There have been a lot of progresses in rendering hardware and at present, the quality of texture mapped image by commodity rendering hardware looks very similar to real objects. It is mainly due to texture mapping. Therefore, the texture mapping in rendering hardware becomes very important for the high performance. In this dissertation, three texture mapping algorithms for rendering hardware are proposed. The first texture mapping algorithm is to reduce the bandwidth of texture memory. To reduce the I/O bandwidth of the texture memory, a novel method using a map, called hint map, is proposed.
The hint-map is devised based on the fact that the number of texels within a block can be reduced by the variance of texels in the block. A hint bit in the hint map for a block specifies that the variance of texels within a block is less than a threshold value. During fetching a block from texture memory,
if a hint bit for a block is 1, all texels of the block are fetched.
Otherwise, one representative texel is fetched. Therefore, if a texture image has many blocks where the variance of texels is small, the I/O bandwidth consumed in texture mapping by using the texture image can be reduced. This method is evaluated using several images. The reduction of the bandwidth using the hint-map ranges from 85% to 97%. The second proposed algorithm is to enhance the quality of the MIPmapped image. It is the extension of the original footprint assembly
algorithm\cite{Strasser96} and can produce clearer texture mapped image than footprint assembly. In spite of the fact that the shape of footprint is an ellipse where one end is inflated and the other end is deflated, the footprint assembly approximates the shape of footprint by considering only the major and minor axis of ellipse.
In other words, it does not consider the variation of level of detail values along the major axis. Therefore, there are the quality degradation of texture mapped image by the footprint assembly. However, since the proposed method, adaptive footprint assembly, adjusts the MIPmap levels of texels along the major axis with considering the variation of level of detail values.
It can show clearer texture mapped image than footprint assembly when there is large variation of level of detail values in texture mapped images.
Lastly, a method to implement the environment mapping with low distortion in low cost commodity rendering hardware is proposed. Approximated spherical environment mapping\cite{McReynolds97} suffers from the distortion in environment mapped images, because it approximates the addresses of pixels within a projected triangle by linearly interpolating the addresses of vertices, but for all that the equation for the addresses of pixels is non-linear. Our method can reduce the distortion by implementing the non-linear equation with the common features in rendering hardware such as texture mapping, texture modulation and alpha test.
In order to verify the proposed methods, a graphics library, called `Virtual Graphics Subsystem(VGS)`, has been built suitable to developing rendering hardware. VGS has four layered structure such as AI (Application Interface) layer, GE (Geometric Engine) layer, RE (Rasterization Engine) layer and
FE (Fragment Engine) layer. Although the layered structure of VGS looks similar to OpenGL library, VGS is different from OpenGL library
