EP0037320B1

EP0037320B1 - Procédé pour obtenir une représentation de courbes sur un écran de télévision

Info

Publication number: EP0037320B1
Application number: EP81400453A
Authority: EP
Inventors: DuçThy Pham; Dominique Vanypre
Original assignee: Societe Francaise dEquipements pour la Navigation Aerienne SFENA SA
Current assignee: Societe Francaise dEquipements pour la Navigation Aerienne SFENA SA
Priority date: 1980-03-28
Filing date: 1981-03-23
Publication date: 1985-05-02
Also published as: EP0037320A1; FR2479622B1; GB2077079B; FR2479622A1; US4698768A; JPS5723998A; GB2077079A; DE3170250D1

Description

. La présente invention concerne un procédé pour obtenir une représentation de courbes lissées sur un écran de télévision, en noir et blanc ou en couleur.
D'une manière générale, en constate que, sur un tube de télévision, dès qu'un trait n'est plus ni horizontal ni vertical, des marches d'escalier apparaissent sur le tracé, d'autant plus visibles que le trait est proche de l'horizontale ou de la verticale.
Le nombre des marches et leur longueur dépendent de la pente et de la définition de l'image.
On rappelle que l'écran d'un tube de télévision peut se diviser en une pluralité de carrés fictifs, généralement désignés sous le nom de points d'image ou pixel (picture elements) définis par les coordonnées de leur centre.
La reproduction ou même la réalisation d'une imagé peut donc être obtenue en provoquant, par un balayage, l'éclairement d'un nombre correspondant de points d'image affectés d'une luminance et éventuellement d'une chrominance déterminées.
L'invention concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, un procédé selon lequel le calcul des points de l'écran à allumer peut être réalisé à l'aide d'additions et de décalages.
On sait qu'il est facile de réaliser un vecteur ayant pour origine le centre (X_o Y_o) d'un pixel et peur extrémité, le centre (X_n Y_n) d'un autre pixel.
La génération de ce vecteur peut être réalisée selon l'algorithme de Bresenham qui consiste, dans le cas où le vecteur passe dans le premier quadrant et présente une pente inférieure à 45°:

- allumer le pixel de coordonnées X_oY_o.
- à incrémenter X d'une unité, X passant alors à X₁,
- à déterminer la valeur de l'écart e (signé) entre le vecteur et le centre du pixel de coordonnées X₁ Y_o,
- à comparer cette valeur e à une valeur
égale à moitié de la hauteur d'un pixel (0,5 si cette hauteur est égale à l'unité),
― à incrémenter Y, qui passe à Y₁, si e est supérieur à
― à conserver la valeur Y_o si e est inférieur à
- allumer selon le cas le pixel de coordonnées X₁ Y₁ ou X₁ Y_o,
- à incrémenter à nouveau X d'une unité (X passant à X₂) et à répéter le processus jusqu'à atteindre le pixel de coordonnées X_n Y_n.

Il est clair que tous les autres cas peuvent se déduire de cet algorithme par diverses symétries:

― valeur de pente supérieure à 45° X⇄Y,
― vecteur dans le deuxième quadrant X→-X,
― vecteur dans le troisième quadrant X→-X, Y->-Y,
― vecteur dans le quatrième quadrant Y→-Y.

