光栅显示器反走样技术

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摘要:光栅扫描显示器通过计算机各种算法产生了直线、曲线、圆等图形,因为光栅显示器电子束运动方式是固定的,屏幕采用离散像素进行显示,而产生直线或多边形的边界的数学算法是连续的,对于产生的非水平、非垂直的一些线条或形的边界就会发生图形走样现象。因此处理走样的反走样技术成为用户追求高品质画面的必经之路,通过提高分辨率、改进数学算法、运用模糊等都可以一定程度上校正走样现象,呈现出光滑的线条或边界。

关键词:光栅扫描显示器;反走样;分辨率;数学算法;像素

中图分类号:TP311文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)18-5098-02

Anti-aliasing Technology of Raster Scan Display

WANG Yu-jue

(Minjiang University, Fuzhou 350011, China)

Abstract: The raster scan display generates different graphics like lines, curves and circles by different algorithms of computers. Because the movement way of electronic beams of the raster display is fixed, the screen displays in discrete pixels and the boundary lines of polygons formed by mathematical algorithms is continuous, the aliasing phenomenon of non-horizontal or non-vertical graphic boundaries occurs. Therefore, anti-aliasing technology has become the users' only way to pursue high-quality pictures, with which aliasing phenomenon will be revised to a certain degree and smooth boundary lines will be displayed by increasing the resolution, improving mathematical algorithms and using fuzzy.

Key words: raster scan display; anti-aliasing; resolution; mathematical algorithm; pixel

1 概述

当用户在使用计算机设计图形时,需要设备能详细观看到制作效果。计算机显示器是目前图形显示系统唯一的输出设备,用于显示图形图像和文字。显示器主要分为:阴极射线管显示器(CRT-Cathode Rey Tube),液晶显示器(LCD-Liquid Crystal Display),等离子显示器(PDP-Plasma Display Panel)等。其中阴极射线管显示器(CRT)和液晶显示器(LCD)是我们最常使用的。而阴极射线管显示器(CRT)中的光栅显示器由于能较高品质的显示出图像质量满足设计者需求被广泛应用,但由于光栅显示屏幕由点阵图构成,而计算机自身在生成图形时使用的算法无法十分精确呈现出所表达的一些图形,造成走样现象。 因此反走样技术将一定程度上解决图形走样问题。

2 显示器的工作原理

液晶显示器(LCD)后于阴极射线管显示器(CRT)研发应用,它的显示原理是将液晶置于两片电玻璃之间,用两个电极间电场的驱动引起液晶分子扭曲向列的电场效应。液晶显示器(LCD)与需要RGB荧光粉和电子枪的阴极射线管显示器(CRT)相比较最大的优势在于无辐射,重量轻、体积小。但是由于LCD存在着呈像偏亮、不够均匀,图像最佳观察视角范围小,反应速度慢的技术问题。因此,对于专业从事图形图像设计者而言,目前CRT显示器还是设计首选。

CRT显示器成像的原理是通过电子枪发射三支电子束,并用很快的速度射向涂有红、绿、蓝(RGB)荧光粉的屏幕指定位置。因此,在电子束射向的萤光层就产生了光点。在屏幕中许多个不同亮度、不同色相、不同饱和度的光点形成了一个完整的图像。根据电子束运动方式的区别,阴极射线管显示器(CRT)划分为随机扫描显示器与光栅显示器。随机扫描显示器的电子束运动方向是由用户绘制的图形决定,图形以一系列划线指令的形式存储在帧缓冲区中。而光栅显示器则是由光栅显示系统将显示屏幕分成若干个形状相同的光栅网格,电子束呈现出固定的从上到下,从左到右扫描整个屏幕的运动方式。这些一个个排列整齐的光栅网格点又称为像素点,由这些像素点排列呈现出一个长宽固定的点阵图画面。

在点阵图中,每个像素点都具有相应的灰度或颜色值,这些值被保存在帧缓存存储器中,帧缓存用来存贮刷新的图像信息。系统按序读取每个像素的值,根据数值来控制电子束轰击屏幕对应位置的亮度和颜色。像素的大小多少与屏幕的分辨率息息相关。例如:分辨率为800×600的显示器屏幕,图像由800个水平点和600个垂直点组成;分辨率为1024×768的显示器屏幕,图像由1024个水平点和768个垂直点组成。因此分辨率越高的光栅显示器所显示出的画面分格越细腻,图像品质越高。随机扫面显示器与光栅显示器相比较,光栅显示器能更加真实的显示图像和视频,并且成本较低,以成为现阶段刷新式显示器的主流。

2.1 光栅显示器走样现象

光栅扫描显示器通过计算机各种算法产生了直线、曲线、圆等图形,因为光栅显示器电子束运动的方式是固定的,屏幕采用离散像素进行显示,而产生直线或多边形的边界的数学算法是连续的,所以,对于产生的非水平、非垂直的一些线条或形的边界就会发生图形走样现象。呈现出锯齿状。

