CN101458916A - 波形抗锯齿方法及波形抗锯齿处理装置 - Google Patents

波形抗锯齿方法及波形抗锯齿处理装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种波形抗锯齿方法及波形抗锯齿处理装置，对当前采样点显示波形线段的处理，由采样单元获取前一采样点、当前采样点、后一采样点显示波形线段的三组临域数据；根据该临域数据，计算单元确定当前采样点波形线段的特征区和边缘区；显示处理单元使用前景色显示特征区，使用渐变色显示出边缘区。本发明能够显著改善波形的锯齿现象；对某个采样周期的图形进行处理时，只需要知道当前采样点以及其前一采样点和后一采样点的数据，就可以进行抗锯齿处理；该方法计算量小、几乎没有延迟，尤其适用在对实时波形进行处理以及波形的尺寸小、临域数据不足的情况。

Description

波形抗锯齿方法及波形抗锯齿处理装置
技术领域
本发明涉及一种波形处理方法和处理装置，尤其是对波形进行抗锯齿的方法和装置。
背景技术
在很多领域都涉及到对波形进行采样显示。从数学角度上讲，波形是一种连续光滑的曲线，它的所有点都是无限小的“理想”的点；但是显示器却是一种不“理想”的显示介质，它是离散的，最小的显示单位是像素；像素并不是点，而是屏幕上的微小矩形区域；这个差别导致了几乎所有的波形，它们的数据点总是不能准确地和显示器上的像素一一对应，除了该波形为垂直、水平或倾斜45度时，但这样的波形很少见。最简单和快速的方法是，舍弃无法对应的数据，把可以准确对应的点，用线段连接起来，即用离散的线段去代替连续的波形。那么，细致地观察就可以发现，这些线段组成了阶梯形状；如图1所示，图中每个小方框对应一个像素，每个采样周期对应一列像素，每个采样周期的幅值的最小值至最大值对应的像素填充有前景色，多个采样周期采样后的图形形成阶梯，就是这种阶梯造成了屏幕上的波形呈现锯齿状。
解决显示器绘制光滑曲线问题是计算机图形学研究最多的课题之一。对这一问题以及其他相关问题的解答称为抗混叠或抗锯齿(anti-aliasing)方法；解决方法大致分为两类：硬件上的方法是采用专门图形芯片或者抗锯齿电路；软件上的方法是进行图形处理。目前常用的主要是基于图形的反锯齿方法，主要有过采样或者滤波方法。
其中，过采样的方法一般是把一个像素点当成N个像素进行采样，然后进行更精细的计算，得到当前像素值。这种方法在采样和计算上会耗费大量的时间。如果采用这种方法对实时波形进行处理，会使得实时波形显著变慢。
滤波方法则需要使用每一个点周围临域内的大量信息，至少需要在8临域内有4个有效的像素点。它们实际上是一种对某个“区域”的边界进行抗锯齿的方法。而代表某一时刻波形的线段很细，一个点周围的可用像素点很少。实时波形更是只知道前一刻的数据，不知道后一刻的数据，没有完整的临域。
上述两种方法的缺陷限制了现有技术方案的使用范围，使其一般用于对静止的图像、文字和曲线进行抗锯齿，并不适合用于对实时波形的处理。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种对波形进行抗锯齿的处理方法及处理装置，尤其适合对实时波形进行处理，并能够显著改善波形的锯齿现象。
为实现上述目的，本发明提出一种波形抗锯齿方法，对当前采样点显示波形线段的处理包括如下步骤：
A.获取相邻的前一采样点、当前采样点、后一采样点显示波形线段的三
组临域数据；
B.根据该临域数据，确定当前采样点波形线段的特征区和边缘区；
C.使用前景色显示特征区，使用渐变色显示出边缘区。