Il apparaît donc que, selon ce mode de génération, tous les vecteurs générés dans le premier octant sont constitués par une suite de segments horizonteux, décalés les une par rapport aux autres, en forme de marches d'escalier.
Pour supprimer cet inconvénient, il convient donc d'effectuer un lissage en procédant à une diminution locale du contraste entre le trait et le fond et en augmentant artificiellement la définition de l'image, l'oeil de l'observateur filtrant le tout et ne percevant plus distinctement les marches d'escalier.
A cet effet, selon une technique connue voisine de la technique d'imprimerie, on utilise un jeu de motifs dont l'impression répétée donne un effet de gris plus ou moins foncé.
Toutefois, il s'est avéré qu'en utilisant des motifs selon une technique à deux niveaux, qui présente l'avantage de n'utiliser qu'un seul bit pour coder chaque pixel, l'effet de lissage diminue fortement pour des pentes inférieures à 10°, de sorte qu'aucun résultat probant n'a pu être obtenu. Cette technique ne présente d'intérêt que pour les tubes haute résolution et à grande mémoire écran et dont la figuration ne nécessite pas un lissage de grande qualité.
D'autres solutions ont également été proposées pour résoudre ce problème. Ainsi, par exemple, le brevet FR 2 347 844 décrit un dispositif d'affichage d'après le préambule de la revendication 1 utilisant une mémoire à régénération destinée à assurer des transitions régulières des symboles par création artificielle de modulations d'intensité. Dans ce dispositif, l'intensité d'un élément d'affichage est déterminée en fonction de la contribution lumineuse des éléments d'affichage voisins (détermination de la position d'au moins neuf éléments d'affichage et, au moins en partie, de l'intensité de ces neuf éléments d'affichage), ce qui conduit à un système relativement complexe et coûteux.
Par le brevet GB 2 021 905, on connaît un dispositif pour la commande sélective de l'intensité lumineuse des éléments d'affichage, qui reçoit des premiers signaux représentatifs des coordonnées d'une série de points définissant l'image et de seconde signaux représentatifs des coordonnées des éléments d'affichage au cours du balayage. Ce dispositif détermine la distance entre les points définissant l'image et les éléments d'affichage et calcule l'intensité de ces éléments d'affichage en fonction de cette distance. Ce dispositif doit donc effectuer une multiplicité de calculs et fait donc intervenir des circuits complexes et onéreux.
L'invention a donc pour but de supprimer ces inconvénients.
Elle propose un procédé permettant d'obtenir une représentation de courbes sur un écran de télévision, dont les images sont produites par un balayage de lignes, et selon lequel, d'une façon analogue à celle de l'algorithme de Bresenham, pour chacun des pixels traversés par la courbe, on calcule l'écart e entre ladite courbe et le centre du pixel et on allume un motif lumineux dont la position est déterminée en fonction dudit écart et de l'inclinaison de la courbe. Ce procédé est plus particulièrement caractérisé en ce que ledit motif lumineux est constitué par au moins deux pixels adjacents disposés, selon ladite inclinaison, sur une même ligne ou une même colonne, et dont la luminance est commandée de façon telle que le barycentre lumineux soit sensiblement situé sur la courbe à tracer.
Ce procédé permet donc ainsi de faire coïncider le lieu de perception visuelle et la droite à tracer, ce qui permet d'obtenir une impression de continuité.
Par ailleurs, l'utilisation de ce principe permet de diminuer localement le contraste entre le trait et le fond et d'augmenter artificiellement la définition de l'image.
De préférence, pour obtenir une homogénéité du tracé, il est fait en sorte que tous les motifs utilisés aient à peu près la même valeur de luminance.
L'application au procédé précédemment décrit au lissage d'une image en couleur nécessite la définition de plusieurs couleurs intermédiaires Ci C_n-, entre la couleur du trait C_n et celle du fond C_o.
Selon une autre caractéristique de l'invention, de façon à présenter le moindre contraste entre elles et entre C_o et C_n, ces couleurs intermédiaires sont prises sur le segment C_n C_o tracé dans un espace des couleurs sensiblement uniformes, par exemple, l'espace (U, V, Y). La valeur des luminances (valeurs Y'₁, Y'₂...Y'_n-1 dans l'espace X, Y, Z) de ces couleurs intermédiaires C₁, C₂...C_n-1, ainsi que leur chrominance (par exemple calcul dans le plan U, V ou même dans l'espace L^*, U^*, V^* défini en 1976 par la Commission Internationale de l'Eclairage) sont donc intermédiaires.
Par ailleurs, les différences de couleurs entre C_o et C₁, C₁ et C₂, C_n-1 et C_n, sont prises sensiblement égales.
Selon une autre caractéristique de l'invention, pour effectuer le tracé des susdites courbes, on utilise un nombre déterminé n de motifs a_o, a₁, a₂...a_n composés chacun d'au moins une paire de pixels adjacents situés sur une même colonne, la position du barycentre du motif ao étant centrale, tandis que les positions des barycentres des autres motifs sont décalées par rapport à ladite position centrale de façon croissante et alternée. Dans ce cas, le choix des motifs (a_o...a_n) à appliquer est déterminé en fonction de la position de la susdite valeur e par rapport à une série de valeurs h₁...h_n établie à l'avance.
Des modes de réalisation de l'invention seront décrits ci-après à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels:

