CN1472703A - 数字影像α混合的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明案揭露一种快速且具高效率而执行α混合(alpha blending)运算的装置及方法，此方法实施在集成电路时可以有效的缩小装置所需面积；上述装置是由数个多任务器(multiplexer)及一加法器(adder)所组成，每一多任务器都被安置接收第一及第二个数字影像数值、同时各多任务器也会被安置接收数字数值α中的一位值α_i、并藉由此位值α_i来选择多任务器的输出为第一或是第二个数字影像；各多任务器的输出是按位值α_i在α值中的位置顺序向左位移、而产生数个左位移输出(left－shifted outputs)；最后加法器再计算所有左位移输出的总合。

Description

数字影像α混合的装置及方法

技术领域

本发明是有关于影像处理，且特别有关于混合两种影像数据来源而产生的结合影像。

背景技术

在计算机系统里一数字影像是由许多像素所构成的数字值所代替，典型像素按行列排法、让使用者易察觉这些像素所排成的影像；像素可显示彩色或灰度影像(也称为黑白影像)，在灰度影像中、每一像素以明视度(又称光度)的值来代表；例如明视度以8位数字值表示，每一像素由从0至255的单一无记号字节所表示，位值为0指最暗像素、255指最亮像素、中间值则指中间光度。除此之外、影像可用彩色形式表示，包含色度及明视度的变化；色度(或色彩)可为多种颜色聚集组成的、因为不同颜色混合可产生其它颜色；例如基本色红色(R)绿色(G)和蓝色(B)可用来显示多种其它不同的颜色；依照各个颜色的色彩含量、可得到一色阶来产生各种颜色。

显示任何图片影像于电视、录像、以及计算机制图上，已为可轻易做到的数字影像技术的应用；但是当必须在同一范围内显示两个或是更多影像时、许多可能性就会存在；而只显示任一图案影像、也就是放置一影像在另一影像上面是简单容易的，不过也有可能遇到必须混合多个影像的案例。有关于混合影像的熟知技术通常是使用α混合(alpha blending)技术，藉由α混合、两个或以上的影像可被单独显示、也可以一影像主要过另一影像而部分显示。

在计算机绘图的应用上、譬如计算机游戏，混合影像技术非常重要；当处理复杂或快速图案时，α混合会大幅增加计算机计算所需资源；于某些特定应用中、一屏幕一次显示数百万像素、而每一像素每六十分之一秒必须重新更新，并且多数或全部像素都可能需要用到α混合计算；因此包含复杂数字图案的系统必然需要一种快速的α混合计算方法；进一步还需要一装置、能够凭简化硬件或减少其复杂性来实现此迅速α混合计算。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在提供一种快速且具高效率而执行alpha混合运算的装置及方法；另外本发明另一目的为，利用上述方法实施在集成电路时有效的缩小装置于芯片上所需面积。

本发明其中一项具体实施是揭露一装置，藉由一数字alpha值(α值)，在第一数字影像值X和第二数字影像值Y执行alpha混合计算(ie.αX+(1-αY)；α值是由n位数组成的，α₀为最高有效位，α_n-1为最低有效位，而i值决定α_i位值在α中的位置。此装置是由数个多任务器及一加法器所组成，每一多任务器被安排接收数字值α里其中的一对照位值α_i，并且每一多任务器接收第一和第二个数字影像值，另外按照数字值α里的位值α_i指示多任务器的输出值为第一或者第二数字影像值；各个多任务器的输出是按位值α_i在α值中的位置顺序向左位移、因而产生数个左位移输出(left-shifted outputs)。加法器被安置于接收所有左位移输出并且计算其输出总合。

本发明的另一具体实施是揭露按照数字α值在第一及第二数字影像值执行alpha混合计算；α值是由n位数组成的，α₁为最高有效位，α_n-1为最低有效位，而i值决定α_i位值在α中的位置。此装置是由数个多任务器及一加法器所组成，每一多任务器被安排接收数字值α里其中的一位值α_i，并且每个多任务器接收第一和第二个左移数字影像值，第一及第二个左移数字影像值是按照α_i在α值中的位置向左位移；另外各个多任务器会按照α_i指示输出值为第一或第二左移数字影像值。加法器被安置于接收所有左位移输出、并进一步计算左移输出总合。

