[논문]Programmable Vertex Shader를 내장한 3차원 그래픽 지오메트리 가속기 설계

하진석; 정형기; 김상연; 이광엽

Programmable Vertex Shader를 내장한 3차원 그래픽 지오메트리 가속기 설계
Design of a 3D Graphics Geometry Accelerator using the Programmable Vertex Shader 원문보기

電子工學會論文誌. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea. SD, 반도체, v.43 no.9 = no.351, 2006년, pp.53 - 58

하진석 (서경대학교 컴퓨터공학과) , 정형기 (서경대학교 컴퓨터공학과) , 김상연 (서경대학교 컴퓨터공학과) , 이광엽 (서경대학교 컴퓨터공학과)

초록
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버텍스 쉐이더는 fixed function T&L(Transform and Lighting) 엔진의 유연성을 향상시키고, 이전보다 다양한 3D 그래픽 효과를 표현하기 위하여 설계되었다. 본 논문의 쉐이더는 DirectX 8.1 의 Vertex Shader 1.1 과 OpenGL ARB에 기초하여 설계하였다. 버텍스 쉐이더는 벡터 연산을 위하여 4개의 ALU로 구성된다. 작은 면적의 저전력 설계를 위하여 32비트 부동소수점 데이터 형식을 24비트 데이터 형식으로 대체하였다. 버텍스 쉐이더 코어의 동작 검증을 위하여 Xilinx Virtex2 300M gate 모듈을 사용하였다. 시납시스 합성결과 TSMC 0.13um 공정에서 115MHz의 주파수로 동작가능하고, 12.5M Polygons/sec 의 연산성능을 보였다. 버텍스 쉐이더 코어의 면적은 동일 공정에서 11만 게이트를 차지한다.

Abstract ▼ AI-Helper

A Vertex Shader is designed to show more 3D graphics expressions, and to increase flexibility of the fixed function T&L (Transform and Lighting) engine. Design of this Shader is based on Vertex Shader 1.1 of DirectX 8.1 and OpenGL ARB. The Vertex Shader consists of four floating point ALUs for vectors operation. The previous 32bits floating point data type is replaced to 24bits floating point data type in order to design the Vertex Shader that consume low-power and occupy small area. A Xilinx Virtex2 300M gate module is used to verify behaviour of the core. The result of Synopsys synthesis shows that the proposed Vertex Shader performs 115MHz speed at the TSMC 0.13um process and it can operate as the rate of 12.5M Polygons/sec. It shows the complexity of 110,000 gates in the same process.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 휴대 정보기기 시스템에서 더욱 향상된 실시간 3D 그래픽 가속 능력을 갖는 그래픽 시스템의 SoC (System on Chip) 구현을 위해 효과적인 Geometry 처리 구조를 연구하였다. 이를 기반으로 3D 그래픽 Geometry 처리과정에서 3D 그래픽 표현에 프로그래머의 다양한 프로그래밍을 가능하게 하는 Vertex Shader 프로세서를 설계하였다.

제안 방법

1 명령어에 모두 호환하도록 28개의 Primitives 명령어와 2개의 Macro 명령어로 구성하였다. 28개의 명령어를 실행 Cycle 수에 따라 ALU Operation 명령어와 Special Function 명령어로 구분하였다. 명령어는 MO-LUT의 Index를 포함하며, 해당하는 MO-LUT 내용에 따라 Vertex shader의 구체적인 동작 방식을 정의하게 된다.
현재는 Geometry 처리를 fixed function T&L (Transform & Lighting) 엔진과 Vertex Shader를 병 렬로 배치하여 선택적으로 사용하고 있다. Fixed function T&L(Transform & Lighting) 엔진으로 처리할 수 없는 기능들을 Vertex Shader를 이용하여 처리 하거나, 독자적으로 처리를 한다. 향후에는 Vertex Shader만을 사용하여 3D 그래픽 처리를 하게 될 전망이다.
Vertex Shader를 검증하기 위해 Fig.8 과 Fig.9 에보인 검증 플랫폼을 자체적으로 제작하였다. 플랫폼은 FPGA 에 프로그램 된 H/W 모듈과 소프트웨어로 PC 에 구현된 S/W 에뮬레이션 모듈, Test를 위한 3D 모델을 제공하는 API 와 GUI로 구성된다.
3D 그래픽 처리 과정은 정점의 좌표를 변환하고 광원의 효과를 반영하여 정점의 색을 결정하는 Geometry 단계와 픽셀의 색과 좌표를 정하는 Rendering 단계로 구분된다. 과거의 3D 그래픽 가속기구조는 Fig.l과 같이 fixed function T&L(Transform & Lighting) 엔진으로 Geometry 처리를 하였고, fixed function Texturingi: 사용하여 Rendering 을 하였다. 현재는 Geometry 처리를 fixed function T&L (Transform & Lighting) 엔진과 Vertex Shader를 병 렬로 배치하여 선택적으로 사용하고 있다.
Geometry 연산 처리를 프로그래밍할 수 있게 하였으며, 다양한 3D 그래픽 벡터 연산을 위해서 4개의 floating point 연산을 동시에 처리할 수 있도록 SIMD 구조로 이루어져 있다. 본 논문에서는 Fig.3과 같이 OpenGL 의 API를 사용하여 생성된 Shader 명령어를 FPGA에 프로그램된 Vertex Shader 로 처리하는 구조로 설계하였다.
처리 구조를 연구하였다. 이를 기반으로 3D 그래픽 Geometry 처리과정에서 3D 그래픽 표현에 프로그래머의 다양한 프로그래밍을 가능하게 하는 Vertex Shader 프로세서를 설계하였다.
제안하는 Vertex Shader 프로세서는 OpenGL ARB 의 명령어와 DirectX 의 Vertex Shader 1.1 명령어에 모두 호환하도록 28개의 Primitives 명령어와 2개의 Macro 명령어로 구성하였다. 28개의 명령어를 실행 Cycle 수에 따라 ALU Operation 명령어와 Special Function 명령어로 구분하였다.