- La figure 1 est une représentation partielle schématique d'un vecteur que l'on désire tracer sur un écran de télévision dont on a représenté les pixels;
- La figure 2 représente un organigramme simplifié de l'algorithme de Bresenham pour la génération d'un vecteur de pente inférieure à 45° dans le premier quadrant (premier octant);
- La figure 3 est un tableau dans lequel on a numéroté la luminance L pour une échelle de gris (allant du noir au blanc);
- Les figures 4 et 5 représentent un ensemble de motifs pouvant être utilisés pour générer un trait fin (motifs a, b, c, (figure 4) et pour générer un trait moyen (motifs d, à g (figure 5);

Avec référence à la figure 1, l'écran de télévision a été partiellement représenté sous la forme d'un quadrillage dans lequel chaque carré, de côté égal à l'unité, représente un pixel défini par les coordonnées X, Y de son centre. Dans cet écran, le vecteur A, B à tracer a pour origine le centre du pixel de coordonnées X_o, Y_o et pour extrémité le centre du pixel de coordonnées X_n, Y_n. On a en outre représenté dans chacun des pixels traversés par le vecteur, les écarts e₁...e_n-1 entre le centre des pixels et ledit vecteur, ces écarts servant, comme précédemment mentionné, pour tracer le vecteur en utilisant l'algorithme de Bresenham.
Selon cet algorithme, et conformément à l'organigramme représenté figure 2, dans une première phase on allume (bloc 11) le pixel de coordonnées X_oY₁. On incrémente ensuite (bloc 12) X d'une unité (X_o→X₁), puis on calcule l'écart e₁. On détermine ensuite, par exemple en la comparant avec une valeur 0,5, si la valeur e est positive ou négative (bloc 13).

e>O signifiant que le vecteur passe au-dessous du centre du pixel.
e<O signifiant que le vecteur passe au-dessus du centre du pixel.

Si e est positif, ce qui est le cas de e₁, Y est incrémenté d'une unité (bloc 14), et le pixel de coordonnées X₁ Y₁ est alors allumé (bloc 15). Le système vérifie ensuite que X₁ est inférieur à X_n (bloc 16) et commande une nouvelle incrémenta- tion de X₁ qui passe à X₂ pour la séquence suivante.
Si e est égal à 0,5, ce qui est le cas de e₂, Y₁ n'est pas incrémenté (bloc 17). Dans ce cas, le pixel de coordonnées X₂ Y₁ est allumé.
De même, si e est négatif, ce qui est le cas de e₃, Y, n'est toujours pas incrémenté et, dans ce cas, le pixel de coordonnées X₃ Y₁ est allumé.
Ce processus se poursuit jusqu'à ce que la valeur de X devienne égale à la valeur X_n.
On obtient donc la courbe en escalier représentée en gris sur la figure 1.
Pour supprimer cet inconvénient, l'invention propose un procédé de lissage consistant à provoquer, à l'issue de chacune des séquences, l'éclairement d'au moins deux pixels (au lieu d'un) de luminance telle que leur barycentre (en prenant comme coefficient la luminance), ce trouve situé sur le vecteur à tracer.
En effet, si l'on réalise par exemple deux motifs a et b dont l'un, le motif a, est uniformément blanc et l'autre, le motif b est à moitié gris et à moitié blanc, un observateur suffisamment éloigné les percevra comme des points de teintes différentes et surtout positionnés différemment.
L'invention utilise donc cette particularité pour amener le lieu de perception visuelle en coîn- cidence avec la courbe à tracer.
La tableau représenté figure 3 fournit une numérotation des quatre valeurs de luminance L' fournies par un tube de télévision classique (ces valeurs étant sensiblement linéaires).
Ainsi, la réalisation d'un trait fin peut être obtenue au moyen de trois types d'images constitués par au moins deux pixels adjacents et disposés sur une même colonne, à savoir (figure 4):

- une image a comprenant deux pixels de coloration 2 (gris clair) et dont la position du barycentre se situe sur un axe médian de référence (position 0);
- une image b comprenant deux pixels, à savoir: un pixel supérieur de luminance 1 (gris foncé) et un pixel inférieur de luminance 3 (blanc), la position du barycentre étant située à -0,25 (par rapport à l'axe de référence);
- une image c comprenant un pixel supérieur de luminance 3 (blanc) et un pixel inférieur de luminance 1, la position du barycentre étant située à 0,25, par rapport à l'axe de référence.