本发明案的另一具体实施为加法器是一进位存储加法器(Carry save adder-CSA)；然而另个具体实施是由位的第一个数字代表第一数字影像的值，而位的第二个数字则代表第二数字影像的值；此外位的第三个数字代表左移输出总合，而位的第三个数字会比第一和第二个数字的总合加一还较大或是相等；在另一具体实施上，一移位缓存器(shift register)产生左位移输出；还有一具体实施、左位移输出是一移位耦合多任务器的输出至加法器的输入而产生的。

本发明的另一具体实施是形容一种按着数字α值、在第一数字影像值X、和第二数字影像值Y上执行α混合计算的方法；α值有n位数、α₁为最高位、α_n-1为最低位，i值则决定α_i位数的长短。此发明的方法是接收第一和第二个数字影像值，并且接收α值；接着按照对应的位值α_i选择第一或第二数字影像值，之后按着α_i在α值中的位置向左位移、而产生数个左位移数字值，最后再把这些左位移数字值相加获得结果。

本发明案的另一实例是以位中第一个数字代表第一个数字影像值、第二个数字则代表第二个数字影像值，同样地位的第三个数字代表左位移输出总合，在一具体实施中、位的第三个数字会与第一和第二个数字的总合加一相等或是较大；在另一具体实施上、第一和第二个左位移数字影像值是计算机控制的位运算；此外加法可用已知的加法电路执行。

当理解了本发明所揭发的技术后，便可延伸发展出许多其它的具体实施与变化。

附图说明

为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

图1A至图1C是显示按照本发明的一具体实施、可使至少两个不同的影像混合在同一显示上。

图2A是一方块图显示一种以两个加法器、和两个多任务器所组成的alpha混合计算的熟知技术实施。

图2B是一方块图显示一种以两个加法器、和一个多任务器所组成的alpha混合计算的熟知技术实施。

图3是一流程图显示一种按本发明案执行的alpha混合计算的方法。

图4A是一方块图显示一种按本发明执行的alpha混合计算的装置。

图4B是一方块图显示一种按本发明执行的alpha混合计算的装置。

具体实施方式

熟悉了解α混合(alpha blending)的概念能帮助更清楚理解本发明案；图1A中显示影像104在一背景102上，影像104是一不透明白色的四角星形，因此该四角星形后面的背景102是无法被看见的；图1B中显示影像106在一相似背景102上面；而影像106是一不透明黑色的多角形污渍，同样地该多角形污渍后面的背景102是无法被看见的；许多应用会要求影像104或影像106被显示出来，然而更复杂的应用是需要影像混合着显示。

图1C是混合影像104及影像106的一种情况；面积108特别值得注意，因为是影像104和影像106重迭，屏幕上每一像素都必须混合；面积108因此是混合一部分影像104及一部分影像106的结果；在这个例子中、面积108是一半从影像104、一半从影像106所合成的，下面的讨论将揭露这样的例子可设α为0.5用α混合来实现，因此合成的面积108是由不透明白色和不透明黑色混合而成的灰色。

在图形应用上，产生的像素值R(例如面积108中的一个像素值)是藉由第一个像素值X(例如影像104中的一个像素值)和第二个像素值Y(例如影像106中的一个像素值)利用以下的等式所混合产生的。

R＝αX+(1-α)Y

此α是一个0至1的数字。从此线性等式可以发现当α＝1时，形成的像素值会同第一个像素值相等(也就是当α＝1时，R＝X)；同样地当α＝0时，形成的像素值会同第二个像素值相等(也就是当α＝0时，R＝Y)；而当α＝0.5时，所形成的像素值是两个影像的混合(也就是R＝0.5X+0.5Y)；图1C中的面积108就是α＝0.5的一个例子。许多中间的效果可藉改变α(α的范围0～1)而达到。

