CN1625758A - 把纹理滤波用于边缘反混叠 - Google Patents

Abstract

对于与一个或多个三维对象的模型有关的信息执行计算机图形处理操作，所述模型包括纹理信息。该方法包括呈现步骤，其中包括允许仿射和非仿射二维图像变换的变换步骤，以及包括变换纹理信息。它采用滤波步骤来抑制所呈现图像中一个或多个带纹理图元的内部的混叠人为现象。具体来讲，该方法采用滤波来传递这种图元的边缘两侧的部分色彩。最后，部分色彩的集合抑制所述图元的边缘混叠引起的人为现象。

Description

把纹理滤波用于边缘反混叠

发明背景

本发明涉及用于对与权利要求1的前序部分所述的一个或多个三维对象的模型有关的信息执行处理操作的方法。当今广泛使用计算机图形学，仿射与非仿射坐标变换的应用在计算机电子游戏、空间仿真、工程及其它领域中是有用的。

本发明人现在已经认识到，需要提供一种简单、便宜的程序来执行用于这类目的、尤其是用于缩小目的的转换。授予Van Dalfsen等人并转让给本受让人的美国专利5892695中已经单独公开了“采样率转换”，这通过利用转置结构来实现，目的是获得反混叠的经变换的视频图像。本发明的一个特殊目的是避免变换图像中的混叠。

广义来讲，混叠是所产生图像中不应存在的现象。在本发明的上下文中，混叠一般表现为本来应该为平滑线条或曲线的图元边缘的锯齿形或分级特征，或者由于在这种边缘上或其附近的像素色彩缺陷，这些缺陷呈现与预期色彩不同的色彩。在技术上，例如通过屏幕上的像素栅格对透视变换纹理映射之类的信号采样时出现混叠。当信号包含过高而无法以离散信号表示的频率时，这个问题很明显。通过采用所谓的前置滤波器在采样之前滤除这些样本，可以消除混叠。

在以下论述中，像素是诸如屏幕或印刷品之类的最终表示上的无尺寸单元，而且像素按照阵列配置规定的像素间隔模式彼此分离。样本具有坐标和值。段包含对最终纹理元素(texel)起作用的信息。纹理元素是来自模型的原始描述的采样信息。图元是原始模型中的自相容元素，它被用作一种描述，这种描述以及可能与其它图元一起作为最终图像中的一组边缘的基础。这类图元可以是三角形、四边形和其它多边形、不需要被限定为平面的具有弯曲边缘的表面(如贝塞尔面片)以及根据情况而定的其它项目。

本发明人现在已经认识到，来自原始边缘两侧的纹理元素可通过采样和滤波对所产生边缘的任一侧的最终像素起作用。因此，按照所用滤波器曲线的控制，应该允许来自模型中边缘两侧的纹理元素传送部分色彩，用于组装最终产生的图像。

发明概述

因此，本发明的其中一个目的是以简单方式导出这种部分色彩，具体来讲，让来自图元边缘两侧的信息对最终像素起作用。

因此，根据本发明的其中一个方面，本发明的特征如权利要求1的特征部分所述。

本发明还涉及一种系统，该系统设置成用于实现如权利要求1所述的方法。在从属权利要求中陈述了本发明的其它有利方面。

附图简介

下面参照优选实施例的公开并具体参照附图更详细地论述本发明的这些及其它方面和优点，图中：

图1是输入样本驱动的处理流水线的后端的示意图；

图2是组成图1的像素段操作的组成部分的段缓冲器的更详细视图；

图3是一维情况的间隔滤波程序的示意图；

图4是一维情况的边缘滤波程序的示意图；

图5a、5b说明纹理空间中的示例光栅化；

图6a、6b说明要受某个纹理元素影响的像素；

图7说明来自各种纹理元素的作用；

图8a、8b说明多边形的左面“边缘像素”的位置；

图9a、9b说明仅对于前置滤波器覆盖面中以及在应该起作用的多边形内的纹理元素的相同情况。

优选实施例的详细说明

图1说明输入样本驱动处理流水线的后端的示意图。这里，多边形信息20在左侧输入到纹理空间中的光栅化器24。这种多边形信息的产生本身是当前技术水平。为了光栅化，纹理存储器22提供必要的纹理信息。在光栅化之后，信息受到有限脉冲响应FIR滤波器26进行的滤波。在滤波之后，已经在先前阶段中单独产生的各种像素段这时以适当方式组合，用于产生所述屏幕像素的最终信息。这些像素段操作在框28中执行。在组合之后，把屏幕图像存储在帧缓冲器30中，以便以后使用，例如可视显示。