Le choix des luminances de chacun des motifs est choisi de telle manière que la somme des luminances des deux pixels qui le compose soit constante. Dans l'exemple représenté figure 4 elle est égale à 4.
Dans cet example:

- l'image a est appliquée lorsque -0,5<e<-0,3 et 0,3<e<0,5
- l'image c est appliquée lorsque -0,3≤e≤0
-l'image b est applique lorsque 0<e≤0,3

Dans le cas d'un vecteur à pente négative, les images b et c devront être inversées.
Pour la réalisation d'un trait d'épaisseur moyenne, on utilise les images d, e, f et g à deux ou trois pixels représentées figure 5. On notera que dans celles-ci la somme des luminances des deux ou trois pixels est constante et égale à 6, à l'exception de l'image g dont la somme des luminances est égale à 5. L'emploi de l'image g procurera donc une impression de discontinuité.
Ainsi, lors de la génération d'une courbe:

- l'image d est appliquée lorsque
et
-l'image f appliquée lorsque
-l'image e' est appliquée lorsque
- l'image g est appliquée lorsque

D'une façon analogue à la précédente, lorsque la pente du vecteur est négative, il suffit d'inverser les colonnes a et f.
Dans le cas où les traits à réaliser sont très épais, il suffit d'appliquer l'algorithme de traite fins sur les bord de ce trait.
On constate que le procédé précédemment décrit, qu'il s'agisse d'un trait fin, d'un trait moyen ou même d'un trait épais, permet d'obtenir un effet de lissage en codant les gris sur seulement deux bits.
Par ailleurs, de toute façon, le nombre de gris intermédiaires nécessaires à l'obtention d'un qualité donnée de lissage croît avec la luminance délivrée pour le blanc. En effet, la perception d'une frontière entre deux gris dépend de la différence de leurs luminances. Plus cette différence est importante, moins la qualité du lissage sera bonne.
Le principe de lissage d'une courbe blanc sur noir précédemment décrit peut être utilisé pour le lissage en couleur. Il nécessite la définition de plusieurs couleurs intermédiaires entre la couleur du trait et celle du fond. La qualité de l'image croit avec le nombre de couleurs intermédiaires utilisées.
Avec référence à la figure 6, les couleurs du trait et du fond sont représentées par deux points C₃ et C_o dans l'espace des couleurs (U, V, Y). Les couleurs intermédiaires C₁ et C₂ sont prises sur le segment C₃ C_o de façon à présenter le moindre contraste entre elles et entre C_o et C₃.
C₁ et C₂ sont donc intermédiaires en luminance (valeur et Y) et en chrominance (calcul dans le plan u, v).
Les différences de luminance entre C_o et C₁, C₁ et C₂, C₂ et C₃ sont prises égales.
Elles s'écrivent donc:

Y₁ étant la luminance au point Ci
Y₂ étant la luminance au point C₂
Y₃ étant la luminance au point C₃
Y_o étant la luminance au points C_o.

Les différences de chrominance entre C_o et C₁, C₁ et C₂, C₂ et C₃ sont prises égales. Dans le plan u, v cela s'écrit donc:

u_o, u₁, u₂, u₃ et v₀, v₁, v₂, v₃ étant les coordonnées respectives des points C_o, C₁, C₂, C₃ dans le plan u, v.
Bien entendu la détermination des couleurs intermédiaires peuvent s'effectuer en utilisant au lieu de l'espace u, v, y, l'espace (1^*, u^*, v^*) défini par les relations suivantes:
avec

relations dans lesquelles:

(X, Y, Z) sont les composantes dans l'espace (X, Y, Z) 1931 l'indice n réfère à l'illuminant de référence A ou D65.. 1^* est appelé clarté psychométrique CIE 1976.

Selon cet espace la différence entre deux couleurs est alors définie par:
Les motifs utilisés pour la réalisation de courbes en couleur peuvent être sensiblement les mêmes que ceux décrits à propos des figures 3 et 4, à la différence près que la couleur noire est remplacée par la couleur du fond C_o, par exemple verte, le gris foncé est remplacé par la couleur intermédiaire Ci (proche de C_o), le gris clair est remplacé par la couleur intermédiaire C₂ proche de celle du trait, le blanc est remplacé par la couleur du trait par exemple rouge.
Bien entendu en raison des limites des tubes électroniques utilisés il n'est pas toujours possible de réaliser exactement des couleurs présentant des valeurs calculées de la façon précédemment décrite.
Les valeurs utilisées sont alors obtenues en essayant de respecter les chrominances (pourcentage de R, V, B) et d'approcher les luminances calculées en se rapprochant de le luminance du trait, pour C₂, et de celle du fond, pour C₁.
Il apparait donc que le lissage couleur est relativement plus délicat que le lissage noir et blanc, du fait qu'il y a deux paramètres à contrôler au lieu d'un seul et du fait que l'oeil ne répond pas toujours de façon égale à l'excitation lumineuse colorés.
Le lissage est néanmoins obtenu en utilisant des motifs du genre de ceux développés pour le lissage noir et blanc, en fonction de la valeur e de l'algorithme de Bresenham, les couleurs intermédiaires pouvant être déterminées par calcul en utilisant un espace de couleurs uniforme.

