STM32F103 पर 3 डी ग्राफिक्स

गैर-संपादन योग्य को कैसे हिलाएं और एक नियंत्रक का उपयोग करके वास्तविक समय के तीन-आयामी ग्राफिक्स को प्रदर्शित करने के तरीके के बारे में एक छोटी कहानी जिसमें इसके लिए न तो गति है और न ही मेमोरी है।

2017 में वापस (फ़ाइल संशोधन तिथि को देखते हुए), मैंने AVR नियंत्रकों से अधिक शक्तिशाली STM32s पर स्विच करने का निर्णय लिया। स्वाभाविक रूप से, पहला नियंत्रक व्यापक रूप से प्रचारित F103 था। यह कम स्वाभाविक नहीं है कि ऑफ-द-शेल्फ डिबग बोर्डों का उपयोग अपनी आवश्यकताओं के अनुसार खरोंच से विनिर्माण के पक्ष में खारिज कर दिया गया था। अजीब तरह से, लगभग कोई जाम नहीं थे (सिवाय इसके कि UART1 को एक सामान्य कनेक्टर में लाया जाना चाहिए, और तारों पर बैठा नहीं)।

एवीआर की तुलना में, पत्थर की विशेषताएं बहुत सभ्य हैं: 72 मेगाहर्ट्ज घड़ी (व्यवहार में, आप 100 मेगाहर्ट्ज या इससे भी अधिक ओवरक्लॉक कर सकते हैं, लेकिन केवल अपने जोखिम और जोखिम पर!), 20 केबी की रैम और 64 बीबी फ्लैश। साथ ही, एक टन परिधीय, जिसका उपयोग करते समय मुख्य समस्या इस बहुतायत से डरने की नहीं है और यह महसूस करना है कि शुरू करने के लिए आपको सभी दस रजिस्टरों को फावड़ा करने की आवश्यकता नहीं है, यह सही में तीन बिट्स सेट करने के लिए पर्याप्त है। कम से कम जब तक आप कुछ अजीब चाहते हैं।

जब इस तरह की शक्ति के कब्जे से पहली व्यंजना पारित हुई, तो उसकी सीमाओं की जांच करने की इच्छा पैदा हुई। एक प्रभावी उदाहरण के रूप में, मैंने ili9341 नियंत्रक पर 320x240 डिस्प्ले के साथ इन सभी मैट्रिसेस, लाइटिंग, पॉलीगोनल मॉडल और जेड-बफर के साथ तीन-आयामी ग्राफिक्स की गणना को चुना। हल करने के लिए दो सबसे स्पष्ट समस्याएं गति और मात्रा हैं। 16x प्रति रंग पर 320x240 का स्क्रीन आकार 150 केबी प्रति फ्रेम देता है। लेकिन हमारे पास कुल रैम केवल 20 kB है ... और इन 150 kB को प्रति सेकंड कम से कम 10 बार डिस्प्ले में स्थानांतरित किया जाना चाहिए, अर्थात, विनिमय दर कम से कम 1.5 MB / s या 12 MB / s होनी चाहिए, जो पहले से ही कोर पर एक महत्वपूर्ण भार की तरह दिखता है। सौभाग्य से, इस नियंत्रक में आरएपी मॉड्यूल (डायरेक्ट मेमोरी एक्सेस, उर्फ ​​डायरेक्ट मेमोरी एक्सेस, डीएमए) है, जो कर्नेल को ट्रांसफ्यूजन ऑपरेशन के साथ खाली से खाली नहीं करने देता है।यही है, आप बफर तैयार कर सकते हैं, मॉड्यूल को बताएं "यहां आपके पास डेटा बफर है, काम!", और इस समय अगले हस्तांतरण के लिए डेटा तैयार करें। और एक स्ट्रीम में डेटा प्राप्त करने के लिए डिस्प्ले की क्षमता को ध्यान में रखते हुए, निम्नलिखित एल्गोरिथ्म उभरता है: सामने बफर हाइलाइट किया गया है, जिसमें से डीएमए डेटा को डिस्प्ले में ट्रांसफर करता है, रियर बफर जिसे रेंडरिंग किया जाता है, और जेड-बफर को गहराई से काटने के लिए उपयोग किया जाता है। बफ़र प्रदर्शन की एकल पंक्ति (या स्तंभ, जो भी हो) हैं। और 150 kB के बजाय, हमें केवल 1920 बाइट्स (320 पिक्सेल प्रति पंक्ति * 3 बफ़र्स * 2 बाइट्स प्रति बिंदु) की आवश्यकता है, जो स्मृति में पूरी तरह से फिट बैठता है। दूसरी हैक इस तथ्य पर आधारित है कि प्रत्येक पंक्ति के लिए रूपांतरण मैट्रिस और वर्टेक्स निर्देशांक की गणना नहीं की जा सकती है, अन्यथा छवि सबसे विचित्र तरीकों से विकृत हो जाएगी, और यह गति में नुकसानदायक है। इसके बजाय, "बाहरी" गणना,यही है, ट्रांसफॉर्मेशन मैट्रिसेस का गुणन और उनके अनुप्रयोग का वर्टिकल प्रत्येक फ्रेम पर पुनर्गणित किया जाता है, और फिर एक मध्यवर्ती प्रतिनिधित्व में बदल दिया जाता है, जो 320x1 चित्र में रेंडर करने के लिए अनुकूलित है।

