基于变混合系数的自适应抗锯齿视频叠加算法

ｊＩｊ　确　ｔ　电子测量技术　ＥＬＥＣＴＲ（）ＮＩＣ　ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ　ＴＥＣＨＮ（）Ｌ（）ＧＹ　第３６卷第ｌ２期　２０１３年１２月　基于变混合系数的自适应抗锯齿　视频叠加算法　

王　栋　刘文波　（南京航空航天大学自动化学院　南京　２１００１　６）　

摘要：在机载综合显示系统中，需要将本地生成的参数表盘近景画面与地形图等远景特征画面进行叠加显示。由　于近景中图形元素均为反走样图元，图元边界处像素灰度等级较低；而叠加的远景平均灰度远高于近景图元的边界灰　度。采用传统的　混合算法，由于混合系数是同定的，当近景的　混合系数偏大时，会在图元边界处形成一条锯齿暗　边，产生较大的对比度，使得混合效果变差、反走样效果降低。针对上述问题，改进算法在不同像素点处的混合系数是　可变的。算法根据近景像素点的灰度，自适应的调整混合系数，在近景中灰度较低的像素点处，增加远景的混合比重，　提高混合画面在此像素点的灰度，降低图元边界处对比度。通过实验结果比对，证明改进算法在做视频叠加时，可有　效去除图元边界的锯齿暗边。　关键词：视频叠加；ａ混合；自适应算法；变参数；抗锯齿　中图分类号：ＴＰ３０１．６　文献标识码：Ａ　国家标准学科分类代码：５２０．６０３０　

Ａｄａｐｔｉｖｅ　ａｎｔｉ—ａｌｉａｓｉｎｇ　ｖｉｄｅｏ　ｏｖｅｒｌａｙ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｍｉｘｉｎｇ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　

