CN103617640A - 一种线条图形反走样显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线条图形反走样显示方法，属于图形显示技术领域。本发明对现有基于区域采样原理的反走样显示方法进行改进，对理想图形与显示器像素行或像素列的每个交点，在相应的像素行或者像素列中选取与该交点最接近的四个像素，并根据距离理想点的远近确定这四个像素中各像素的显示参数权值，距离理想点越近权值越大，与理想点距离越远权值越小，从而使图形有平滑的过渡，又不会显得线条过粗。本发明适用于任意角度斜线、圆、圆弧等线条图形的线条图形反走样显示方法，能够有效消除小角度显示时的麻花现象，显示效果光滑，图形的显示质量显著提高。

Description

一种线条图形反走样显示方法

技术领域

本发明涉及一种线条图形反走样显示方法，属于图形显示技术领域。

背景技术

显示设备通常由一系列离散的像素点组成，当用这些离散的像素点来显示连续的图形时，显示的图形会产生失真，在显示斜线、曲线等图形时这种失真尤为明显，在显示系统中这种失真被称为“走样”，用于减缓或消除图形走样的技术就是“反走样”。在一些对显示质量具有较高要求的应用环境中，反走样技术的好坏甚至会直接影响到系统的安全运行；例如在机载显示系统中，走样的图形会引起飞行员的视觉疲劳，影响飞行员对信息的正确获取，导致误判断，造成严重的后果。

在机载显示系统中，线条图形居多，故需要研究直线、圆、圆弧等线条图形的反走样方法。

常用的反走样方法有提高显示分辨率、区域采样、加权区域采样等。提高分辨率使每个阶梯的宽度按比例减小，视觉上观察到的线条图形更加平滑，但这种方法使得帧存储空间以及计算扫描时间大幅增加，实现起来代价很大，且只能减轻走样现象，没有从根本上消除这种现象；区域采样根据一个像素点被覆盖区域面积来决定该点的灰度值，可以显著提高线条图形的显示效果，但是由于没有考虑到像素点中心到理想点的距离远近，仍然会出现锯齿现象；加权区域采样为了克服区域采样的缺点，让靠近理想点中心的区域比远离的区域影响更大，通常定义一个权值函数来表示这种影响关系，取得了很好的反走样效果，但是这种方法实现起来较复杂且运算量较大。

Wu反走样算法（参见文献[Wu X，An efficient anti aliasing technique，ComputerGraphics]）是一种基于区域采样原理的反走样算法。每向主轴(长轴)方向前进一个像素单位，则沿从轴（短轴）方向在该理想点两侧各绘制一个像素点，每个像素点都以绘制颜色的亮度值乘以某个权作为实际亮度值，每个像素点的权值等于1减去该像素点在从轴方向上与该理想点之间的距离。Wu算法计算过程简单且能满足一般的反走样要求，但其在小角度时候仍会有明显的麻花现象，不能满足图形显示质量要求非常高的场合。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有基于区域采样原理的反走样技术的不足，提供一种适用于任意角度斜线、圆、圆弧等线条图形的线条图形反走样显示方法，能够有效消除小角度显示时的麻花现象，显示效果光滑，图形的显示质量显著提高。

本发明据以采用以下技术方案：

一种线条图形反走样显示方法，对显示器上待显示的理想线条图形与显示器上的每一列/每一行像素的交点进行以下处理：对每一个交点，按照下式设定其所对应的像素列/行中与该交点距离最近的前四个像素中每一个像素的显示参数：

式中，G′表示该像素的显示参数；G表示待显示的理想线条图形的显示参数；d表示该像素中心和对应交点之间距离与显示器上相邻像素间距离的比值；a₁和a₂为预设的调节系数，且满足 $\left\{\begin{array}{c}{a}_1+a_2=c\\ a_1\≥a_2\≥0\end{array}\right.,$ c为范围在[0.5,2]的常数。

所述常数c以及调节系数a₁和a₂的优选取值如下：c=1,a₁=1,a₂=0。

为了降低算法复杂度以及对硬件的要求，本发明分别针对斜线、圆形的反走样显示，进一步提出了以下的改进方案：

如上所述线条图形反走样显示方法，所述待显示的理想线条图形为斜线；对所述斜线进行反走样显示，具体包括以下步骤：

步骤1、将该斜线对称映射为与显示器像素行之间的夹角小于45°/大于45°的映射斜线；

步骤2、对映射斜线与显示器上的每一列/行像素的交点进行以下处理：对每一个交点，按照下式设定其所对应的像素列/行中与该交点距离最近的前四个像素中每一个像素的显示参数：