图2说明作为图1的像素段操作模块的组成部分的段缓冲器的情况的更详细视图。在左侧，输入端38接收来自图1中FIR滤波器26的输出。在框32，执行深度分类段插入。这将确定特定段在本地是在另一图元“前面”还是在其“后面”。在前两种情况下，该程序还将考虑特定图元是透明的还是不透明的。其它某些标准也可起作用，但为简洁起见而被省略。在插入之后，各种像素段的信息、像素段被转发到像素段缓冲器中。在已经处理了所有图元以及其段插入段缓冲器之后，已分类像素段在输出端44输出，用于在模块36中合成为最终像素信息。在合成之后，所产生的像素信息在互连线路40上被输出到图1的帧缓冲器30。

图3说明一维情况的滤波程序的曲线图。该图有效地表示对单个输出样本或像素的重采样过程。重采样是本领域的一种标准术语，如Heckbert P.S.的“纹理映射和图像扭曲的基础”(Master’s Thesis，Dept.of EECS，University of California at Berkeley，1989)中所述。具体来讲，开圆表示输入样本或纹理元素t4的加权因子。如图所示，该程序允许负的输入样本权值。在滤波器特性的两端，响应变成零。

此同样的方法可用于各个图像，又称作纹理“胶合”到三维画面中的多边形或其它图元上。另一方面，此方法通常会在图元边缘附近变得无效，因为应该作用于特定最终像素的所有纹理元素应该可获得。在符合诸如OpenGL或Direct 3D的标准直接模式API的系统的三维图形流水线中一般不是这样。这些系统一般逐个图元地进行处理，即，在任何给定时刻，只有特定单个图元的纹理元素可获得。

为了说明这种情况，图4表示一维情况的滤波程序的示意图。这里，特定像素无疑将需要来自曲线中两个多边形的已滤波色彩。通过正确的理论程序，可以构造连续信号并用作排除无法由输出显示栅格显示的高频分量的前置滤波器的输入信号。通过这种方法，以同样方式处理来自纹理图像以及来自多边形边缘的高频分量。超级采样可被视为这种方法的粗略近似：实际上，超级采样在缩小到预期分辨率期间对可能从不同图元、如多边形得到的子样本应用滤波器轮廓。

现在根据本发明，在预期输出分辨率上计算像素色彩。与有关特定像素的前置滤波器覆盖面有重叠的所有多边形原则上的确对该像素起作用。对于有效地重叠哪个像素的前置滤波器覆盖面的确定在传统逆映射程序的应用下是复杂的，该程序可被视为输出驱动的滤波程序。它在前向映射的应用下更为容易，该程序是输入驱动的滤波器程序。因此，本实施例把上述程序与输入驱动的滤波器程序相结合，它通过“splatting”或转置直接形式滤波累积纹理元素对一组像素的作用。这将简单地产生对特定像素的所有作用。对于哪些纹理元素将处于与多边形重叠的有效前置滤波器覆盖面之内的确定隐含地进行，不同于如此明确地进行的逆映射的程序。在输入驱动的计算中，纹理元素可对若干输出像素起作用。如果已经处理了前置滤波器覆盖面中的全部纹理元素，则最终确定了某个像素。图4表示对单个输出像素起作用的两个多边形的一个实例。

注意，在操作直接模式API的三维图形系统中，各种多边形之间的相邻关系一般不是已知的，使得将对特定单个像素起作用的这些若干多边形的组合对于计算并非没有价值。

边缘反混叠技术可与单遍或两遍前向纹理映射技术相结合。在更复杂一些的方法中，与传统逆纹理映射技术的结合也是可行的。作为第一实例，这里针对与输入样本驱动的前置滤波相结合的单遍前向纹理映射方法来论述缩小。在这方面，图5a、5b说明纹理空间中的光栅化的实例。

这时，前向映射使纹理空间中的多边形光栅化。虽然大部分光栅化器基于三角形进行工作，但该图假定基于四边形的光栅化器。从矩形到三角形的转变的实现是简单的。在图5a中，正方形表示要与图5b中面向左的侧面相关的纹理区域。在图5a中，在纹理栅格线的交叉点上定义纹理元素坐标。像素坐标由图5b的屏幕空间中的栅格图案上的小点表示。在纹理的正方形剪切块内，前向纹理映射光栅化器遍历全部纹理元素。每个纹理元素的坐标被映射到(x，y)-定义的屏幕坐标。在图5b中，虚线箭头表示这样遍历的映射纹理元素跨距。在图6a、6b中，交叉线表示特定纹理元素从纹理空间到屏幕空间的映射。

图6b说明具有来自图6a所示的特定纹理元素的作用的像素。它们是根据映射的纹理元素坐标来确定的。其前置滤波器覆盖面与映射的纹理元素坐标有重叠的像素将根据前置滤波器覆盖面内的位置受影响、被加权。具体来讲，具有来自交叉纹理元素的作用的像素采用较大的点来标记。通过利用滤波器轮廓把来自输入纹理元素的作用分布到输出像素上的输入驱动的程序可通过一维实例来更好地说明。