上述的波形抗锯齿方法，所述步骤B的具体过程包括：设该三组临域数据依次为(mina-1，maxa-1)、(mina，maxa)和(mina+1，maxa+1)，确定三组临域数据共同的极值(minat，maxat)为当前采样点波形线段的起止点；如果mina>minat或者maxa<maxat，则取当前波形线段的极值(mina，maxa)为特征区，其他区域(minat，mina)和(maxa，maxat)为边缘区。如果mina＝minat且maxa＝maxat，则取前后两组临域数据的交集或者空白区域作为特征区，其他区域为边缘区。
上述的波形抗锯齿方法，所述步骤C中，从特征区向远离特征区的方向，所述边缘区的显示颜色由前景色向背景色渐变。设前景色为(Rf，Gf，Bf)、背景色为(Rb，Gb，Bb)，同一边缘区的像素数为y，则相邻像素色差取为((Rf-Rb)/y，(Gf-Gb)/y，(Bf-Bb)/y)。
同时，本发明提出了一种波形抗锯齿处理装置，包括采样单元、计算单元和显示处理单元；所述采样单元获取相邻的前一采样点、当前采样点、后一采样点显示波形线段的三组临域数据；所述计算单元根据该临域数据，确定当前采样点波形线段的特征区和边缘区；所述显示处理单元使用前景色处理该特征区，使用渐变色处理该边缘区。
上述的波形抗锯齿处理装置，所述采样单元获取的三组临域数据依次为(mina-1，maxa-1)、(mina，maxa)和(mina+1，maxa+1)；所述计算单元确定三组临域数据共同的极值(minat，maxat)为当前采样点波形线段的起止点；如果mina>minat或者maxa<maxat，则取当前波形线段的极值(mina，maxa)为特征区，其他区域(minat，mina)和(maxa，maxat)为边缘区。如果mina＝minat且maxa＝maxat，所述计算单元则取前后两组临域数据的交集或者空白区域作为特征区，其他区域为边缘区。
上述的波形抗锯齿处理装置，所述显示处理单元从特征区向远离特征区的方向，将所述边缘区的显示颜色由前景色向背景色渐变。设前景色为(Rf，Gf，Bf)、背景色为(Rb，Gb，Bb)，同一边缘区的像素数为y，所述显示处理单元取相邻像素色差为((Rf-Rb)/y，(Gf-Gb)/y，(Bf-Bb)/y)。
采用本发明所述的方法，只需要很少的临域数据就可以进行抗锯齿处理；通过将处理区域区分为特征区和边缘区，并且在特征区中填充上前景色，在边缘区中填充上渐变色；使显示波形消除锯齿，波形显示连续而平滑，并且保留了波形的细节特征，使波形显示效果得到优化。
由于本发明的计算量很小，几乎没有延迟，使得其能够适用于对显示速度有一定要求的场合；因此本发明所述方法不仅适用于对静止的图像、文字和曲线进行抗锯齿处理，尤其适合用于对实时波形进行采样显示以及波形尺寸小、临域数据不足的场合。
本发明所述方法经实际程序验证，证明是可行的和高效的。
附图说明
图1是一段采样波形未处理前的示意图。
图2是实施例一中三次连续采样点采样后的图形示意图。
图3是对图2中当次采样点的处理区进行区域划分的示意图。
图4是对图2中当次采样点的采样图形进行抗锯齿后的示意图。
图5是实施例二中三次连续采样点采样后的采样图形示意图。
图6是对图5中当次采样点采样的处理区进行区域划分的示意图。
图7是对图5中当次采样点采样的采样图形进行抗锯齿后的示意图。
图8是实施例三中三次连续采样点采样后的采样图形示意图。
图9是对图8中当次采样点采样的处理区进行区域划分的示意图。
图10是对图8中当次采样点采样的采样图形进行抗锯齿后的示意图。
图11是一段未经处理的波形。
图12是对图11进行抗锯齿处理后的波形。
图13是本发明实施例的处理装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步详细描述。
当波形为实时波形时，为了对某一采样点的波形进行抗锯齿处理，首先需要取得该采样点的波形对应像素点的临域信息，由于实时波形不可能知道下一时刻的数据，因此本发明采用延时显示法。当次采样点a的波形不会立刻画出来，而是要等到a+1这个采样周期才显示，根据a-1、a、a+1这三个连续的采样点对当前采样点a的波形进行处理。
