【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高速図形表示に使用するコンピュータグラフィックス多角形頂点（polygonal
vertex）データを集積して処理する装置および方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】アウトザウインドー・シュミレーション
(out-the-window simulation)は、オペレーターとコンピューターシステム間の相互作用を増すためのコンピューターグラフィックスによる真に迫った映像を作り出す。 例えば、アウトザウインドー・シュミレーションは現在、パイロットに実際の飛行の感覚を味わわせるため、飛行訓練シュミレーターに使用されている。 一般的に、表示される映像はコンピューターグラフィックスシステムによって作られる数多くの二次元および三次元の多角形からなる。 アウトザウインドー・シュミレーションを効果的に行うためには、グラフィックスシステムは表示される多角形を回転させたり傾斜させたりすることが可能でなければならない。 これらの処理には、頂点データを遠近法と結び付けたワールド座標（無次元デカルト座標）を含むワールド値(world spacevalues)に変換させるためのマトリックス変形を行うシステムを必要とする。 適切なマトリックス係数を選択することにより、
多角形ベクトルは測定され、遠近法に従って自在に回転もしくは傾けることができる。 典型的な従来技術のシステムは、図形表示においてコンピューターグラフィックス映像を作成するにあたり、前もって各多角形の頂点座標を記憶し、それに基づいて検索および変形を行っている。

【０００３】図１は、図形表示において多角形を作成するために頂点データを処理する典型的な従来技術の説明図である。 システム１０はＣＰＵ１２、表示リスト装置１４、表示リスト制御装置１６、変形プロセッサ１８
と、後端プロセッサ２４を含む表示手段２０からなる。
ＣＰＵ１２は頂点座標を計算し表示リスト装置１４に送る。 そこで頂点データは変形のために記憶される。 表示制御装置１６はシステム１０により順に表示リスト装置１４から必要な頂点データを取りだし、個々の頂点データを変形プロセッサ１８に送る。 変形プロセッサ１８
は、多角形頂点座標をワールド座標に変換するために受け取った多角形頂点データをマトリックス変形する。 変形プロセッサ１８は次に変形したマトリックスデータを後端プロセッサ２４に送る。 後端プロセッサ２４は、表示手段２０により表示されるグラフィック映像を作りだすため、走査線変換(scan line conversion)とピクセルレンダリングを行う。 典型的な従来のシステムにおいては、一頂点が一つのもしくはそれ以上の多角形によって共有されているかどうかにかかわりなく各頂点が変形されなければならなかった。 それゆえ多角形が一頂点を共有している場合、システムは冗長変形計算を行い、貴重なコンピューター時間を無駄にし、表示されるグラフィックス映像を更新する過程を遅延させていた。

【０００４】マトリックス変形を行うのに必要な時間は、多数の頂点座標を持つ複数の多角形状を含む表示映像を回転もしくは傾斜させる場合に重要となってくる。
例えば、４×４マトリックス変形プロセスを使用した頂点座標の典型的な単一マトリックス変形は、１６個の掛け算と１２個の足算、あわせて２８個の浮動小数点演算を必要とする。 表示映像の位置が増分変化する毎に、最新の映像を表示するために表示映像の各頂点を変形しなければならない。 複雑な映像を変形するためにはかなりの時間を要する。 それゆえ、最新の表示を得るための時間を減らすため、冗長頂点変形を減少もしくは排除することが必要となる。

