3D graphics in multimedia terminals

Abstract

Digital audio and video signals are getting stronger foothold at the home environment. Until now only digital audio has been extensively utilized, mainly in storage media. Digital video broadcasting is changing the situation by supplying also digital video signal. Digital transmissions also facilitate new kinds of services, like near video on demand, games, virtual reality or home shopping. These new services will use graphics, video and audio extensively. Especially 3D graphics is emerging in many applications. Games are already utilizing it extensively. The next generation of digital receivers will combine all these functionalities together, thus comprising a multimedia terminal. -There are no standards or recommendations for 3D graphics rendering. As a consequence a large number of algorithms exist for traditional rendering pipeline. Efficient algorithms are available for hardware and for software implementation. Furthermore, the trade-off between quality and rendering speed is easily managed. Game applications also use new proprietary techniques to increase the rendering speed. -3D graphics rendering requires very high processing power, similar to decompression of digital video. Graphics rendering can be done either with a programmable microprocessor or with an application specific integrated circuit. First fully programmable chips are now available for video decompression, called as multimedia processors. These new multimedia processors, or media processors, make possible to implement a very cost-effective hardware architecture that can be used for video decompression and for 3D rendering. The same media processor can be used for both applications due to the full programmability. -This thesis introduces common 3D graphics algorithms -and evaluates them from the media processor point of view. Also new techniques used in games and virtual reality applications are shortly presented. The main features of media processors are described in the thesis. Also some representatives of media processors are depicted in detail. Finally, example architectures of multimedia terminal with different approaches are evaluated. The studies in this thesis show that media processors suit 3D graphics rendering well. Multimedia terminal implementation based on media processors is also cost-effective.

Digitaaliset ääni- ja videosignaalit ovat yleistymässä myös kotiympäristössä. Digitaaliset videolähetykset tarjoavat myös digitaalista videosignaalia digitaalisen äänen lisäksi. Digitaaliset lähetykset mahdollistavat myös uudenlaisiä palveluita, kuten tilausvideo pienin aikaportain, erilaiset pelit, keinotodellisuus tai kotiostopalvelut. Nämä uudet palvelut sisältävät paljon grafiikkaa, videota ja ääntä. Erityisesti 3D grafiikan käyttö lisääntyy monissa sovellutuksissa. Digitaalisten vastaanottimien seuraavaa sukupolvea voidaan kutsua multimediaterminaaliksi, sillä se yhdistää kaikki nämä ominaisuudet yhteen laitteeseen. -3D grafiikan tuottamiseen ei ole olemassa standardeja tai suosituksia. Tästä johtuen on olemassa useita erilaisia algoritmeja perinteisen 3D grafiikkaliukuhihnan toteuttamiseen. Tehokkaita algoritmeja on olemassa sekä laitteistoettä ohjelmistototeutukseen. Grafiikan laadun ja nopeuden välinen kompromissi on myös helposti hallittavissa. Pelisovellutuksissa käytetään myös ohjelmistotalojen omia algoritmeja grafiikka-animaatioiden nopeuttamiseksi. -3D grafiikka vaatii erittäin paljon laskentatehoa, kuten myös digitaalisen videon säästökoodauksen purkaminen. Grafiikkaa voidaan tuottaa ohjelmoitavilla mikroprosessoreilla tai sovelluskohtaisilla integroiduilla piireillä. Ensimmäiset vapaasti ohjelmoitavat piirit videokoodauksen purkuun ovat nyt saatavilla. Näitä kutsutaan multimediaprosessoreiksi tai lyhyemmin mediaprosessoreiksi. Nämä uudet . mediaprosessorit tekevät mahdolliseksi erittäin kustannustehokkaan laitteistoarkkitehtuutin, jota voidaan käyttää sekä videokoodauksen purkamiseen että grafiikan tuottamiseen. Samaa prosessoria voidaan käyttää molempiin sovellutuksiin ohjelmoitavuutensa ansiosta. -Tässä työssä esitellään yleiset 3D grafiikka-algoritmit ja niitä arvioidaan mediaprosessoritoteutuksen kannalta. Myös peleissä ja keinotodellisuudessa käytetyt uudet menetelmät esitellään lyhyesti. Työssä käsitellään mediaprosessoreiden yleisiä ominaisuuksia. Lisäksi muutama esimerkkiprosessori esitellään yksityiskohtaisesti. Lopuksi arvioidaan multimediaterminaalin erilaisia esimerkkiarkkitehtuureja. Työssä olevan tarkastelun perusteella voidaan todeta että mediaprosessorit sopivat hyvin 3D grafiikan tuottamiseen. Mediaprosessoripohjainen laitteistoarkkitehtuuri on myös kustannuksiltaan edullinen. /Kir10