2.2 常见的光栅图形走样现象

1) 非水平或非垂直的光滑线段和多边形边界变成了阶梯形状或锯齿形状。如图3,图4所示。

2) 狭小的线条或多边形置于两条扫描线之间,没有接触像素中心点,造成狭小形状丢失。如图5所示。

3) 由于光栅显示最小的单位是一个像素,当线条或多边形没有占满一个像素时被显示成整个像素,变成加粗后的多边形,造成细节的失真。如图6所示。

4) 动画像素属性由中心决定时,当要求连续运动帧上的对象各别与像素中心有偏差时,会出现因各别帧上对象没有在像素中心引起的对象丢失,产生动画播放时的闪烁现象。如图7所示。

3 反走样技术

从图像的数字化形成原理来说走样现象是不会完全消除的,但可以通过技术手段来减少或克服图形走样现象。这样的技术被成为反走样。现在处理走样的技术主要有以下途径:

3.1 提高分辨率的反走样算法

因为光栅显示器的分辨率越高,所显示出的线段质量越高,阶梯现象就越弱。所以用户可以利用提高分辨率,从而提高整个图像显示品质的方法弱化走样现象,使其变的不明显。根据光栅显示器的工作原理得知光栅显示器屏幕是由一格一格排列整齐的像素组成,因此用户可以采用高分辨率计算,低分辨率进行显示的方法。它的计算原理是将低分辨率显示图形的一个像素进行分解,等分出多个子像素,再按照计算机图形生成的算法计算出子像素点中颜色值或灰度值。例如:一个正方形状的像素,当伪分辨率提高2倍时(图8A)被平均分割成3×3=9个等面积的子正方形像素,然后用高分辨率计算出9个子像素的颜色值或灰度值。最后通过低分辨率进行显示,将一个像素内的9个子像素的颜色值与灰度值,利用求加权平均值的方法,作为该像素整体的值。当伪分辨率提高4倍时(图8B),则分成7×7=49个子像素。当然通过提高分辨率的反走样算法只是将走样现象弱化显示,并没有完全消除,再加上高分辨率计算,低分辨率显示中的运算大大阻碍了显示图像更新的速度,而更换高分辨率的显示器会提高资金投入,所以除了提高分辨率外有待发现更佳方法去解决走样现象。

3.2 线条反走样算法

3.2.1 线条的面化

当我们把一个点,近距离观看时它形成了一个圆形的平面;当我们把一个平面置于一定距离外观看时它成为了一个细小的点。同理一根线条可以看作是一个狭长的矩形平面。如图9所示。

3.2.2 线条反走样算法

面在空间里是占有一定面积的,当一根线条置于光栅显示器中的像素群平面时,将占据一定的面积。在线条出现的地方,如果未占满整格像素,利用线条反走样算法可以先求出线条所在某个像素的面积比例,再算出所占面积比值中的颜色值或灰度值,从而改善线条走样现象,但由于要计算出面积再计算色值,所以在利用此算法进行反走样时计算量很大,依然会影响到用户的操作速度。

3.3 多边形反走样算法

利用多边形进行反走样处理的方法主要是针对多边形边界的。采用与线条反走样方法类似的思路,先计算出多边形某条边界区域与像素进行相交时所产生的相交面积值,再利用面积值来计算相应的颜色值或灰度值。两者不同的是计算方法。Bresenham算法β(x)是用来计算直线生成的,根据Bresenham直线生成算法,Pitteway和Watkinson延伸出了多边形的反走样算法。如图10所示。

假设直线斜率0≤m≤1的前提下,多边形一边的方程为:y=mx

由图11可知直线穿过点阵图时可能穿过一个或两个像素,如果某个线条片段只穿过一个像素,那么阴影区域的面积公式为:Area=yi +m/2; 如果穿过两个像素,那么上阴影区域的面积公式为Area(1)=(yi -1+m)2/2m,下阴影区域的面积公式为Area(2)= 1-(1-yi)2/2m。因为像素的颜色值和灰度值由像素和多边形相交的面积决定,根据β(xi)推算,可以确定出像素(xi,yi)的值。

3.4 其他反走样方法

以上是运用提高分辨率或应用更好的绘制算法来进行反走样,它们可以使锯齿现象相对本身减弱,但在一定程度上还将存在。并且由于运算复杂还将造成刷新速度缓慢。因此,我们需要寻找其他更好的方法来解决走样现象。如利用某种模糊的方式产生更加平滑的图像,即如果在白色背景中出现的黑色矩形,将矩形边界加入灰色像素,弱化色差对比,当人眼位于一定距离外观察时,看到的是更加平滑的边界。

4 结束语

图形走样现象是伴随光栅扫描显示器产生的,由于光栅显示屏幕是由多个排列整齐的像素点构成,而计算机自身在生成图形时使用的算法无法十分精确的呈现出所表达的一些图形,出现阶梯或锯齿现象。因此处理走样的反走样技术成为用户追求高品质画面的必经之路,通过提高分辨率、改进数学算法、运用模糊等都可以一定程度上校正走样现象,呈现出光滑的线条或边界。

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