대상 데이터

정보들을 입력받으면서 시작된다. 모델 데이터는 한좌표의 정보, 각 좌표의 수직 방향을 나타내는 Normal Vector, 물질과 광원의 Ambient, Diffuse, Specula 색 속성 정보와 각 단계에서 요구되는 파라메터들이 포함된다. Transformation 처리 과정에서는 모델의 좌표를 시점과 이동 정보로 변환하는 Model/view Trans formation 과정, 3D View Volume 으로 투영하는 Projection 과정, View Volume 밖에 위치하는 모델의 정점을 절단하는 Clipping 과정, 모델의 정점 좌표 X, y, z를 w로 나누는 Divide by W 과정과 2D 화면 좌표로 모델 좌표를 변환하는 ViewPort Transformation 과정으로 구성된다.

이론/모형

l과 OpenGL ARB⑹를 지원하고 있으며, Gore의 융통성을 위하여 내부 Temporary Register가 4개 추가되었다. 명령어의 추가 및 확장이 가능한 Instruction Set 구조를 설계하기 위하여 MO-LUT (Micro-Operation Look-Up Table) 을 사용하였다. MO-LUT는 총 64개의 LUT로 구성되어 있다.

성능/효과

3차원 그래픽 쉐이더 명령어 기반의 그래픽 가속기를 Fully Hardware로 설계하였으며 명령어는 OpenGL ARB 및 DirectX &0과 호환성을 유지하였다.

후속연구

Fixed function T&L(Transform & Lighting) 엔진으로 처리할 수 없는 기능들을 Vertex Shader를 이용하여 처리 하거나, 독자적으로 처리를 한다. 향후에는 Vertex Shader만을 사용하여 3D 그래픽 처리를 하게 될 전망이다.

참고문헌 (10)

Makoto Awaga, Tatsushi Ohtsuka, Hideki Yoshizawa and Shigeru Sasaki, '3D Graphics Processor Chip Set,' IEEE Micro, pp.37-41. dec., 1995

상세보기
J. C. Jeong, W. C. Park, W. Jeong, T. D. Han, M. K. Lee 'A Cost-Effective Pipelined Divider with a small Lookup Table', IEEE Transactions on Computers, pp.489-495. 2004

상세보기
Tomas Akenine-Moller, Eric Hainess 'REALTIME RENDERING', Second Edition, AKPeters Natick, Massachusetts, 2003
James C. Lelterman. Learn Vertex and Pixel Shader Programming with $DirectX{\circledR}$ 9. Wordware Publishing, Inc.
김재우, 모바일 3D 그래픽을 위한 음영처리 프로세서 설계 (서경대학교 대학원2004년 12월)
박용진. 역함수를 이용한 작은 룩업테이블을 갖는 조명처리 지수 연산 유닛. (연세대학교 대학원 2004년 12월)
Microsoft MSDN Vertex Shader 1.1 (http://msdn.microsoft.com/archive/default.asp?url/archive/en-us/directx9_c/directx/graphics/reference/Shaders/ VertexShader1_1/vertex.asp)
Woo Kyeong Jeong, 'A SIMD-DSP/FPU for High- Performance Embedded Micro processors,' Phd Thesis, Yonsei University, Dec, 2002
Inseok Song, JinSeok ha, MyungHwan Kim, KwangYeob Lee, TaeHyun Jo, 'A Design of a Verification System for a Hardwired 3D Graphics Geometry Engine', The 13th Korean Conference on Semiconductors, pp.887-888, 2006
Juho Sohn, Ramchan Woo, Hoijun Yoo, 'A Programmable Vertex Shader with Fixed-Point SIMD Datapath for Low Power Wireless Applications', The Eurographics Association 2004, pp. 107-104

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