專利名稱：一種基于非加權(quán)區(qū)域采樣的反走樣直線繪制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種繪制反走樣直線的新方法，屬于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)反走樣技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的飛速發(fā)展，可以說當(dāng)前計(jì)算機(jī)顯示功能方面的應(yīng)用都不同程度地涉及到圖形技術(shù)，因此計(jì)算機(jī)圖形繪制方法的研究也顯得越來越重要。直線作為組成圖形的基本元素之一，其繪制方法是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究最多的一個(gè)基礎(chǔ)內(nèi)容。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的直線生成算法通常是指通過在光柵顯示屏上尋找一系列距離直線最近的離散像素點(diǎn)來表示直線的方法。目前，應(yīng)用最廣泛的光柵圖形顯示屏由一系列離散的像素組成，從而用計(jì)算機(jī)生成的直線最終都得以離散的像素來顯示。因此，繪制 非水平和非垂直的直線將會(huì)不可避免地出現(xiàn)鋸齒現(xiàn)象，這種因?yàn)橛秒x散量表示連續(xù)量而產(chǎn)生的失真，就稱為走樣(aliasing)。而用于消除或減小走樣現(xiàn)象的技術(shù)則稱為反走樣(antialiasing)。直線繪制功能的基礎(chǔ)性和廣泛應(yīng)用性使針對直線反走樣技術(shù)領(lǐng)域的研究一直是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究熱點(diǎn)之一?，F(xiàn)階段，直線反走樣技術(shù)主要有三種方法提高分辨率、非加權(quán)區(qū)域采樣和加權(quán)區(qū)域采樣。提高分辨率通過增加顯示屏上的像素點(diǎn)減輕鋸齒現(xiàn)象、增強(qiáng)直線的顯示效果，但是該方法是以成倍的存儲(chǔ)器容量和掃描轉(zhuǎn)換時(shí)間作為代價(jià)取得良好效果的，因此將會(huì)大大增加儀器的成本，并且此方法只能減輕，而不能消除鋸齒問題。非加權(quán)與加權(quán)區(qū)域采樣均能有效地減輕并在一定程度上消除鋸齒現(xiàn)象，這兩種方法從取樣理論的角度看，相當(dāng)于使用一定形狀的濾波器，進(jìn)行前置濾波后再取樣，因此兩種方法繪制的直線相比于在相同分辨率下直接進(jìn)行點(diǎn)取樣繪制的直線看起來效果要好很多。在反走樣技術(shù)領(lǐng)域使用的各種算法中，基于區(qū)域采樣原理的Wu直線反走樣算法是反走樣技術(shù)領(lǐng)域較早使用的方法之一，該方法雖能取得較好的顯示效果，但是算法本身需要做除法、取整等實(shí)數(shù)運(yùn)算，用FPGA難以實(shí)現(xiàn)。而這一現(xiàn)象也是目前眾多算法的缺點(diǎn)所在，本發(fā)明通過分析單像素寬度直線的特性并結(jié)合Bresenham畫線算法提出一種簡單的基于非加權(quán)區(qū)域采樣的反走樣直線繪制算法，適用于對顯示質(zhì)量要求較高的領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種在FPGA平臺(tái)上容易實(shí)現(xiàn)的基于非加權(quán)區(qū)域采樣的反走樣直線繪制方法，適用于對顯示平滑度要求較高的儀器儀表等領(lǐng)域。本發(fā)明的技術(shù)方案是對所要繪制的直線經(jīng)過光柵顯示屏的每一列顯示像元均采取以下操作首先，通過繪制直線的Bresenham算法確定當(dāng)前列距離理想直線最近的三個(gè)顯示像元，其中距離直線最近的顯示像元必有灰度值，另外兩個(gè)顯示像元可能有灰度值，而當(dāng)前列其余顯示像元?jiǎng)t沒有灰度值；然后，將這三個(gè)顯示像元中的每一個(gè)都均分為數(shù)量等同于光柵顯示屏灰度級數(shù)的子像元；接著，確定矩形區(qū)域在當(dāng)前列的覆蓋范圍；最后，分別統(tǒng)計(jì)三個(gè)顯示像元被矩形區(qū)域覆蓋的子像元的數(shù)量，根據(jù)統(tǒng)計(jì)所得結(jié)果確定當(dāng)前列顯示像元的灰度值。 