in point of the fact that it provides developers with easy interface, flexibility and the environment for the verification and performance measure.
For the easy interface, the pipelines in VGS can be constructed through Graphics User Interface and the interfaces of modules in VGS are automatically generated so that the designers of modules need not consider the interfaces.
For the verification and performance measure, VGS monitors the type and number of floating point operations in GE layer. Also, it monitors the type and number of fixed point operations and provides the debugging environment supporting GUI in FE layer. For the flexibility, RE layer provides various rasterizing modes.
본 논문에서는 랜더링 하드웨어를 고려한 새로운 텍스처 맵핑 알고리즘들을 텍스처 메모리에 대한 대역폭, 텍스처 맵핑된 영상의 화질 그리고 텍스처 맵핑의 응용 등의 세가지 측면에서 제안하였다. 먼저 텍스처 메모리 대역폭 측면에서 제안한 방법은 기존의 텍스처 캐쉬, 텍스처 압축 기법들이 사용될 수 없는 분야에서 효과적으로 대역폭을 절감할 수 있는 방법이다. 기존의 텍스처 캐쉬는 텍셀들의 시공간 상의 재 사용율이 떨어지는 응용분야에서는 제대로 대역폭 절감을 이룰 수 없고, 텍스처 압축은 손실 압축이고 또한 압축 과정이 매우 긴 시간을 필요로 하므로, 실시간으로 변화되는 영상을 텍스처 이미지로 사용하는 응용분야에 대해서 사용할 수 없는 단점이 있다. 제안한 방법은 텍스처 메모리 외에 힌트맵이라는 메모리를 이용한다. 힌트맵에 저장된 힌트 비트는 텍스처 영상 내 텍셀들로 구성된 블록의 특성 값을 저장하고 있는 것으로서, 텍셀들을 블록 단위로 텍스처 메모리로 부터 읽어오는 경우, 블록에 해당되는 힌트 비트에 의해서 블록을 구성하는 전체 텍셀이 읽혀져야 하는지, 일부만 사용될 수 있는지가 결정된다. 제안한 방법이 사용한 블록의 특성은 블록 내부 텍셀의 분산 값인데, 분산 값이 임게치 보다 작은 경우에는 블록 내 텍셀들의 값을 대표할 수 있는 한 개의 텍셀이 텍스처 메모리로 부터 읽혀지고, 큰 경우에는 블록을 구성하는 모든 텍셀 값이 읽혀지게 한다. 더우기, 많은 텍스처 영상들이 분산이 작은 블록들을 많이 포함하고 있으므로, 이러한 텍스처 영상들을 이용해서 텍스처 맵핑을 수행하는 경우 높은 대역폭 절감을 볼 수 있었다. 제안한 방법은 텍스처 캐쉬를 이용하지 않고, 또한 분산을 구하는 것은 매우 단순한 연산을 필요로 하기 때문에, 텍스처 압축 기법이 사용 될 수 없는 응용 분야에서도 사용 될 수 있는 장점이 있다. 텍스처 맵핑된 영상의 화질 측면에서, 본 논문에서는 기존의 footprint assembly보다 더 나은 선명도를 가지는 adaptive footprint assembly를 제안하였다. 기존의 랜더링 하드웨어를 고려한 텍스처 필터링 기법으로는 MIPmapping과 footprint assembly라는 방법이 있는데, MIPmapping은 footprint를 정사각형으로 지나치게 근사화함에 의해서 텍스처 맵핑된 영상이 전반적으로 흐릿함을 보이는 문제가 있다. 반면에 footprint assembly는 footprint를 정사각형에 비해서 자유도가 높은 타원으로 근사화하여 MIPmapping에 비해서 전반적으로 선명도가 개선되었지만, footprint의 일반적인 모양이 한 쪽은 팽창하고 한 쪽은 수축되어있는 타원임을 고려하면, footprint？ssembly는 여전히 footprint를 부적절하게 근사화하고 있다. 따라서, footprint assembly에 의해서 텍스처 맵핑 된 영상은 화질 저하 문제가 여전히 발생한다. 본 논문에서 제안한 adaptive footprint assembly는 footprint를 footprint assembly와 같이 타원으로 근사화하지만, 타원의 장축 방향에 따른 단축 방향의 길이도 같이 고려함에 의해서 좀 더 정확하게 footprint를 근사화하는 방법이다. 제안한 방법은 texels들의 level of detail의 변화율이 큰 경우에 대해서 상당한 화질 개선을 이루는 장점이 있다. 또한 제안한 방법에 대한 근사화 방안을 제시함으로서, 랜더링 하드웨어의 구현을 도모하였다. 마지막으로 텍스처 맵핑의 응용분야로서 environment mapping의 랜더링 하드웨어화의 구현 방법에 대해서 제안하였다. 기존의 environment mapping의 랜더링 하드웨어에의 구현을 위한 대표적인 방법으로서는 Reflection Vector Shading(RVS)와 Approximated Spherical Environment Mapping (ASEM)이 있는데, 전자는 픽셀 당 environment map이 저장되어있는 메모리에 대한 주소를 정확하게 구하지만, 기존의 랜더링 하드웨어에 대한 지나친 변경을 필요로 하고, 반면에 후자는 기존의 랜더링 하드웨어에 구현될 수 있는 장점이 있지만, environment map이 저장되어있는 메모리에 대한 주소를 근사화하에 의해서 구하므로, environment mapping된 영상에 왜곡이 발생하는 문제가 있다. 이에 대해서 본 논문에서는 왜곡을 나타내지 않는 RVS를 랜더링 하드웨어 구현 할 수 있도록 단순화하는 방법에 대해서 제안하였다. 제안된 방법에 의해서 생성된 영상은, 기존의 ASEM에서 발생했던 왜곡 문제가 발생하지 않고, RVS에 의한 영상에 견줄만한 화질을 보여주었다. 마지막으로 언급한 세가지 방법에 대한 검증을 위해서 가상 그래픽 서브 시스템 (Virtual Graphics Subsystem)을 제안하였는데, VGS는 기본적 랜더링 하드웨어 구조를 내부적으로 포함하고 있고, 개발자가 새로운 알고리즘이나 구조를 기본적 랜더링 하드웨어 구조에 구현하고자 할 때, 새로운 기능을 편리하게 추가 또는 변경할 수 있도록 하는 환경을 제공한다. 또한, VGS는 기존의 랜더링 라이브러리와 다르게 새로 설계된 랜더링 하드웨어의 성능 측정을 위해서 기하연산 부분에서는 부동 소수점 연산량을 측정할 수 있고, 래스터라이징 연산 또는 화소 연산 부분에서는 고정 소수점의 연산량, 고정 소수점의 정밀도, 또한, 요구되는 메모리에대한 대역폭을 측정할 수 있는 환경을 제공한다.