许多图案系统是执行在图案数据以二进制位传递的数字计算机中，因此影像数据是大量的0和1所代表的，而数学计算更是以二进制位方式来运算的；为了能更完全领会本发明，必须熟悉先前α混合计算的熟知技术。

图2A显示之前alpha混合计算的技术是由两个乘法器multiplier(乘法器204和乘法器206)和两个加法器(加法器202和加法器208)；如图显示，α的数字数据是从输入216提供给加法器202，该加法器的另一输入是由输入214所输入的数字值I；输出218的1-α是由加法器202以熟知技术所产生的。注意到在已知的技术上一个加法器可以用来产生一个差。输出218和由输入212所输入的一Y数字值提供给乘法器206，乘法器206的输出222为(1-α)Y；第二个乘法器204的输入是于输入210的数字值X、和输入216的α，而输出220则为αX。αX与(1-α)Y之后被加法器208相加而得到在输出224的结果R＝αX+(1-α)Y。

图2B是另一个用来执行α混合计算的先前技术，如图所示加法器202的输出230是X-Y；X-Y之后藉由乘法器204与α相乘获得α(X-Y)于输出232。最后结果R＝αX+(1-α)Y是由加法器208相加α(X-Y)和Y所得。在上述两种先前技术的执行上，乘法器(例如204或206)会用到集成电路里芯片的一大块空间；除此之外加算器(例如202或是208)会于产生输出时引进显著的延迟；所以在运用alpha混合计算时、乘法器和加法器的组合会占据一大片芯片空间以及引进显著的延误。

鉴于先前技术实施的缺点，本发明利用数字值α和 α的特质来减少alpha混合计算所需集成电路空间和计算时间；在此讨论与alpha混合有关的α和 α的特征将会对于了解本发明有帮助。

一基数为r的正数α、包含了m位数的整数和n位数的小数，(r-1)’的补码定义为

α＝r^m-r^-n-α

在一特定实例中当r＝2(也就是二进制或是数字系统)，α的整数部分为零位数、小数有n位数，α的补码定义为

α＝1-r^-n-α

此等式可改写为

α＝(1-α)-r^-n

当n够大时，r^-n会接近零，所以α的1的补码接近于

α＝(1-α)

虽然数学上运算α的1的补码是很复杂的，在实际实施上、1的补码可以简单的以颠倒数字的每一个位来完成；例如一数字α＝.01101001(十进制里α＝0.41015625)，而简单地以颠倒数字里每一个位 α＝.10010110即为α的1的补码(十进制里 α＝0.5859375，此揭露时省去数字中小数点前的零，所以如果小数点前没有位即代表零)。以此方法算出的 α＝0.5859375相当接近真正的1-α＝0.58984375，两数差距仅2^-8＝0.00390625。因此α的补码和1-α的估计值可以被轻易算出；以此估计方法可以快速有效的计算出1-α的值，因此也发展出一种快速有效执行α混合的方法。

α混合计算按着α值混合X和Y、照着以下等式产生相混合的数值：

R＝αX+(1-α)Y

R的值可以用之前的方式估计：

R≈αX+ αY    在此 α≈(1-α)

因此R的等式可被重写为： $R\≈\left({\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{n-1}{\mathrm{\α}}_i{2}^{-i-1}\right)X+\left({\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{n-1}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}}_i{2}^{-i-1}\right)Y={\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{n-1}{R}_i$

在此

α₁(也可被写为(α1))是α的最高有效位(MSB)

α_n-1(也可被写α(n-1))是α的最低有效位(LSB)

α_i(也可被写为 α(1))是 α的最高有效位(MSB)

α_n-1(也可被写 α(n-1))是 α的最低有效位(LSB)

