
    4.4.1 图元装配的原理  52-53
    4.4.2 图元装配的实现  53
  4.5 剔除剪切模块  53-59
    4.5.1 剔除剪切的原理  53-56
    4.5.2 剔除剪切的实现  56-59
  4.6 背面剔除模块  59-61
    4.6.1 背面剔除的原理  59-60
    4.6.2 背面剔除的实现  60-61
  4.7 投影变换模块  61-66
    4.7.1 投影变换的原理  61-64
    4.7.2 投影变换的实现  64-66
第五章 IP 核光栅部分的设计与实现  66-77
  5.1 光栅化模块  66-73
    5.1.1 光栅化的原理  66-67
    5.1.2 反走样的原理  67-69
    5.1.3 光栅化的实现  69-71
    5.1.4 反走样的实现  71-73
  5.2 片段处理模块  73-75
    5.2.1 片段处理的原理  73-74
    5.2.2 片段处理的实现  74-75
  5.3 IP 核的功能验证  75-77
结论  77-79
参考文献  79-82
致谢  82-83
在学期间的研究成果及发表的学术论文  83

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理（信息加工） > 模式识别与装置 > 图像识别及其装置
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