गुंडे कारणों से, लाइब्रेरी ओपनगेल से बाहर की तरह होगी। मूल OpenGL के रूप में, प्रतिपादन परिवर्तन मैट्रिक्स के गठन के साथ शुरू होता है - समाशोधन glLoadIdentity () वर्तमान मैट्रिक्स इकाई बनाता है, फिर परिवर्तनों का एक सेट glRotateXY (...), glTranslate (...), जिनमें से प्रत्येक को वर्तमान मैट्रिक्स द्वारा गुणा किया जाता है। चूंकि इन गणनाओं को केवल एक बार प्रति फ्रेम किया जाएगा, गति के लिए कोई विशेष आवश्यकताएं नहीं हैं, आप निश्चित-बिंदु संख्याओं के साथ विकृतियों के बिना, साधारण फ़्लोट्स के साथ कर सकते हैं। मैट्रिक्स स्वयं फ्लोट का एक सरणी है [4] [4], फ्लोट [16] के एक आयामी सरणी के लिए मैप किया जाता है - वास्तव में, इस पद्धति का उपयोग आमतौर पर गतिशील सरणियों के लिए किया जाता है, लेकिन आप स्थिर सरणियों से भी थोड़ा लाभ प्राप्त कर सकते हैं। एक और मानक हैक: साइन और कोजाइन की लगातार गणना के बजाय, जो रोटेशन मेट्रिसेस में कई हैं,उन्हें अग्रिम में गिनें और उन्हें टैबलेट पर लिखें। ऐसा करने के लिए, पूर्ण सर्कल को 256 भागों में विभाजित करें, प्रत्येक के लिए साइन मूल्य की गणना करें और इसे sin_table [] सरणी में डंप करें। ठीक है, स्कूल के किसी को भी साइन से कॉशन मिल सकता है। यह ध्यान देने योग्य है कि रोटेशन फ़ंक्शन एक कोण को रेडियन में नहीं लेते हैं, लेकिन एक पूर्ण क्रांति के अंशों में, सीमा में कमी के बाद [0 ... 255]। हालांकि, "ईमानदार" कार्यों को लागू किया गया है जो कि हुड के तहत कोण से लॉब तक रूपांतरण करते हैं।हुड के तहत कोण से लोब तक रूपांतरण करना।हुड के तहत कोण से लोब तक रूपांतरण करना।