【０００５】「メッシュ」多角形データを使用して冗長変形を減らす提案がなされた。 フォーリー、ヴァン ダム、フェイナーとヒューゲによる「コンピューターグラフィックスの原理と実践」（１９９０年、アディソン
ウェズリー出版社）のなかでの定義によると、多角形メッシュとは、三次元ボリュームを表す一組の連結した多角形表面のことである。 多角形メッシュは、明確な多角形、または頂点やエッジのポインターリストによって表示することができる。 明確な多角形として表された場合、データ冗長を減少するために比較を要するので、
「メッシュ」は同一の情報を頂点やエッジという形でも有する。 リストとして表される場合、メッシュシステムは頂点構成を捜索する間接照合機構を使用し、通常は隣接エッジを見つけるためにソートを必要とする。 シュミレーションにおいて、上記の余分な処理を必要とすることは時間の浪費であり、メッシュの使用は好ましくない。 それゆえ、冗長変形を排除するためのより効率的な方法が望まれた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】シュミレーションにおいては、コンピューターグラフィックス映像の表示にかかる時間を短縮することが望まれる。 本発明はアウトザウインドー・シュミレーションのための表示データを作成するのに必要な冗長計算の数を減らすことによって、
よりよい性能のコンピュータ表示システムを提供する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、多角形を表示するコンピューターグラフィックスの性能を向上させるための装置および方法を提供する。 プロセス装置が、多角形に関連した頂点データを作成し、部分和を共有する頂点にインデックス値を割当て、頂点データとインデックス値を第１メモリ装置に記憶する。 表示リスト制御ユニットが順に第１メモリ装置から頂点データとインデックス値を検索する。 変形ユニットが頂点データをワールドデータ(world space deta)に変換する。 キャッシュ記憶ユニットはワールドデータを第２メモリ装置（キャッシュメモリ装置が適している）に記憶させ、表示リスト制御ユニットによって第１メモリ装置に記憶されるインデックス値が呼びだされる毎に、ワールドデータを第２
メモリ装置から検索する。 次にキャッシュ記憶ユニットは、ワールドデータを表示装置に移送する。

【０００８】一つの実施例において、キャッシュ記憶ユニットはキャッシュメモリ装置、キャッシュ制御装置およびバッファー装置を有する。 ワールドデータはキャッシュメモリ装置に記憶される。 キャッシュ制御装置はキャッシュメモリ装置に連結している。 表示リスト制御ユニットがインデックス値を検索する毎に、キャッシュ制御装置は対応するワールドデータをキャッシュメモリ装置から検索して内部バスへと移送する。 バッファー装置は内部バスからワールド座標を受け取り、ワールドデータを表示装置に移送する。

【０００９】別の実施例において、上記キャッシュ制御装置はインデックス値を第１メモリ装置から受け取り、
インデックス値をキャッシュメモリ装置のアドレスポートに提供するインデックス装置を有する。 キャッシュ制御装置はさらにインデックス装置、キャッシュメモリ装置およびバッファー装置を制御する制御ブロックを有する。

【００１０】

【実施例】図２は、本発明を実施する頂点プロセスシステム１１を表している。 コンピュータープロセスユニット（ＣＰＵ）１２は、最初に多角形の頂点が発生したとき多角形頂点データを作成し、また複数の多角形によって共有されている頂点を特定するためインデックス値を作成し、作成した頂点データとインデックス値を表示リストメモリ１４に記憶させる。 表示リストコントローラ１６は順に表示リストメモリ１４の各メモリロケーションの内容にアクセスし、検索したデータを変形プロセッサ１８に移送する。 変形プロセッサ１８は選択された頂点データにマトリックス変形を施し、頂点データをワールド座標を含むワールドデータに変換し、その座標を表示装置２０の後端プロセッサ２４に送る。 同時に各オリジナルの頂点のワールド座標は将来の参照に備えてキャッシュ記憶手段２２に記憶される。 表示リストコントローラ１６は、順に表示リストメモリ１４から情報を検索し継続的に上記のようにデータを処理する。 しかしながら、表示リストコントローラ１６がオリジナルの頂点データではなくインデックス値を表示リストメモリ１４から検索した場合、表示リストコントローラ１６はキャッシュ記憶手段２２に記憶される共有頂点の変形された座標へアドレスするためにインデックス値を利用する。 キャッシュ記憶手段２２は次に、変形された値を変形プロセッサ１８によって頂点データの冗長マトリックス変形を施す必要なしに表示手段２０に提供するので、表示されたグラフィックス映像の作成および更新に必要な時間を減らすことができる。