Ｗａｎｇ　Ｄｏｎｇ　Ｉ．ｉｕ　Ｗｅｎｂｏ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｌｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００１６，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｅ　ａｉｒｂｏｒｎｅｄ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｄｉｓｐｌａｙ　ｓｙｓｔｅｍ，ｉｔ’Ｓ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｆｏｒ　ｄｉｓｐｌａｙｉｎｇ　ｔＯ　ｃｏｍｂｉｎｅ　ｌｏｃａｌ—ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｉｍａｇｅｓ　ｗｉｔｈ　ｅｘｔｅｒｎａｌ　ｆｅａｔｕｒｅ　ｉｍａｇｅｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃ　ｍａｐ．Ｄｕｅ　ｔＯ　ｔｈｅ　ｇｒａｐｈｉｃ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｌｏｃａｌ—ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｉｍａｇｅｓ　ａｒｅ　ａｌｌ　ａｎｔｉ—ａｌｉａｓｉｎｇ，ｇｒａｙ　ｌｅｖｅｌ　ｏｆ　ｐｉｘｅｌｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ’Ｓ　ｅｄｇｅ　ｉｓ　ｌｏｗ；Ｔｈｅ　ａｖｅｒａｇｅ　ｇｒａｙ　ｌｅｖｅｌ　ｉｎ　ｅｘｔｅｒｎａｌ　ｉｍａｇｅｓ　ｉｓ　ｍｕｃｈ　ｈｉｇｈｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈｅ　ｇｒａｙ　ｌｅｖｅｌ　ｏｆ　ｅｌｅｍｅｎｔ’Ｓ　ｅｄｇｅ　ｏｆ　ｌｏｃａｌ—ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｉｍａｇｅｓ．Ｕｓｉｎｇ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ａｌｐｈａ　ｈｙｂｒｉｄ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｄｕｅ　ｔＯ　ｍｉｘｉｎｇ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｉｓ　ｆｉｘｅｄ，ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ａｌｐｈａ　ｍｉｘｉｎｇ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｆ　ｌｏｃａｌ—ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｉｍａｇｅｓ　ｉｓ　ｌａｒｇｅｒ，ｉｔ　ｗｉｌｌ　ｆｏｒｍ　ａ　ｓａｗｔｏｏｔｈ　ｄａｒｋ　ｓｉｄｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ’Ｓ　ｅｄｇｅ　ｏｆ　ｌｏｃａｌ—ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｉｍａｇｅｓ，ａｎｄ　ｗｉｌｌ　ｐｒｏｄｕｃｅ　ｂｉｇｇｅｒ　ｃｏｎｔｒａｓｔ．Ｔｈｕｓ，ｔｈｅ　ｍｉｘｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ　ｂｅｃｏｍｅｓ　ｐｏｏｒ，ｔｈｅ　ａｎｔｉ—ａｌｉａｓｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ　ｒｅｄｕｃｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔＯ　ｔｈｅ　ａｂｏｖｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｍａｋｅｓ　ｍｉｘｅｄ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｖａｒｉｅｄ　ｉｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｐｉｘｅｌ　ｐｏｉｎｔ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｇｒａｙ—ｌｅｖｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｉｘｅｌｓ　ｏｆ　Ｉｏｃａｌ—ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｉｍａｇｅｓ，ｔｈｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ａｄａｐｔｉｖｅｌｙ　ａｄｊｕｓｔｓ　ｍｉｘｉｎｇ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ：ｌｏｗｅｒ　ｔｈｅ　ｇｒａｙ　ｌｅｖｅｌ　ｏｆ　ｐｉｘｅｌｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｌｏｃａｌ—ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｉｍａｇｅｓ　ｉｓ，ｈｉｇｈｅｒ　ｔｈｅ　ｍｉｘｉｎｇ　ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｘｔｅｒｎａｌ　ｉｍａｇｅｓ　ｉｓ，ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｐｉｘｅｌ　ｇｒａｙ　ｌｅｖｅｌ　ｏｆ　ｍｉｘｅｄ　ｉｍａｇｅｓ，ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒａｓｔ　ｏｆ　ｅｌｅｍｅｎｔ’Ｓ　ｅｄｇｅ　ｏｆ　ｍｉｘｅｄ　ｉｍａｇｅｓ．Ｐｒｏｖｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔ，ｗｈｅｎ　ｄｏｉｎｇ　ｖｉｄｅｏ　ｏｖｅｒｌａｙ，ｔｈｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｃａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｒｅｍｏｖｅ　ｓａｗｔｏｏｔｈ　ｄａｒｋ　ｅｄｇｅ　ｏｆ　ｇｒａｐｈｉｃ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｉｄｅｏ　ｏｖｅｒｌａｙ；口一ｍｉｘｉｎｇ；ａｄａｐｔｉｖｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ｖａｒｉａｂｌｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ；ａｎｔｉ—ａｌｉａｓｉｎｇ　

１　引　言　现代飞机座舱中大量使用液晶显示系统显示与飞机飞　行相关的动态参数画面，如飞机综合显示系统和平显等。　根据上位机传来的各传感器参数及指令，显示系统除了显　示本地生成的画面外，有时还需要与外部输入的视频信号　

收稿日期：２０１３－０６　・　２Ｏ　・　

进行叠加显示。外部输入的视频信号一般为雷达或地形视　网，与本地生成的仪表画面叠加显示在一个显示器上可为　飞行员提高更为全面的信息，并降低飞行员的工作强度。　显示系统本地生成的画面中大部分图元（点、线、圆、多　边形等）是经过反走样的，目的是减弱图元边缘因显示器的　像素离散化带来的锯齿效应，提高显示画面的质量。图元　王　栋等：基于变混合系数的自适应抗锯齿视频叠加算法　第１２期　反走样的基础是多像素宽度，以及显示器的显示具有多个　灰度等级。利用灰度的缓慢变化，减低图元和背景色间的　对比度，在视觉效果上可显著降低图元边缘的锯齿感。这　种反走样方法的实质是一种低通滤波，降低图元和背景色　的明暗及色彩对比。　

一般的视频叠加采用０ｔ混合方法，即将本地生成的近　景画面和外部输入视频的远景画面中对应位置像素的　ＲＧＢ值按照同一个比例进行加权求和。在已知的纯色背　景下生成的反走样仪表画面基本感觉不出图像的锯齿感，　但是在和未知的外部输入视频画面进行叠加后，锯齿感变　得非常明显　］。传统的ａ混合方法无法解决视频叠加的　暗边锯齿问题，针对这一问题，提出了一种变混合参数的自　适应混合方法，可有效解决上述问题。　