R_i是对应α_i或 α_i总合的一部分

从以上R的估计、数字i以一种已知方法对应位值α_i的次序，例如部分总合为：

Ri＝α_i2^-i-1X+ α_i2^-i-1Y

如果在此i＝2，α₂＝1， α₂＝0会得到以下的部分总合：

R₂＝α₂·2^-3·X+ α₂·2^-3·Y

  ＝1·2^-3·X+0·2^-3·Y

  ＝2^-3·X

如果在此i＝3，α₃＝0， α₃＝1会得到以下的部分总合：

R₃＝α₃·2^-4·X+ α₃·2^-4·Y

  ＝0·2^-4·X+1·2^-4·Y

  ＝2^-4·Y

此结果R是由数量X和Y的左位移数位数量的总合，而此处的X和Y分别是按照在位α和 α的有效位位置而向左位移的。因为α和 α互为补码，任何部分总合R是由X或Y其中的一位移量所获得的、不是X和Y两个的位移量一起而获得的。

这里有一例子可以帮助了解上述观念；假定X和Y为8位的数字，在此为了更清楚让读者记得，下标符号8会用在此例子中(例如X₈和Y₈)；值为0又有下编符号8(0₈)在此范例中代表8位数的全为0的数；假设α和 α都分别是一值介于0和1(不超过1)的8位小数；在本发明案中所用α和 α的特定值是一实例、用来说明本发明的重要性质，任何熟习此技艺者将了解更广的含意。假如α=.01101001， α＝.10010110，而所相乘的积α·X₈在概念上是按以下的方式获得：

(注意这里每一个结果0₈X₈X₈0₈X₈0₈0₈X₈是代表一个八位数字)；同样地、以α的1的补码、所相乘的积 α·Y₈是按以下的方式获得：

按照α的数位值来位移X₈而算相乘的积α·X₈；当数字值α_i是1、数字值X₈会按照α_i在α中的位置向左移、而最后所得的积α·X₈是所有位移数值的总合。如先前技术、小数点的位置必须根据α值和X₈的小数部分； α·Y₈也是用同样方法算出；相加α·X₈和 α·Y₈及可得到R。

上述所得结果总合Y₈X₈X₈Y₈X₈Y₈Y₈X₈在运算时可能会需要进位，不过由于Y₈和X₈的值不会需要相加、运算时可用一加法电路计算出总合。

这里可以观察到R的估计值可以藉由α的数字值、从X或Y中选出、再由α_i在α中的位置决定位移多少、最后再把所选和所位移的数相加。(注意这里X和Y并没有用下标符号、因为此处讨论比较广泛的实例)

图3是一对照上述执行本发明的方法300的流程图，为确定方法300中的数值被适当的控制、在最开始时会于第302步骤重设n位数的结果值R以及于第304步骤重设一计算器i为零；之后第306步骤会比较计算器i是否比n-1的数值小或是一样大。当n大于或等于1时，第306步骤会在第一次经过方法300时得到TRUE的结果；第308步骤于是询问α的第i位是否等于1(α_i＝1？)，而当第308步骤得到TRUE的结果时、会执行第310步骤；第310步骤会先以2^-i-1·X算出R_i；当第308步骤得到FALSE的结果时(α_i＝0、也就是α _i＝1)、会执行第312步骤；而第312步骤则以2^-i-1·Y算出R_j；执行完第310或第312其中之一个步骤后、第314步骤将会把从先前步骤中算出的R_i、加到原来的R而得到一更新的R值；在第316步骤中、计算器i会加一(i＝i+1)、然后再回到第306步骤；当第306步骤得到一FALSE的结果时、将结束此流程并于第318步骤输出R值。此方法300可在不偏离上述大体方法而被改善；举例说明：第314步骤可被第310和第312步骤所含括，就无须有R_i这样的代数而可直接获得结果R；再来就是计算器i可应用熟知技术帮助、使其实施方式更有效率。

图3所揭露的方法300提供实施于数字计算机上的逻辑概念，不但如此、此方法还可被用来实施又快速又有成本效益的α混合计算的硬件上。图4A揭露硬件实施的方块图；在此实施中、X值在404、Y值在402、而α则是一8位的二进制数；如图4A所示、X值和Y值被接到第408-0至第408-7多任务器的输入、要注意这里8位数值的X和Y里的每一位是分别输进第408-0到第408-7多任务器的输入；而α值的每一个位被接到第408-0至第408-7多任务器的选择线；α值中的最低位(LSB)α₀被接到第408-0多任务器，而最高位(MSB)α₇则被接到第408-7多任务器，α中间的位也同样的被接到所相对应的多任务器；因此α的位是用来决定选择X或Y其中之一为多任务器的输出，当位α_i＝1时、X值会被选为做其输出、当位α_i＝0时、也就是α_i＝1时、Y值便会被选为做其输出。