在获取上述三个采样点对应的三组数据之后，开始进行抗锯齿处理。基本方法是用颜色渐变的线段代替颜色均一的线段。把当前采样点的波形线段分为特征区和边缘区；特征区使用前景色填充，这样既突出了波形的特征，又不会使得整体波形变得模糊；对于边缘区则采用渐变色填充，从边缘区的一端到另一端填充颜色逐渐由前景色变换成背景色，这样波形的前景色和背景色之间有一个渐变的过程，而不是在线段的末端由前景色直接突变成背景色。从整体上看，就达到了消除锯齿的目的。
实施例一
如图2、图3和图4、图13所示，首先，采样单元进行三次连续采样点采样，获取前一采样点、当前采样点、下一采样点三组临域数据。每个采样点采样的数据对应一列像素，三列像素所处区域分别由各自的上下边界值限定，假设三组临域数据像素对应的区域分别为(mina-1，maxa-1)、(mina，maxa)和(mina+1，maxa+1)；计算单元根据上述三组数据确定对当前采样点，即第二个采样点采样的波形线段进行处理，处理区为三组数据的最大值和最小值之间的区域，即(min(mina-1，mina，mina+1)，max(maxa-1，maxa，maxa+1))。本例中处理区为(mina+1，maxa-1)；将处理区划分为特征区和边缘区；由于三个连续采样点采样的极值具有公共的交集，所以特征区取公共区域，即(mina，maxa)，显示处理单元在该区域中填充上前景色。边缘区为处理区除去特征区以外的区域，其对应的范围是(mina+1，mina)和(maxa，maxa-1)，在边缘区与特征区相连的一端向远离特征区的一端，依次填充的颜色由前景色渐变成背景色。
变换方法如下，假设波形的前景色和背景色分别是(Rf，Gf，Bf)和(Rb，Gb，Bb)。
以三原色中的红色(R)和特征区上面的边缘区(mina+1，mina)为例介绍颜色渐变的方法。特征区上面的边缘区的长度是：y＝mina—mina+1+1，即包括y个像素，每个像素之间的色差是：(Rf-Rb)/y。那么特征区上面的边缘区中位于特征区上面第x个像素的红色分量为：Rf-x×(Rf-Rb)/y；绿色和蓝色的分量同理，分别为Gf-x×(Gf-Gb)/y和Bf-x×(Bf-Bb)/y。
同理，特征区下面的边缘区中位于特征区下面第x个像素的红色、绿色和蓝色分量分别为：Rf-x×(Rf-Rb)/y、Gf-x×(Gf-Gb)/y和Bf-x×(Bf-Bb)/y。
图4是对图2中的当次采样点的波形使用上述方法进行抗锯齿的结果，可以看出边缘区的颜色由前景色渐变到背景色。
实施例二
如图5、图6和图7所示，与实施例一的区别在于，当前采样点采样的图形较长；对于本实施例，处理区为(mina，maxa)，特征区为公共区域即(mina-1，maxa+1)，边缘区为处理区中除去特征区以外的区域，包括(mina，mina-1)和(maxa+1，maxa)两部分。在特征区中填充前景色，在边缘区中填充前景色到背景色之间的过渡色。对边缘区中像素的颜色填充与实施例一的方法相同，图7是对图5中的第二采样点即当前采样点的波形进行抗锯齿后的结果。
实施例三
如图8、图9和图10所示，与实施例一和实施例二的区别在于，三次连续采样点的极值没有公共的交集，mina＝minat且maxa＝maxat；这种情况下，第二个采样点波形线段的处理区仍然为三次采样点极值的合集，在本例中为(mina，maxa)；特征区为当前采样点的波形的极值所特有的区域，即第一、第三采样点前后2组数据的空白区域(maxa+1，mina-1)；边缘区为处理区中特征区以外的区域，即(mina，maxa+1)和(mina-1，maxa)。在特征区中填充前景色，在边缘区中填充前景色到背景色之间的过渡色。对边缘区中像素的颜色填充与实施例一和实施例二的方法相同，图10是对图8中的第二个采样点的图形进行抗锯齿后的结果。