Claims

1. Procédé pour obtenir une représentation de courbes sur un écran de télévision dont les images sont produites par un balayage de lignes, procédé selon lequel pour chacun des pixels traversés par la courbe, on calcule l'écart entre ladite courbe et le centre dudit pixel et l'on allume un motif lumineux dont la position est déterminée en fonction dudit écart et de l'inclinaison de la courbe, caractérisé en ce que ledit motif lumineux est constitué par au moins deux pixels adjacents disposés, selon ladite inclinaison, sur une même ligne ou une même colonne, et dont la luminance est commandée de façon telle que le barycentre lumineux soit sensiblement situé sur la courbe à tracer.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les motifs utilisés ont sensiblement une même valeur de luminance.

3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on utilise un nombre prédéterminé de motifs de luminance constante, et dont les barycentres sont échelonnés, et en ce que, pour chacune des valeurs de e, on choisit le motif dont le barycentre est le plus proche de la courbe à tracer.

4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour effectuer le tracé des susdites courbes, on utilise un nombre déterminé n de motifs a_o, a₁, a₂ ... a_n composés chacun d'au moins une paire de pixels adjacents situés sur une même colonne, la position du barycentre du motif ao étant centrale, tandis que les positions des barycentres des autres motifs sont décalées par rapport à ladite position centrale de façon croissante et alternée, et en ce que le choix des motifs (a_o...a_n) à appliquer est déterminé en fonction de la position de la valeur e par rapport à une série de valeurs h₁...h_n établie à l'avance.

5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, notamment dans le cas où l'on désire tracer un trait fin, on utilise trois motifs a, b, c, composés chacun d'une paire de pixels adjacents situés sur une même colonne, la position du barycentre de a étant centrale, tandis que la position de b et de c est décalée par rapport à ladite position centrale, et en ce que le motif a est appliqué lorsque la valeur e satisfait aux relations (h₁<e<h₂) et (h₃<e<h₄) le motif b est appliqué lorsque la valeur de e satisfait à la relation (0<e≦h₃) et le motif c est appliqué lorsque la valeur e satisfait à la relation (h₂≦e≦0), h_i, h₂, h₃ et h₄ étant des valeurs établies à l'avance.

6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, notamment dans le cas où l'on désire tracer un trait épais, on utilise quatre motifs d, e, f, g, constitués chacun par trois pixels disposés sur une même colonne, la position du barycentre de d étant centrale, les positions du barycentre de e et de f étant intermédiaires et la position du barycentre de g étant extrême (ces positions étant prises par rapport à un axe de référence commun aux deux pixels inférieurs), et en ce que le motif d est appliqué lorsque la valeur de e satisfait aux relations (h₅≦e≦h₆) et (h₇<e≦h₈), le motif f est appliqué lorsque la valeur de e satisfait à la relation (h₉≦e<h₅) le motif e est appliqué lorsque la valeur de e satisfait à la relation (h₈<e≦h₉) et le motif g est appliqué lorsque la valeur de e satisfait à la relation (h₁₀<e<h₉), relations dans lesquelles h₅, h₆, h₇, h₈, hg et h_lo sont des valeurs établies à l'avance.

7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour le tracé d'une courbe présentant une couleur dite couleur de trait sur un fond présentant une couleur dite couleur de fond, on attribue aux pixels composant les motifs plusieurs couleurs intermédiaires entre la couleur C_n du trait et celle du fond C_o.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les couleurs intermédiaires C₁ et C_n-1 sont prises sur le segment C_n, C_o tracé dans un espace des couleurs sensiblement uniformes.

9. Procédé selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que la valeur des luminances (valeurs Y'_i et Y'₂ dans l'espace X, Y, Z) de ces couleurs intermédiaires Ci et C₂ ainsi que leur chrominance, sont intermédiaires.

10. Procédé selon l'une des revendications 7, 8 et 9, caractérisé en ce que les différences de couleurs entre C₀ et C₁, C₁ et C₂, C₂ et C₃, C_n-1 et C_n sont prises sensiblement égales.