X和Y均需要左移多次得到R＝αX+ αY；第412-0至412-7左位移单位提供此移位功能；在实施上左位移单位412-0并无实际位移效用、因此可被免去；这里仍然保留是为了强调实施的对称性；本发明之一具体实施中，第412-0至412-7左位移单位是移位缓存器(shift register)；第412-0至412-7左位移单位的功能已经可以在无须多增加一单独装置之下、用各样方法实施；例如在一装置接已被位移的输入或输出；并且当与一数字计算机一起使用时、数字计算机及可立即供应X或Y的位移值。第412-0至412-7左位移单位的输出连接至加法器414；在本发明的一具体实施上、此加法器414是一进位存储加法器(Carry-save adder-CSA)；加法器414的输出418为结果R；在上述具体实施中、加法器414提供了17位来呈现结果R。

为了更进一步强调本发明的特色、图4A用来继续描述先前提过的例子，也就是当α＝.01101001， α＝.10010110；而α值的每一个位被接到第408-0至第408-7多任务器的选择线；α值中的最高位(MSB)被接到第408-7多任务器的选择线，最低位(LSB)被接到第408-0多任务器的选择线；当α＝.01101001时，第408-0至第408-7多任务器的输出是Y7，X6，X5，Y4，X3，Y2，Y1，和X0；于是第408-7的输出(i.e.Y)位移了7次、第408-6的输出(i.e.X)位移了6次、第408-5的输出(i.e.X)位移了5次、第408-4的输出(i.e.Y)位移了4次、第408-3的输出(i.e.X)位移了3次、第408-2的输出(i.e.Y)位移了2次、第408-1的输出(i.e.Y)位移了1次、第408-0的输出(i.e.X)位移了0次；这些被位移的数值之后分别被接到加法器414的第416-7到第416-0输入、而在418输出结果R；8位的X和Y值、其输出值R将需要17位的输出容量。

本发明的另一具体实施显示于图4B，此图和图4A有很多类似的地方，只是X和Y的值在输入第408-0至第408-7之前先被位移；在图4B里，每一个多任务器都连接着两个左位移单位；藉由α值的选择下、加法器414接收输入已被正确位移的X或Y值；输出418则是α混合计算的正确答案R。

值得注意的是本发明的实施(图4A和4B)比先前技术(图2A和2B)使用到晶体较少的面积且可以较快的速度运算；要紧地是第408-0至第408-7多任务器用到很小晶体面积以及引进少量的迟延时间；加法器414比图2中的加法器202和208要为复杂；事实上、加法器414会用到和先前技术中的乘法器(乘法器204和206)差不多的资源；加法器414仍然同先前技术的加法器(加法器202和208)近乎一样；整体看来、本发明提供一种α混合计算的方法、只需使用到先前技术所用的一个乘法机所需的芯片大小、和一个加法器所需耗用到的时间延迟。

本发明已以较佳实施例揭露是为了配合图解及叙述的目的，然其并非精准的形式而用以限定本发明；在不脱离以下所申请范围内，按照上述技术可作各种更动与变化；选此较佳实施例是为了最适当详述本发明的原理及其实际应用，也可让熟此技术者最有效地实施本发明、各样的具体实施及改良可被适用于特定的使用例子上。因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (20)

1.一种执行α混合装置，是按照小数点后有n位数的一数字值α来执行α混合计算一第一和一第二数字影像的数字值的装置，其α值的最高有效位为α₀、最低有效位为α_n-1、以及其中上述α_i的次序与α的一第i个数字有关，包括：

