渲染一直都是计算机图形学的核心课题之一,是从三维场景中合成二维图像的过程;光照渲染是图形处理器(Graphic Processing Unit,GPU)不可或缺的关键环节,为了获得较高的真实感,光照的研究一直被开发人员和研究人员所重视。目前大多数图形处理器不能根据当前场景的实际需求实现不同算法的灵活调度与重构,无法发挥最优性能。而可重构计算兼具通用处理器的灵活性和专用处理器的高效性以及天然具有的高可靠性、低能耗、低成本等特点,与算法可切换的需求一致。根据这一思路,论文设计了一种可编程自重构光照渲染加速器,能够实现算法之间的自主切换,高效完成图形渲染的光照处理。首先,本文详细分析了现有GPU的渲染架构中光照渲染处理器只能处理一种或一类算法,无法实现算法的自主切换。再分析了可编程可重构体系结构高能效、低能耗的优势,为了在光照渲染处理器中结合可编程可重构的优势,实现光照算法的自主切换,提出了可编程自重构光照渲染加速器的设计,并详细介绍该结构的实现方案。其次,对可编程自重构光照渲染加速器设计进行实现,主要包括:1)通过测试环境配置和性能指标定义对四种典型光照算法的性能进行特性化分析,完成性能模型的建立,为可编程自重构光照渲染加速器设计提供自主重构依据;2)提出可编程自重构光照渲染加速器的详细设计方案,并从建立的性能模型抽象出读取数据状态监测单元和数据计算状态监测单元的设计,结合指令存储器的地址划分,完成自主重构控制器的设计与验证;3)由于处理元的不通用性,针对光照算法设计领域专用处理元,通过处理元邻接互联完成光照阵列处理器的设计,并对光照算法进行并行化映射分析,实现对光照阵列处理器的功能验证;最后,在可编程自重构光照渲染加速器设计的基础上,为验证其正确性和高效性,对原型系统平台进行开发和加速器测试方案设计,对加速器进行FPGA(Field Programmable Gate Array)系统级验证,并使用Design Compiler在28nm CMOS工艺下对电路进行逻辑综合,通过对比电路延时、面积、工作频率、支持光照算法数量以及像素填充率等方面。实验结果表明,本文设计的可编程自重构处理器相比于Kim提出的基于环的共享结构,速度提升了11.2%、面积降低了20.3%;可编程自重构光照渲染加速器比原有的光照染色器频率提升36.5%,支持四种光照算法;相比于Ahn提出来的低功耗可编程可重构光照渲染引擎,频率更高,且更具有灵活性;并且基于可编程自重构光照渲染的图形处理器能够实现的最大像素填充率为151.15Mpixels/s。