【００１１】例えば、図３はグラフィックスシステムによって表示される多角形の実例Ａ、ＢおよびＣを表している。 多角形Ａに関する頂点データはＡ１、Ａ２、Ａ３
と表示される。 多角形Ｂはオリジナルの頂点Ｂ１、Ｂ２
を有し、頂点Ａ２、Ａ３を多角形Ａと共有する。 多角形Ｃはオリジナルの頂点Ｃ１を有し、頂点Ａ１を多角形Ａ
と、頂点Ｂ２を多角形Ｂと共有する。 図４において示すように、これらの頂点データは順に表示リストメモリ１
４と称するシステムメモリの位置部に記憶される。 このようにして記憶される各多角形の多角形情報は、連続した頂点データに対応する多角形を識別する多角形ヘッダーを含む。 例えば、多角形Ｂに対応する多角形情報は多角形Ｂヘッダーによって始まり、続いてオリジナルの頂点Ｂ１、Ｂ２、そしてその後に多角形Ａと共有される頂点Ａ３、Ａ２に対応するインデックス値が続く。 各多角形頂点は、Ｘ、Ｙ、Ｚの頂点座標によって表され、それらは浮動小数点形式により表示リストメモリ１４に記憶される。 各インデックス値はバイナリー形式によって表示リストメモリ１４に記憶される。

【００１２】図５は本発明のシステムの詳細な説明図である。 ＣＰＵ１２は図４に示されるような多角形頂点データを図５に示される表示リストメモリ１４に提供し、
記憶させる。 表示リストコントローラ１６は順にオリジナルの頂点データを表示リストメモリ１４より検索し、
頂点座標をワールド座標にマトリックス変換させるため、そのデータを変形プロセッサ１８に送る。 変形プロセッサ１８は続いてワールド座標を表示手段２０の後端プロセッサ２４に提供する。 後端プロセッサ２４はワールド座標をスクリーン座標に変換するためにクリップテスト、透視区分（perspective divide)およびマッピングを施す。 同時に、表示リストコントローラ１６はキャッシュ記憶装置２２に信号を送る。 キャッシュ記憶装置２２はキャッシュ制御装置２６、頂点キャッシュメモリ装置２８、およびキャッシュ入力／出力（Ｉ／Ｏ）バッファー３０を有する。 制御装置２６はＩ／Ｏバッファー３０の入力ポートを活動させ、それにより新たに変換されたワールド座標はラッチされる。 キャッシュ制御装置２６は次に、Ｉ／Ｏバッファー３０の入力ポートにあるワールド値を頂点キャッシュメモリ装置２８に記憶させるという指令を遂行する。

【００１３】システムは、表示コントローラ１６が共有頂点のインデックス値（例えば図４に示される多角形Ｂ
のインデックスＡ３）を有する表示リストメモリロケーションに移行するまで、連続して表示リストメモリ１４
からオリジナル頂点データを受け取り、そのデータを変形プロセッサ１８によりワールド座標に変換し、その座標を頂点キャッシュメモリ装置２８に記憶させ、ワールド座標を後端プロセッサ２４に上記の方法で送る。 Ａ３
インデックス値を受け取るにあたり、図５に示す表示リストコントローラ１６はＡ３インデックス値をキャッシュ制御装置２６に送り、その後、以前に変換された多角形Ａのオリジナル頂点Ａ３の座標に対応するワールド座標を有するキャッシュメモリロケーションをアドレスする。 キャッシュ制御装置２６は次に受け取り指令を遂行し、頂点Ａ３に対応するインデックス化されたワールドデータをキャッシュ入力／出力バッファー３０の出力ポートに記憶させる。 キャッシュ制御装置２６はその後キャッシュ入力／出力バッファー３０に信号を送ることにより、Ａ３ワールド座標を後端プロセッサ２４に送るためにＡ３ワールドデータをシステムバス３１に送り、後端プロセッサはクリップテスト、透視区分、マッピング、スキャンライン変換とレンダリングを行い、表示装置２０にグラフィック映像を作り出す。 その後、表示コントローラ１６は次の表示リストメモリロケーションに移行し、上記のプロセスを繰り返す。