以下對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。本發(fā)明提出了一種基于非加權(quán)區(qū)域采樣 的反走樣直線繪制方法，可用于對顯示平滑度要求比較高的儀器儀表等領(lǐng)域；其特征在于對所要繪制的直線(這里只討論斜率在0 I之間的情況，對于其它情況可通過將X軸與Y軸互換處理)在光柵圖形顯示屏上經(jīng)過的每一列顯示像元均進(jìn)行如下步驟的操作步驟一確定當(dāng)前列與所要繪制的理想直線距離最近的三個(gè)顯示像元；步驟二 對步驟一獲取的三個(gè)顯示像元進(jìn)行均勻分割，得到若干個(gè)子像元；步驟三確定代表直線的具有一個(gè)單位像元寬度的矩形在當(dāng)前列的覆蓋范圍；步驟四分別統(tǒng)計(jì)步驟一獲取的三個(gè)顯示像元被矩形所覆蓋的子像元的數(shù)量；步驟五確定步驟一獲取的三個(gè)顯示像元的灰度值。在步驟一中，利用經(jīng)典Bresenham畫線算法確定當(dāng)前列距離所要繪制的理想直線最近的顯示像元(設(shè)坐標(biāo)為(x，y))，由于代表所繪制直線的矩形的寬度為單位顯示像元，因此該列中可能有灰度值的另外兩個(gè)顯示像元的坐標(biāo)分別為(x，y+l)和(x，y_l)。步驟二，對步驟一中獲取的三個(gè)顯示像元進(jìn)行分割，每個(gè)顯示像元均勻分割成數(shù)量等同于顯示屏灰度級數(shù)的子像元，例如，對于64個(gè)灰度級的顯示屏，則將三個(gè)顯示像元均分為8X8個(gè)面積相等的正方形子像元。步驟三，在當(dāng)前列，通過Bresenham畫線算法分別確定與代表直線的矩形的兩條邊(平行于矩形中軸線)距離最近的兩組子像元，其中每組子像元的數(shù)量等于將一個(gè)顯示像元分割后產(chǎn)生的子像元的列數(shù)(例如，對于64個(gè)灰度級的顯示屏來說，每組子像元的數(shù)量為8)，這兩組子像元給出代表直線的矩形所覆蓋范圍的邊界。在步驟四中，分別統(tǒng)計(jì)三個(gè)顯示像元中各個(gè)子列子像元被矩形區(qū)域覆蓋的數(shù)量，然后統(tǒng)計(jì)三個(gè)顯示像元被矩形區(qū)域覆蓋的子像元的總數(shù)。在步驟五中，根據(jù)步驟四統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，三個(gè)顯示像元的灰度值分別等于各自被直線所覆蓋的子像元的數(shù)量減I ;特殊地，若某個(gè)顯示像元被覆蓋的子像元數(shù)量為0，則認(rèn)為該顯示像元的灰度值為O。


圖I為本發(fā)明提出的繪制反走樣直線算法流程圖。圖2為所要繪制的斜率在0 I之間的理想直線和當(dāng)前列距離該直線最近的三個(gè)顯示像元，每個(gè)顯示像元用一個(gè)正方形表示。圖3給出將三個(gè)顯示像元中的每一個(gè)均勻分割成8X8個(gè)子像元(假設(shè)顯示屏的灰度級數(shù)量為64)的示意圖。圖4為代表直線的矩形的兩條邊與經(jīng)過分割之后的三個(gè)顯示像元位置分布情況。圖5給出在當(dāng)前列(均分為八個(gè)子列)經(jīng)過Bresenham算法確定與矩形兩條邊相距最近的兩組子像元。圖6給出三個(gè)顯示像元各自的子像元被矩形區(qū)域覆蓋情況，其中藍(lán)色區(qū)域表示最上端顯示像元子像元被覆蓋情況，黃色區(qū)域則為中間顯示像元被覆蓋情況，紫色區(qū)域?yàn)楫?dāng)前列最下端顯示像元被覆蓋情況。
具體實(shí)施例方式假設(shè)光柵圖形顯示屏采用的灰度級數(shù)為64，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種簡單的基于非均勻區(qū)域采樣的反走樣直線繪制方法，主要采用整數(shù)加法運(yùn)算，符合FPGA硬件實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。本發(fā)明的算法流程圖如圖I所示，現(xiàn)以圖2給出的所要繪制的斜率處于0 I之間的理想直線為具體實(shí)例詳細(xì)說明實(shí)施步驟。