जब मैट्रिक्स तैयार हो जाता है, तो आप प्राइमिटिव को चित्रित करना शुरू कर सकते हैं। सामान्य तौर पर, त्रि-आयामी ग्राफिक्स में तीन प्रकार के प्रिमिटिव होते हैं - एक बिंदु, एक रेखा और एक त्रिकोण। लेकिन अगर हम बहुभुज मॉडल में रुचि रखते हैं, तो केवल त्रिकोण पर ध्यान दिया जाना चाहिए। इसका "रेंडरिंग" फंक्शन glDrawTriangle () या glDrawTriangleV () में होता है। शब्द "प्रतिपादन" उद्धरण चिह्नों में संलग्न है क्योंकि इस स्तर पर कोई प्रतिपादन नहीं होता है। हम परिवर्तन मैट्रिक्स द्वारा आदिम के सभी बिंदुओं को गुणा करते हैं, और फिर हम उनसे किनारों y = ky * x + के विश्लेषणात्मक सूत्रों को निकालते हैं, जो हमें वर्तमान विद्युत रेखा के साथ त्रिकोण के सभी तीन किनारों के चौराहों को खोजने की अनुमति देते हैं। हम उनमें से एक को त्याग देते हैं, क्योंकि यह कोने के बीच के अंतराल पर नहीं है, बल्कि इसकी निरंतरता पर है।यही है, एक फ्रेम खींचने के लिए, आपको बस सभी लाइनों से गुजरना होगा और प्रत्येक पेंट के लिए चौराहे के बीच के क्षेत्र को चित्रित करना होगा। लेकिन यदि आप इस एल्गोरिथ्म को "हेड-ऑन" लागू करते हैं, तो प्रत्येक आदिम उन लोगों को ओवरलैप करेगा जो पहले खींचे गए थे। हमें जेड-कोऑर्डिनेट (गहराई) पर विचार करने की आवश्यकता है ताकि त्रिकोण खूबसूरती से प्रतिच्छेद करें। केवल बिंदु द्वारा मुद्रण बिंदु के बजाय, हम इसके जेड-समन्वय पर विचार करेंगे और, गहराई बफर में संग्रहीत जेड-समन्वय के साथ तुलना में, या तो आउटपुट (जेड-बफर को अपडेट करते हुए) या इसे अनदेखा करेंगे। और हमारे लिए ब्याज की रेखा के प्रत्येक बिंदु के जेड-समन्वय की गणना करने के लिए, हम किनारों के साथ समान दो चौराहे बिंदुओं द्वारा गणना की गई एक ही सीधी रेखा सूत्र z = kz * y + bz का उपयोग करते हैं। नतीजतन, "अर्ध-समाप्त" त्रिकोण संरचना glTriangle की वस्तु में कोने के तीन एक्स-निर्देशांक होते हैं (वाई और जेड-निर्देशांक के भंडारण में कोई मतलब नहीं है, उनकी गणना की जाएगी) और के,ख सीधा गुणांक, अच्छी तरह से, रंग ढेर करने के लिए। यहां, रूपांतरण मैट्रिस की गणना के विपरीत, गति महत्वपूर्ण है, इसलिए हम पहले से ही निर्धारित-पॉइंट संख्या का उपयोग करते हैं। इसके अलावा, अगर शब्द बी के लिए, एक ही सटीकता निर्देशांक (2 बाइट्स) के लिए पर्याप्त है, तो कारक कश्मीर की सटीकता, अधिक से अधिक बेहतर है, इसलिए हम 4 बाइट लेते हैं। लेकिन फ्लोट नहीं, क्योंकि पूर्णांक के साथ काम करना अभी भी तेज है, यहां तक ​​कि समान आकार के साथ भी।