多个多任务器，每一上述多任务器被安装以接收上述数字值α的一位值α_i，每一上述多任务器被安装接收上述第一及第二数字影像的数值，每一上述多任务器按上述数字值α的位值α_i选择其输出值为上述第一或第二数字影像值，每一上述多任务器的输出是按上述位值α_i在α值中的位置顺序向左位移、产生多个左位移输出；以及

一加法器被安装以接收上述左位移输出，并计算上述左位移输出的总合。

2.如权利要求1所述的执行α混合装置，其中上述加法器是一进位存储加法器。

3.如权利要求1所述的执行α混合装置，其中上述第一数字影像值是以由多个字节成的一第一数字表示、上述第二数字影像则是以由多字节成的一第二数字表示。

4.如权利要求3所述的执行α混合装置，其中上述左位移输出的总合是以由多字节成的一第三数字表示。

5.如权利要求4所述的执行α混合装置，其中上述第三数字是大于或等于上述第一与第二数字的总合加一。

6.如权利要求1所述的执行α混合方法，其中上述左位移输出是由一移位缓存器所产生的。

7.如权利要求1所述的执行α混合方法，其中上述左位移输出是利用输出至上述加法器的输入的上述多个任务器的一移位耦合而产生的。

8.一种执行α混合装置，是按照小数点后有n位数的一数字值α来执行α混合计算一第一和一第二数字影像的数字值的装置，其α值的最高有效位为α₁、最低有效位为α_n-1、以及其中上述α_i的次序与α的一第i个数字有关，包括：

多个多任务器，每一上述多任务器被安装以接收上述数字值α的一位值α_i，每一上述多任务器被安装以接收第一及第二个被左位移的数字影像数值，上述第一及第二个左位移数字影像值按上述位值α_i在α的位置向左位移，每一上述多任务器被安置产生多个左位移输出，按上述数字值α的位值α_i选择上述多个多任务器的输出值为上述第一或第二个数字影像值；以及

一加法器被安装以接收上述复数左位移输出，并计算上述左位移输出的总合。

9.如权利要求8所述的执行α混合装置，其中上述加法器是一进位存储加法器。

10.如权利要求8所述的执行α混合装置，其中上述第一数字影像值是以由多个字节成的一第一数字表示、上述第二数字影像则是以由多个字节成的一第二数字表示。

11.如权利要求10所述的执行α混合装置，其中上述左位移输出总合是以由多个字节成的一第三数字表示。

12.如权利要求11所述的执行α混合装置，其中上述第三数字是大于或等于上述第一与第二数字的总合加一。

13.如权利要求8所述的执行α混合装置，其中上述第一及第二左位移数字影像值是由一移位缓存器而产生的。

14.如权利要求8所述的执行α混合装置，其中上述左位移输出是由上述多个任务器的输出的一移位耦合所产生的。

15.一种执行α混合方法，是按照小数点后有n位数的一数字值α来执行α混合计算一第一和一第二数字影像的数字值的方法，该α值的最高有效位为α₁、最低有效位为α_n-1、以及其中上述α_i的次序与α的一第i个数字有关，包括下列步骤：

接收上述第一和第二数字影像数值；

接收上述α值；

当上述α的该位值α_i为逻辑高位值，则选择上述第一数字影像值作为一被选出来的数字值，否则当上述α的该位值α_i为逻辑低位值，则选择上述第二数字影像值作为上述被选出的数字值；

按照该位值α_i在α里的位置、向左位移上述被选出来的数字值、以制造复数左位移数字值；以及

相加上述复数左位移数字值即得到一结果R。

16.如权利要求15所述的执行α混合方法，其中上述第一数字影像值是以由多个字节成的一第一数字表示、上述第二数字影像则是以由多个字节成的一第二数字表示。

17.如权利要求16所述的执行α混合方法，其中左位移输出的总合是以由多个字节成的一第三数字表示。

18.如权利要求17所述的执行α混合方法，其中上述第三数字是大于或等于上述第一与第二数字的总合加一。

19.如权利要求15所述的执行α混合方法，其中上述第一和第二被左位移的数字影像值是计算机控制的位运算所产生的。

20.如权利要求15所述的执行α混合方法，其中上述加法步骤是由一硬件加法器所执行的。

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