(I)在當(dāng)前列確定與理想直線距離最近的三個(gè)顯示像元Bresenham算法是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域中使用最廣泛的額直線掃描轉(zhuǎn)換算法，該算法簡單高效，可快速確定當(dāng)前列與直線距離最近的顯示像元。本發(fā)明借助該算法確定當(dāng)前列與理想直線距離最近的三個(gè)顯示像元，具體步驟可分為兩步首先，通過Bresenham算法確定當(dāng)前列與直線距離最近的顯示像元,該顯示像元對應(yīng)圖2處于中間位置的正方形；然后，該顯示像元的上、下像元即為所要尋找的另外兩個(gè)可能有灰度值的顯示像元。為方便說明，表I給出與理想直線相距最近的三個(gè)顯示像元和它們各自的代表符號(hào)。表I三個(gè)顯示像元與各自的代表符號(hào)
三個(gè)像元相對位置~最上端最下端
代表符號(hào)Pixel—APixel—BPixel—C(2)均勻分割顯示像元該步驟的主要工作是對三個(gè)顯示像元都進(jìn)行同樣的分割操作，使每個(gè)顯示像元產(chǎn)生若干個(gè)子像元，子像元的數(shù)量與當(dāng)前光柵圖形顯示屏的灰度級數(shù)相等。例如，對具有64個(gè)灰度等級的顯示屏來說，可將每個(gè)顯示像元按圖3進(jìn)行分割，分割后得到8 X 8個(gè)子像元。對于別的灰度等級，可按類似方法對顯示像元進(jìn)行分割。(3)確定矩形覆蓋范圍如圖4所示，代表直線的矩形在當(dāng)前列的覆蓋范圍是由矩形的兩條邊所限定的，因此可從邊界著手尋找矩形的覆蓋區(qū)域。由于在步驟(2)中已經(jīng)將當(dāng)前列均勻分割成8個(gè)子列，因此確定矩形的覆蓋范圍可通過在這8個(gè)子列中分別尋找距離矩形兩條邊最近的兩組子像元，其中每組包含8個(gè)子像元?？紤]到Bresenham算法的優(yōu)越性，尋找兩組子像元可通過該算法完成。圖5給出符合要求的16個(gè)子像元，這16個(gè)子像元給出矩形在當(dāng)前列覆蓋區(qū)域的邊界。(4)統(tǒng)計(jì)三個(gè)顯示像元各自被覆蓋的子像元數(shù)目由于當(dāng)前列包含8個(gè)子列，因此該統(tǒng)計(jì)過程可分為8個(gè)階段完成首先，是通過Bresenham算法確定矩形的兩條邊在第一個(gè)子列限定的區(qū)域，并分別統(tǒng)計(jì)三個(gè)顯示像元在當(dāng)前子列被覆蓋的子像元數(shù)目；然后，用同樣的方法統(tǒng)計(jì)三個(gè)顯示像元在第二個(gè)子列被覆蓋的子像元數(shù)目，并與前一子列統(tǒng)計(jì)結(jié)果累加……直到第8個(gè)子列統(tǒng)計(jì)結(jié)束。圖6給出三個(gè)顯示像元被矩形區(qū)域覆蓋情況，其中藍(lán)色區(qū)域給出顯示像元Pixel_A被覆蓋情況，黃色區(qū)域給出顯示像元Pixel_B被覆蓋情況，紫色區(qū)域給出顯示像元Pixel_C被覆蓋情況。表2給出了當(dāng)前列三個(gè)顯示像元被覆蓋子像元數(shù)量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。表2顯示像元被覆蓋子像元統(tǒng)計(jì)情況
顯不像兀Pixel—APixel—BPixel—C
被覆蓋子像元數(shù)目 2628(5)確定當(dāng)前列顯示像元灰度值
根據(jù)表2的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，直接給出當(dāng)前列所有顯示像元的灰度值，如表3所示。表3當(dāng)前列所有顯示像元灰度值
當(dāng)前列像兀 Pixel—APixel—BPixel—C其余
灰度值I6170
權(quán)利要求
1.本發(fā)明提出了一種基于非加權(quán)區(qū)域采樣的反走樣直線繪制方法，可用于對顯示平滑度要求比較高的儀器儀表等領(lǐng)域；其特征在于對所要繪制的直線(這里只討論斜率在O .1之間的情況，對于其它情況可通過將X軸與Y軸互換處理)在光柵圖形顯示屏上經(jīng)過的每一列顯示像元均進(jìn)行如下步驟的操作 步驟一確定當(dāng)前列與所要繪制的理想直線距離最近的三個(gè)顯示像元； 步驟二 對步驟一獲取的三個(gè)顯示像元進(jìn)行均勻分割，得到若干個(gè)子像元； 步驟三確定代表直線的具有一個(gè)單位像元寬度的矩形在當(dāng)前列的覆蓋范圍； 步驟四分別統(tǒng)計(jì)步驟一獲取的三個(gè)顯示像元被矩形所覆蓋的子像元的數(shù)量； 步驟五確定步驟一獲取的三個(gè)顯示像元的灰度值。