इसलिए, glDrawTriangle () के एक समूह को कॉल करके हमने अर्ध-समाप्त त्रिकोणों की एक सरणी तैयार की। मेरे कार्यान्वयन में, त्रिकोण स्पष्ट फ़ंक्शन कॉल द्वारा एक समय में एक काटा जाता है। वास्तव में, शीर्षकों के पते के साथ त्रिकोण का एक सरणी होना तर्कसंगत होगा, लेकिन यहां मैंने जटिल नहीं होने का फैसला किया। वैसे भी, रेंडरिंग फ़ंक्शन रोबोट द्वारा लिखा जाता है, और यह उनके लिए कोई फर्क नहीं पड़ता है कि एक स्थिर सरणी को भरना है या तीन सौ समान कॉल लिखना है। यह अर्ध-समाप्त त्रिकोणों को स्क्रीन पर एक सुंदर तस्वीर में बदलने का समय है। ऐसा करने के लिए, glSwapBuffers () फ़ंक्शन को कहा जाता है। जैसा कि ऊपर वर्णित है, यह डिस्प्ले की लाइनों के माध्यम से जाता है, प्रत्येक त्रिकोण बिंदु के साथ सभी त्रिकोणों की खोज करता है और गहराई से फ़िल्टरिंग के अनुसार सेगमेंट खींचता है। प्रत्येक पंक्ति को प्रस्तुत करने के बाद, आपको इस पंक्ति को प्रदर्शन में भेजने की आवश्यकता है। ऐसा करने के लिए, डीएमए लॉन्च किया गया है, जो स्ट्रिंग के पते और उसके आकार को इंगित करता है।इस बीच, डीएमए काम करता है, आप किसी अन्य बफर पर स्विच कर सकते हैं और अगली पंक्ति को प्रस्तुत कर सकते हैं। मुख्य बात यह है कि यदि आप अचानक पहले रेंडरिंग समाप्त कर देते हैं तो हस्तांतरण के अंत की प्रतीक्षा करना न भूलें। गति के अनुपात की कल्पना करने के लिए, मैंने डीएमए प्रतीक्षा के पूरा होने के बाद रेंडरिंग के अंत और बंद होने के बाद एक लाल एलईडी को शामिल किया। यह पीडब्लूएम जैसा कुछ करता है, जो विलंबता के आधार पर चमक को समायोजित करता है। सैद्धांतिक रूप से, "गूंगा" प्रतीक्षा के बजाय, डीएमए इंटरप्ट का उपयोग किया जा सकता था, लेकिन तब मैं उनका उपयोग नहीं कर सकता था, और एल्गोरिथ्म बहुत अधिक जटिल हो जाता था। एक डेमो प्रोग्राम के लिए, यह बेमानी है।गति के अनुपात की कल्पना करने के लिए, मैंने डीएमए प्रतीक्षा के पूरा होने के बाद रेंडरिंग के अंत और बंद होने के बाद एक लाल एलईडी को शामिल किया। यह पीडब्लूएम जैसा कुछ करता है, जो विलंबता के आधार पर चमक को समायोजित करता है। सैद्धांतिक रूप से, "गूंगा" प्रतीक्षा के बजाय, डीएमए इंटरप्ट का उपयोग किया जा सकता था, लेकिन तब मैं उनका उपयोग नहीं कर सकता था, और एल्गोरिथ्म बहुत अधिक जटिल हो जाता था। एक डेमो प्रोग्राम के लिए, यह बेमानी है।गति के अनुपात की कल्पना करने के लिए, मैंने डीएमए प्रतीक्षा के पूरा होने के बाद रेंडरिंग के अंत और बंद होने के बाद एक लाल एलईडी को शामिल किया। यह पीडब्लूएम जैसा कुछ करता है, जो विलंबता के आधार पर चमक को समायोजित करता है। सैद्धांतिक रूप से, "गूंगा" प्रतीक्षा के बजाय, डीएमए इंटरप्ट का उपयोग किया जा सकता था, लेकिन तब मैं उनका उपयोग नहीं कर सकता था, और एल्गोरिथ्म बहुत अधिक जटिल हो जाता था। एक डेमो प्रोग्राम के लिए, यह बेमानी है।

उपरोक्त प्रक्रियाओं का परिणाम विभिन्न रंगों के तीन इंटरसेप्टिंग विमानों की एक घूर्णन तस्वीर थी, और काफी सभ्य गति के साथ: लाल एलईडी की चमक काफी अधिक है, जो कर्नेल के प्रदर्शन में एक बड़े मार्जिन को इंगित करता है।