式中，G′表示该像素的显示参数；G表示待显示的理想线条图形的显示参数；d表示该像素中心和对应交点之间距离与显示器上相邻像素间距离的比值；a₁和a₂为预设的调节系数，且满足 $\left\{\begin{array}{c}{a}_1+a_2=c\\ a_1\≥a_2\≥0\end{array}\right.,$ c为范围在[0.5,2]的常数；

步骤3、根据步骤1所采用的映射方法，对步骤2中选取并设定显示参数的所有像素进行反向映射。

如上所述线条图形反走样显示方法，所述待显示的理想线条图形为圆形；对所述圆形进行反走样显示，具体包括以下步骤：

步骤1、在该圆形中截取一段其中一条边与显示器的像素行/像素列平行的

圆弧；

步骤2、对所述圆弧与显示器上的每一列/行像素的交点进行以下处理：对每一个交点，按照下式设定其所对应的像素列/行中与该交点距离最近的前四个像素中每一个像素的显示参数：

式中，G′表示该像素的显示参数；G表示待显示的理想线条图形的显示参数；d表示该像素中心和对应交点之间距离与显示器上相邻像素间距离的比值；a₁和a₂为预设的调节系数，且满足 $\left\{\begin{array}{c}{a}_1+a_2=c\\ a_1\≥a_2\≥0\end{array}\right.,$ c为范围在[0.5,2]的常数；

步骤3、根据圆形的对称性，对步骤2中选取并设定显示参数的所有像素进行复制。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明方法可有效改善小角度线条图形显示时所容易出现的麻花现象，从而显著提高图形显示质量；

（2）本发明方法计算简单，对硬件要求低，且有利于提高显示的实时性；

（3）本发明方法适用于任意角度斜线、圆、圆弧等线条图形的显示，适用范围更广。

附图说明

图1为斜线的二维平面八分图；

图2为采用本发明方法实现斜线反走样显示的原理示意图；

图3a为用硬件实现Wu算法的斜线的屏幕显示效果图；

图3b为用硬件实现的本发明方法的斜线的屏幕显示效果图；

图4为圆的对称性示意图；

图5为采用本发明方法实现圆弧反走样显示的原理示意图；

图6a为用硬件实现Wu算法的圆的屏幕显示效果图；

图6b用硬件实现本发明方法的圆的屏幕显示效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的思路是对现有基于区域采样原理的反走样显示方法进行改进，对理想图形与显示器像素行或像素列的每个交点（即理想图形在该像素行或像素列上的理想点），在相应的像素行或者像素列中选取与该交点最接近（亦即与理想图形最接近）的四个像素，并根据距离理想点的远近确定这四个像素中各像素的显示参数权值，距离理想点越近权值越大，与理想点距离越远权值越小，从而使图形有平滑的过渡，又不会显得线条过粗。

本发明方法适用于任意角度斜线，以及圆、圆弧等线条图形的显示。为了便于公众理解本发明技术方案，下面分别以斜线和圆为例来进行说明。

实施例一、

本实施例中所要显示的理想图形为斜线。为了降低算法复杂度，本发明首先对理想斜线进行预处理：将所要显示的理想斜线对称映射为与显示器像素行之间的夹角小于45°（或者大于45°）的映射斜线。本实施例中将理想斜线映射至图1所示的平面直角坐标系的1a象限，该平面直角坐标系的x轴、y轴分别与显示器的像素行、像素列平行，则映射斜线的斜率为k(0≤k≤1)。

如图2所示，对于理想的映射斜线所经过的每一列像素，从中首先选出与映射斜线距离最近的四个像素，并根据下式确定其中每一个像素的显示参数（具体为何种显示参数，根据实际显示所使用的颜色空间确定，例如，在灰度空间中的显示参数即为灰度，在RGB颜色空间中的显示参数即为R、G、B分量，在YUV颜色空间中的显示参数即为Y、U、V分量）