２基于背景色的图元反走样　在本地生成画面的反走样中，除了与图元中每个像素　点的灰度等级有关外，还与图元自身的色彩和背景色有　关。反走样图元中每个像素点的灰度等级是根据相应的　反走样算法求得的，如直线的Ｗｕ反走样算法等　＂，算法　的核心思想一般都是根据理论图元的位置和实际图元的　像素宽度来确定实际图元上像素点到理论位置的距离，再　根据距离分配相应的灰度等级。有了像素点的灰度等级、　图元的颜色值和背景色值后，即可实现图元在背景色上的　反走样。　２．１　背景色为黑色的图元反走样　背景色为黑色时，背景的ＲＧＢ分量均为零，对于图元　的反走样没有影响，此时可以不考虑背景色，只对图元的颜　色及图元上每个像素点的灰度等级进行处理，即可得到图　元在背景上的反走样结果：　ｒＲ　，］　Ｉ　Ｇ　ｌ—Ｌ　ｌ　ｌ　（１）　＿Ｂ　Ｊ　ＬＢ　Ｊ　式中：Ｌ　表示图元上像素点的灰度等级，其取值范围为　［Ｏ，１］；Ｒ　、Ｇ，、Ｂ　表示图元的颜色，取值范围为［Ｏ，１］；Ｒ　、　Ｇ　、Ｂ　表示图元上像素点在黑色背景色上反走样后的　颜色值，取值范围为［０，１］。根据式（１）可以进行在黑色背　景下的图元反走样。　黑色背景下图元的反走样如图１中所示。在ＲＧＢ　空间中，３个分量的范围都是［Ｏ，１］，Ｆｏ，０，０］表示黑色，　［１，１，１］表示白色，即归一化的ＲＧＢ空间。此时，背景　色即为原点０。点Ｄ代表图元的颜色，其３个分量是Ｒ　、　Ｇ　、Ｂ　。不同的灰度等级Ｌ　与图元上像素点颜色各分　量相乘，得到反走样后像素点的颜色点Ｄ　位于线段ＯＤ　上不同的位置。灰度等级越高，越接近点Ｄ；相反，灰度　等级越低，与接近原点Ｏ。明显的，灰度等级影响的是像　素点的亮度。　

图１黑色背景图元在ＲＧＢ空间中的反走样　２．２背景色为其余纯色的图元反走样　当背景色不再是黑色，而是其余纯色，图元发走样将不　再适用式（１）。若仍套用式（１），在灰度等级较低时，反走样　的像素点颜色将接近图１中的原点０，有可能与背景色直　接出现一个很大的对比度，加重图元边界的锯齿感。产生　这一现象的原因是此时背景色不再是分量全为零的黑色，　不考虑背景色对图元反走样的影响，最终导致反走样出现　偏差。在非黑色纯色背景下的图元反走样遵循如下规律：　ｒ尺　，］　］　ｆ　ｒ尺　］　ｒ尺　１、　Ｉ　Ｇ　，　Ｉ—ｌ　１＋Ｉ　Ｉ　Ｇ　Ｉ～ｌ　Ｉ　ＩＬ　（２）　１　Ｂ　ｌ　Ｉ　Ｂ　ｌ　Ｉ　Ｉ　Ｂ，　Ｉ　Ｉ　Ｂ　Ｉ　Ｉ　式中：　、　、玩表示画面的背景色，取值范围为［Ｏ，１］；其　余变量与式（１）中意义一样，不再赘述。　对比式（１）可以发现，式（２）中加入了背景色因素，以背　景色为基色，根据不同的灰度等级，分配不同比重的背景色　和前景色之差。当灰度等级最高时，反走样后的颜色就是图　元颜色；当灰度等级最低时，反走样后的颜色就是背景色。　在图２中，点Ｄ表示图元颜色，点Ｅ表示背景色，点Ｄ。　表示考虑背景色的图元反走样像素点颜色。从图上可以看　

图２　其余纯色背景图元在ＲＧＢ空间中的反走样　・　２１　・