ठीक है, अगर कोर निष्क्रिय है, तो आपको इसे लोड करने की आवश्यकता है। और हम इसे बेहतर मॉडल के साथ लोड करेंगे। हालांकि, यह मत भूलो कि मेमोरी अभी भी बहुत सीमित है, इसलिए नियंत्रक शारीरिक रूप से बहुत सारे बहुभुज नहीं खींचेंगे। सबसे सरल गणना से पता चला कि लाइन बफर और इसी तरह मेमोरी को घटाने के बाद 378 त्रिकोण के लिए एक जगह थी। जैसा कि अभ्यास से पता चला है, पुराने लेकिन दिलचस्प गोथिक खेल के मॉडल इस आकार के लिए एकदम सही हैं। दरअसल, एक सांप और एक रक्त मक्खी के मॉडल को वहां से निकाला गया था (और पहले से ही इस लेख को लिखने के समय और एक ग्लोकूर, केडीपीवी पर flaunting), जिसके बाद नियंत्रक फ्लैश मेमोरी से बाहर भाग गया। लेकिन गेम मॉडल एक माइक्रोकंट्रोलर द्वारा उपयोग के लिए अभिप्रेत नहीं हैं।

मान लें कि उनके पास एनीमेशन, बनावट और पसंद है, जो हमारे लिए उपयोगी नहीं है, और स्मृति में फिट नहीं है। सौभाग्य से, ब्लेंडर न केवल उन्हें * .obj को बचाने की अनुमति देता है, जो कि पार्सिंग के लिए अधिक उत्तरदायी है, लेकिन यदि आवश्यक हो तो बहुभुज की संख्या को कम करने के लिए भी। इसके अलावा, एक सरल स्व-लिखित कार्यक्रम obj2arr * .obj की मदद से, फ़ाइलों को निर्देशांक में क्रमबद्ध किया जाता है, जिसमें से फर्मवेयर में प्रत्यक्ष समावेश के लिए * .h फ़ाइल बनाई जाती है।

लेकिन अब के लिए, मॉडल सादे घुंघराले ब्लाट्स की तरह दिखते हैं। परीक्षण मॉडल पर, यह हमें परेशान नहीं करता था, क्योंकि सभी चेहरे अपने स्वयं के रंगों में चित्रित किए गए थे, लेकिन मॉडल के प्रत्येक बहुभुज के समान रंगों को निर्धारित नहीं करते हैं। नहीं, आप बेशक बेतरतीब रंगों में एक मक्खी को पेंट कर सकते हैं, लेकिन यह नीले रंग से बहुत सुंदर लगेगा, मैंने जांच की। खासकर जब रंग प्रत्येक फ्रेम पर भी बदलते हैं ... इसके बजाय, वेक्टर जादू की एक और बूंद को लागू करें और प्रकाश व्यवस्था जोड़ें।

इसके आदिम संस्करण में प्रकाश की गणना प्रकाश स्रोत के सामान्य और दिशा के स्केलर उत्पाद की गणना करने में शामिल होती है, इसके बाद चेहरे के "मूल" रंग को गुणा किया जाता है।
अब हमारे पास तीन मॉडल हैं - खेल से दो और एक परीक्षण, जिसमें से हमने शुरू किया। उन्हें स्विच करने के लिए, हम बोर्ड पर सोल्डर किए गए दो बटनों में से एक का उपयोग करेंगे। उसी समय, आप प्रोसेसर पर नियंत्रण जोड़ सकते हैं। हमारे पास पहले से ही एक नियंत्रण है - एक लाल एलईडी जो डीएमए विलंबता के साथ जुड़ा हुआ है। और दूसरा, हरा, एलईडी, हम प्रत्येक फ्रेम अपडेट के साथ झपकाएंगे - इसलिए हम फ्रेम दर का अनुमान लगा सकते हैं। नग्न आंखों के लिए, यह लगभग 15 एफपीएस था।


सामान्य तौर पर, मैं परिणाम से संतुष्ट हूं: किसी ऐसी चीज को लागू करना अच्छा है जो सिर पर हल करने के लिए मौलिक रूप से असंभव है। बेशक, अभी भी अनुकूलन और सुधार करने के लिए बहुत कुछ है, लेकिन इसमें बहुत कम बिंदु है। वस्तुतः, त्रि-आयामी ग्राफिक्स के लिए नियंत्रक कमजोर है, और यह गति के बारे में भी नहीं है, बल्कि रैम है। हालांकि, किसी भी डेमोसिन नमूने की तरह, यह परियोजना परिणाम से नहीं, बल्कि प्रक्रिया से मूल्यवान है।

यदि किसी को अचानक रुचि है, तो स्रोत कोड यहां उपलब्ध है ।