式中，G′表示该像素的显示参数；G表示待显示的理想线条图形的显示参数；d表示该像素中心和对应交点之间距离与显示器上相邻像素间距离的比值；a₁和a₂为预设的调节系数，且满足 $\left\{\begin{array}{c}{a}_1+a_2=c\\ a_1\≥a_2\≥0\end{array}\right.,$ c为范围在[0.5,2]的常数。本实施例中c=1,a₁=1,a₂=0。图2中第一列像素中最接近理想映射斜线的两个像素为A₁和B₁，假设这两个像素与理想映射斜线间的距离（亦即两个像素中心与理想映射斜线和第一像素列的交点之间的距离）分别为相邻像素间距离的0.52倍、0.48倍，则根据上式可得到像素A₁和B₁的显示参数G′(A₁)、G′(B₁)如下：

$G^{\′}\left(A_1\right)=\frac{1}{2}G*(1+1-0.52)=0.74G$

$G^{\′}\left(B_1\right)=\frac{1}{2}G*(1+1-0.48)=0.76G$

根据图2可明显看出，第一列像素中与理想映射斜线次接近的两个像素C₁和D₁与理想映射斜线间的距离分别为相邻像素间距离的1.52倍、1.48倍，同样可得到这两个像素的显示参数G′(C₁)、G′(D₁)如下：

$G^{\′}\left(C_1\right)=\frac{1}{2}G*(2+0-1.52)=0.24G$

$G^{\′}\left(D_1\right)=\frac{1}{2}G*(2+0-1.48)=0.26G$

类似地，对理想映射斜线所经过的第二列、第三列…像素进行处理，直到理想映射斜线所经过的像素列全部处理完成。此时实际上是完成了映射斜线的反走样显示。

最后，将设置完毕的所有像素反向映射回去，即最终完成了所要显示的斜线的反走样显示。

图3a和图3b分别为用硬件实现的Wu算法、本发明方法的斜线的屏幕显示效果图，通过对比可以看出，斜线的斜率比较小的时候，本发明方法的显示效果比Wu反走样算法的显示效果更好，麻花现象得到减弱。

实施例二、

本实施例中所要显示的理想图形为圆形。为了降低算法复杂度，本发明首先对理想圆形进行预处理：从理想圆形中截取一条两条边分别与显示器的像素行、像素列平行的圆弧，即位于图4中平面直角坐标系的1a～4b象限中任意一个的八分之一圆，该平面直角坐标系的x轴、y轴分别与显示器的像素行、像素列平行。由于圆的中心对称性，所截取的圆弧上任意一点(x,y)都可以映射到其他七个点，因此只需要绘制八分之一的反走样圆弧，其余的通过对称性得到。

图5为采用本发明方法进行圆弧反走样显示的原理示意图。如图所示，对于所截取圆弧所经过的每一列像素（或者每一行像素），从中首先选出与圆弧距离最近的四个像素，并根据下式确定其中每一个像素的显示参数（具体为何种显示参数，根据实际显示所使用的颜色空间确定，例如，在灰度空间中的显示参数即为灰度，在RGB颜色空间中的显示参数即为R、G、B分量，在YUV颜色空间中的显示参数即为Y、U、V分量）

式中，G′表示该像素的显示参数；G表示待显示的理想线条图形的显示参数；d表示该像素中心和对应交点之间距离与显示器上相邻像素间距离的比值；a₁和a₂为预设的调节系数，且满足 $\left\{\begin{array}{c}{a}_1+a_2=c\\ a_1\≥a_2\≥0\end{array}\right.,$ c为范围在[0.5,2]的常数。本实施例中c=1,a₁=1,a₂=0。

图5中第一列像素中最接近所截取理想圆弧的四个像素为A₁、B₁、C₁、D₁，实际上只要知道其中任意一个像素和理想圆弧间的距离与相邻像素间距离的比值，则其余三个像素和理想圆弧间的距离与相邻像素间距离的比值就可得到。假设像素A₁与理想圆弧间的距离（亦即两个像素中心与理想圆弧和第一像素列的交点之间的距离）为相邻像素间距离的0.66倍，则其余三个像素B₁、C₁、D₁和理想圆弧间的距离与相邻像素间距离的比值分别为0.34、1.66、1.34。根据上式可得到这四个像素的显示参数分别如下：