采用上述方法对图11所示的一段波形进行抗锯齿处理后的波形如图12所示。其中图11所示的波形可以明显地看到锯齿，图12所示的波形则光滑了很多；因此采用本发明所述的方法可以对波形进行较好的抗锯齿处理。
本发明所述的方法，波形会存在一个采样周期的延时，最初的采样周期的波形画不出来。但是由于实时波形通常都以毫秒极的速度在画，从波形整体上看，延时一个采样周期没有造成任何视觉效果上的差异；此外，由于实际使用中存在信号不稳定、数据需要校准的问题，最初时刻的数据一般都意义不大。所以本发明所述的方法在实际使用时是可行和有效的。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种波形抗锯齿方法，其特征是，对当前采样点显示波形线段的处理包括如下步骤：
A.获取相邻的前一采样点、当前采样点、后一采样点显示波形线段的三组临域数据；
B.根据该临域数据，确定当前采样点波形线段的特征区和边缘区；
C.使用前景色显示特征区，使用渐变色显示出边缘区。
2.如权利要求1所述的波形抗锯齿方法，其特征是，所述步骤B的具体过程包括：设该三组临域数据依次为(mina-1，maxa-1)、(mina，maxa)和(mina+1，maxa+1)，确定三组临域数据共同的极值(minat，maxat)为当前采样点波形线段的起止点；如果mina>minat或maxa<maxat，则取当前波形线段的极值(mina，maxa)为特征区，其他区域(minat，mina)和(maxa，maxat)为边缘区。
3.如权利要求2所述的波形抗锯齿方法，其特征是：如果mina＝minat且maxa＝maxat，则取前后两组临域数据的交集或者空白区域作为特征区，其他区域为边缘区。
4.如权利要求1-3中任一项所述的波形抗锯齿方法，其特征是：所述步骤C中，从特征区向远离特征区的方向，所述边缘区的显示颜色由前景色向背景色渐变。
5.如权利要求4所述的波形抗锯齿方法，其特征是：设前景色为(Rf，Gf，Bf)、背景色为(Rb，Gb，Bb)，同一边缘区的像素数为y，则相邻像素色差取为((Rf-Rb)/y，(Gf-Gb)/y，(Bf-Bb)/y)。
6.一种波形抗锯齿处理装置，包括采样单元、计算单元和显示处理单元；所述采样单元获取相邻的前一采样点、当前采样点、后一采样点显示波形线段的三组临域数据；所述计算单元根据该临域数据，确定当前采样点波形线段的特征区和边缘区；所述显示处理单元使用前景色处理该特征区，使用渐变色处理该边缘区。
7.如权利要求6所述的波形抗锯齿处理装置，其特征是：所述采样单元获取的三组临域数据依次为(mina-1，maxa-1)、(mina，maxa)和(mina+1，maxa+1)；所述计算单元确定三组临域数据共同的极值(minat，maxat)为当前采样点波形线段的起止点；如果mina>minat或maxa<maxat，则取当前波形线段的极值(mina，maxa)为特征区，其他区域(minat，mina)和(maxa，maxat)为边缘区。
8.如权利要求7所述的波形抗锯齿处理装置，其特征是：如果mina＝minat且maxa＝maxat，所述计算单元则取前后两组临域数据的交集或者空白区域作为特征区，其他区域为边缘区。
9.如权利要求6-8中任一项所述的波形抗锯齿处理装置，其特征是：所述显示处理单元从特征区向远离特征区的方向，将所述边缘区的显示颜色由前景色向背景色渐变。
10.如权利要求9所述的波形抗锯齿处理装置，其特征是：设前景色为(Rf，Gf，Bf)、背景色为(Rb，Gb，Bb)，同一边缘区的像素数为y，所述显示处理单元取相邻像素色差为((Rf-Rb)/y，(Gf-Gb)/y，(Bf-Bb)/y)。
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