【００１４】図６は本発明の実施例の詳しい説明図である。 ここではＣＰＵ１２が既に表示リストメモリに多角形頂点データを記憶させたと仮定している。 表示リストコントローラ１６は順に表示リストメモリ１４から多角形頂点データを受け取り、そのデータをワールド座標などのワールドデータにマトリックス変形するために変形プロセッサ１８に送る。 変形プロセッサ１８は新たに変形されたワールド座標をシステムバス３１を介してグラフィックス表示装置２０の後端プロセッサ２４に送る。
同時に、変形プロセッサ１８は入力／出力バッファー３
０の入力レジスター３２にワールド座標を提供する。 入力／出力バッファー３０は入力レジスター３２と出力レジスター３４を有する。 表示リストコントローラ１６は次にバス３３を介して制御信号を制御ブロック３６に送り、それを受けた制御ブロック３６は入力レジスター３
２が新たに変形されたデータをラッチするよう入力レジスター３２に信号を送る。 制御ブロック３６はその後、
入力レジスター３２の内容を記憶するよう頂点キャッシュメモリ装置２８に信号を送る。 頂点キャッシュメモリ装置２８は５００個の多角形の変形頂点データを記憶可能であることが好ましい。

【００１５】図６のシステムは、表示コントローラ１６
が表示リストメモリ１４からインデックス値を受け取るまで、上記の方法で連続して表示リストメモリ１４から頂点データを受け取り、データを変形プロセッサ１８によってワールド値に変換し、ワールド値をキャッシュメモリ２８に記憶させ、変形された値を後端プロセッサに送る一連の作業を続ける。 インデックス値を受け取るにあたり、表示リストコントローラ１６はバス３５を介してインデックス値を先入れ先出し（ＦＩＦＯ）レジスターに、つまり先入れ先出しインデックサー３８に送る。
先入れ先出しインデックサー３８は次に、インデックス値をキャッシュメモリ装置２８のアドレス制御ポート４
０に提供する。 制御ブロック３６はその後、信号をキャッシュメモリ装置２８に送り、メモリ装置２８は順に、
受け取ったインデックス値をアドレス制御ポート４０において共有頂点のインデックス値に対応する既に記憶されているワールド座標をアドレスするために使用し、ワールド座標をキャッシュメモリ装置データバス３７に送る。 制御ブロック３６は次に入力／出力バッファー３０
の出力レジスター３４に信号を送り、それを受けたレジスター３４はワールド値をキャッシュデータバスから後端プロセッサ２４のアクセスのためシステムバス３１へ移送する。 後端プロセッサ２４はクリップテスト、透視区分、マッピング、スキャンライン変換とレンダリングを行い、表示装置２０にグラフィック映像を作り出す。
その後、表示コントローラ１６は次の表示リストメモリロケーションに移り上記のプロセスを繰り返す。

【００１６】

【発明の効果】冗長変形の過程を排除した結果、本発明のシステムはアウトザウィンドー・シュミレーションを行うのに必要な時間を減らすことができる。 例えば、インデックス探索を行うのに必要な時間は約４サイクルである。 それに比較して、変形を行う過程は約２０サイクル時間が必要となる。 このように本発明のシステムは表示すべき多角形の各共有頂点につき、従来のグラフィックスシステムに比べて必要な時間が５分の１に減り、機能の向上を実現した。 要約すると、本発明のシステムはパイプライングラフィックス表示システムにキャッシュ記憶手段と関連する制御ハードウェアを加えることにより共有頂点データの冗長マトリックス変形を減らしまたは排除し、その結果アウトザウィンドー・シュミレーションにおいて表示するグラフィックス映像を作成するのに必要な時間を減らすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】頂点データを処理するための典型的な従来技術の説明図である。

【図２】本発明を実施する多角形頂点システムの説明図である。

【図３】本発明のシステムにより表示される多角形の例である。

【図４】頂点データを有するメモリのなかの多角形表示リストの説明図である。

【図５】本発明のキャッシュ記憶手段の詳細な説明図である。

【図６】本発明を実施する多角形頂点プロセスシステムの詳細な説明図である。

【符号の説明】

１１ 頂点プロセスシステム １２ コンピュータープロセスユニット（ＣＰＵ） １４ 表示リストメモリ １６ 表示リストコントローラ １８ 変形プロセッサ ２０ 表示装置 ２２ キャッシュ記憶手段 ２４ 後端プロセッサ ２６ キャッシュ制御装置 ２８ 頂点キャッシュメモリ装置 ３０ キャッシュ入力／出力（Ｉ／Ｏ）バッファー ３１ システムバス ３２ 入力レジスター ３４ 出力レジスター ３６ 制御ブロック ３８ 先入れ先出しインデックサー ４０ アドレス制御ポート