$G^{\′}\left(A_1\right)=\frac{1}{2}G*(1+1-0.66)=0.67G$

$G^{\′}\left(B_1\right)=\frac{1}{2}G*(1+1-0.34)=0.83G$

$G^{\′}\left(C_1\right)=\frac{1}{2}G*(2+0-1.66)=0.17G$

$G^{\′}\left(D_1\right)=\frac{1}{2}G*(2+0-1.34)=0.33G$

类似地，对理想圆弧所经过的第二列、第三列…像素进行处理，直到理想圆弧所经过的像素列全部处理完成。此时实际上是完成了所截取的理想圆弧的反走样显示。

最后，根据圆形的对称性，对所选取并设定显示参数的所有像素进行复制，完成整个圆形的反走样显示。

图6a和图6b分别为用硬件实现的Wu算法、本发明方法的圆形的屏幕显示效果图，通过对比可以看出，本发明方法的显示效果比Wu反走样算法的显示效果更好，麻花现象得到减弱。

从本发明与Wu反走样算法的对比可以看出：

1、与Wu反走样算法相比，Wu算法在斜线与主轴夹角小于5°时，会出现明显的麻花现象，而本发明在小角度时显示效果依然很好，适用于圆和任意角度的斜线；

2、本发明方法将图形映射到1a或1b象限，将任意方向的斜线绘制或圆绘制操作统一为简单的实现过程，这样可以有效地简化硬件实现结构，达到提高硬件处理速度的目的；

3、本发明采用四线显示参数渐变的反走样方法，根据距离远近确定显示参数比重，距离理想点越近权值越大，与理想点距离越远权值越小，从而使图形有平滑的过渡，又不会显得线条过粗；

4、本发明可通过常数c控制图形的整体显示变化，c过小易使生成线条显示参数过低而不易观察，而过大则会因线条边界显示参数较高而锯齿化更加明显，可以根据实际需求进行调试。

Claims (5)

1.一种线条图形反走样显示方法，其特征在于，对显示器上待显示的理想线条图形与显示器上的每一列/每一行像素的交点进行以下处理：对每一个交点，按照下式设定其所对应的像素列/行中与该交点距离最近的前四个像素中每一个像素的显示参数：

式中，

表示该像素的显示参数；

表示待显示的理想线条图形的显示参数；

表示该像素中心和对应交点之间距离与显示器上相邻像素间距离的比值；

为预设的调节系数，且满足，

为范围在

的常数。

2.如权利要求1所述线条图形反走样显示方法，其特征在于，所述常数

以及调节系数

的取值如下：

。

3.如权利要求1所述线条图形反走样显示方法，其特征在于，所述待显示的理想线条图形为斜线；对所述斜线进行反走样显示，具体包括以下步骤：

步骤1、将该斜线对称映射为与显示器像素行之间的夹角小于45°/大于45°的映射斜线；

步骤2、对映射斜线与显示器上的每一列/行像素的交点进行以下处理：对每一个交点，按照下式设定其所对应的像素列/行中与该交点距离最近的前四个像素中每一个像素的显示参数：

式中，

表示该像素的显示参数；表示待显示的理想线条图形的显示参数；

表示该像素中心和对应交点之间距离与显示器上相邻像素间距离的比值；为预设的调节系数，且满足

，

为范围在

的常数；

步骤3、根据步骤1所采用的映射方法，对步骤2中选取并设定显示参数的所有像素进行反向映射。

4.如权利要求1所述线条图形反走样显示方法，其特征在于，所述待显示的理想线条图形为圆形；对所述圆形进行反走样显示，具体包括以下步骤：

步骤1、在该圆形中截取一段其中一条边与显示器的像素行/像素列平行的

圆弧；

步骤2、对所述

圆弧与显示器上的每一列/行像素的交点进行以下处理：对每一个交点，按照下式设定其所对应的像素列/行中与该交点距离最近的前四个像素中每一个像素的显示参数：

式中，

表示该像素的显示参数；

表示待显示的理想线条图形的显示参数；

表示该像素中心和对应交点之间距离与显示器上相邻像素间距离的比值；

为预设的调节系数，且满足

，

为范围在

的常数；

步骤3、根据圆形的对称性，对步骤2中选取并设定显示参数的所有像素进行复制。

5.如权利要求1所述线条图形反走样显示方法，其特征在于，所述显示参数为灰度空间、RGB颜色空间或YUV颜色空间中的显示参数。

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