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述方法，其特征在于，在步驟一中，具體按如下方式進(jìn)行 利用經(jīng)典Bresenham畫線算法確定當(dāng)前列距離所要繪制的理想直線最近的顯示像元(設(shè)坐標(biāo)為(x，y))，由于代表所繪制直線的矩形的寬度為單位顯示像元，因此該列中可能有灰度值的另外兩個(gè)顯示像元的坐標(biāo)分別為(x，y+l)和(x，y_l)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述方法，其特征在于，在步驟二中，具體按如下方式進(jìn)行 對步驟一中獲取的三個(gè)顯示像元進(jìn)行分割，每個(gè)顯示像元均勻分割成數(shù)量等同于顯示屏灰度級數(shù)的子像元，例如，對于64個(gè)灰度級的顯示屏，則將三個(gè)顯示像元均分為8X8個(gè)面積相等的正方形子像元。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述方法，其特征在于，在步驟三中，具體按如下方式進(jìn)行 在當(dāng)前列，通過Bresenham畫線算法分別確定與代表直線的矩形的兩條邊(平行于矩形中軸線)距離最近的兩組子像元，其中每組子像元的數(shù)量等于將一個(gè)顯示像元分割后產(chǎn)生的子像元的列數(shù)(例如，對于64個(gè)灰度級的顯示屏來說，每組子像元的數(shù)量為8)，這兩組子像元給出代表直線的矩形所覆蓋范圍的邊界。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述方法，其特征在于，在步驟四中，具體按如下方式進(jìn)行 分別統(tǒng)計(jì)三個(gè)顯示像元中各個(gè)子列子像元被矩形區(qū)域覆蓋的數(shù)量，然后統(tǒng)計(jì)三個(gè)顯示像元被矩形區(qū)域覆蓋的子像元的總數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述方法，其特征在于，在步驟五中，具體按如下方式進(jìn)行 根據(jù)步驟四統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，三個(gè)顯示像元的灰度值分別等于各自被直線所覆蓋的子像元的數(shù)量減I ;特殊地，若某個(gè)顯示像元被覆蓋的子像元數(shù)量為0,則認(rèn)為該顯示像元的灰度值為O。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種基于非加權(quán)區(qū)域采樣的反走樣直線繪制方法，對所繪制直線通過光柵圖形顯示屏的每一列的操作可概括為(1)通過繪制直線的Bresenham算法確定當(dāng)前列距離理想直線最近的三個(gè)顯示像元，其中距離直線最近的顯示像元必有灰度值，另外兩個(gè)顯示像元可能有灰度值，而當(dāng)前列其余顯示像元?jiǎng)t沒有灰度值；(2)將這三個(gè)顯示像元中的每一個(gè)都均分為數(shù)量等同于光柵顯示屏灰度級數(shù)的子像元；(3)通過Bresenham算法分別確定與代表直線的矩形的兩條邊距離最近的兩組子像元，這兩組子像元給出代表直線的矩形在當(dāng)前列中覆蓋區(qū)域的邊界；(4)分別統(tǒng)計(jì)三個(gè)顯示像元被矩形區(qū)域覆蓋的子像元的數(shù)量；(5)根據(jù)統(tǒng)計(jì)所得結(jié)果確定當(dāng)前列顯示像元的灰度值。該方法適用于具有多灰度級的光柵顯示屏，通過控制灰度值的緩慢變化達(dá)到反走樣的效果，非常適合于對顯示質(zhì)量要求較高的儀器儀表等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G06T11/20GK102682456SQ20121012398
公開日2012年9月19日 申請日期2012年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月25日
發(fā)明者劉運(yùn)龍, 毛峽, 薛雨麗, 鄭海超, 陳立江 申請人:北京航空航天大學(xué)