例如，图7举例说明一维情况下来自各种纹理元素的作用。可以看到，这种情况下的纹理元素将对最靠近所映射的纹理元素坐标的四个像素起作用。要对其起作用的像素的数量等于滤波器覆盖面的单位宽度(或2D中的面积)(当应用缩小时)。滤波的这种方法在1D中可极有效地进行。在这种情况下，可采用称作“转置直接形式多相FIR滤波器结构”的视频滤波器技术。二维纹理映射和滤波可通过两遍连续的1D滤波有效地进行，但是，在本节不作进一步考虑。

输入驱动的程序的优点在于，当前多边形的“边缘区域”内的像素(其中像素的前置滤波器覆盖面部分与此多边形重叠)将获得“部分”像素色彩。这个部分像素色彩则被补充从一个或多个其它相邻多边形、或者在轮廓边的情况下从背景多边形得到的部分色彩。在这方面，图8a、8b说明多边形的左面“边缘像素”的位置。例如，前置滤波器的正方形覆盖面的面积为3×3。在图8b中，对于一个在多边形边界内部、一个在多边形边界外部的两个像素，前置滤波器覆盖面表示为具有内部大交叉线的正方形。只有处于前置滤波器覆盖面之内的当前多边形的纹理元素、而不是处于纹理空间中的多边形边界之外的纹理元素应该对所述像素起作用。

为了更为精确和明显，应该仅使用多边形边界之内的纹理信号。但是，当采用高阶重构滤波器时，多边形边界之外的纹理元素也可对多边形边界之内的信号起作用，从而进一步对所述像素起作用。

这更具体地表示在图9a、9b中，它们说明仅对于前置滤波器覆盖面中以及在应该起作用的多边形内的纹理元素的相同情况。原始纹理元素位置及其在像素空间中的对应部分每次通过小交叉线来表示。

对一个像素的多边形作用是纹理元素坐标在像素的前置滤波器覆盖面内被映射的纹理元素作用的总和。纹理元素色彩作用在所述多边形的光栅化过程中累积为单值。我们建议把这些多边形对像素的作用值存储在图2所示的段缓冲器中，以便能够在已经呈现所有多边形之后的后处理步骤中正确地组合最终像素色彩。多边形对像素的作用值包括(部分)色彩、作用因子(所有起作用的纹理元素的总的权值)、深度值以及甚至可能是这里未考虑的其它数据。我们把这称作像素段。

另外，把上述边缘反混叠方法应用于传统逆纹理映射也是可行的。为此，如果前置滤波器覆盖面仅部分覆盖所述多边形，则传统滤波器可扩展为还输出部分色彩。

另一种常见的按段操作是所谓的α测试，其中α通道中的信息被用来确定特定色彩是否应该起作用。按照传统方式，此α测试作为按段操作执行。按照每个纹理元素、即在滤波之前执行α测试可能是有利的。在这种情况下，如果特定纹理元素没有通过α测试，则它对该像素的作用被设置为零，即使该纹理元素处于所述像素的前置滤波器覆盖面之内。这样，前置滤波器还用来对α测试指定的边缘进行反混叠。像素段操作模块中的α测试操作最好是正好位于滤波器单元之前。

Claims (12)

1.一种对于与一个或多个三维对象的模型有关的信息执行计算机图形处理操作的方法，其中所述模型包括纹理信息，

所述方法包括呈现步骤，所述呈现步骤包括允许仿射和非仿射二维图像变换的变换步骤，其中包括变换所述纹理信息，通过利用滤波步骤来抑制所呈现图像中的一个或多个带纹理图元的内部的混叠人为现象，

所述方法的特征在于，所述滤波还被用于传递这种图元的边缘的两侧的部分色彩，以及其中这些部分色彩的集合被用于抑制所述图元的边缘混叠引起的人为现象。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述图元包括以下集合中的一项或多项：三角形、四边形、其它多边形以及具有弯曲边缘的表面、如贝塞尔面片。

3.一种为实现如权利要求1所述的方法而设置的系统，所述系统包括呈现模块，所述呈现模块包括允许仿射和非仿射二维图像变换的变换单元，用于变换所述纹理信息，所述系统还包括用于执行滤波步骤、以便抑制所呈现图像中的一个或多个带纹理图元的内部的混叠人为现象的滤波装置，

所述方法的特征在于，所述滤波装置还设置成传递图元的边缘两侧的部分色彩，用来抑制所述图元的边缘混叠所引起的人为现象。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述变换单元包括多相FIR滤波器。

5.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述滤波装置中的计算在已经被变换到输出空间的纹理坐标上执行。

6.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述滤波装置中的计算在已经被变换到输入空间的输出样本坐标上执行。

7.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述滤波装置中的计算在变换之前由输入样本驱动时执行。

8.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述滤波装置中的计算在由输出样本驱动时执行。

9.如权利要求3所述的系统，其特征在于还包括到远程呈现装置的接口，用于从其中接收所述模型信息。

10.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述α测试操作正好在所述滤波之前执行。

11.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述边缘反混叠技术与单遍或两遍前向纹理映射技术相结合。

12.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述边缘反混叠技术与传统逆纹理映射技术相结合。

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