（计算机应用技术专业论文）面向智能仪器的抗锯齿显示技术研究与实现.pdf

十，t。 ；l；?；：l_， ，1-。i，t 独创性声明 ff 脚4 f f f f f f f f 唧删i i f 册f 4 f f f 删 f y 1 8 9 4 4 。榉 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：磊么红 2 0 1 1 年月f ；日 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密影。 学位论文作者签名：森丕乒 2 - 0 1 1 年6 月f 乡日 指导教师签名：万影誓辱二 。泌1 1 年月【弓日。 江苏大学硕士学位论文 摘要 随着现代电子技术的飞速发展，待测信号的种类越来越丰富，交互界面需要显示的 内容越来越复杂，对智能仪器显示质量的要求越来越高。目前大部分智能仪器采用光栅 图形显示系统，仪器中显示的图形受光栅点阵显示器的限制会存在锯齿形失真二发生扭 曲或畸变等走样现象，极大影响了图形的视觉效果，已经不能满足当今仪器快速发展的 需要。抗锯齿可以使图像的定位和绘制比实际屏幕的分辨率精度更高，能有效避免走样 产生的显示误差，而且可以使显示的图形能接近实际曲线，可以很好的满足现代测量仪 器的需要。在图形界面已成为人机交互主流方式的今天，抗锯齿成为仪器显示的最重要 研究方向之一。 现有的抗锯齿方法都是针对某一种图形进行处理，例如直线、圆和多边形，处理的 图形种类比较单一，通用性差，与实际应用相比，具有一定的差距。而智能仪器显示的 图形是多种多样的，所以寻找一种能处理多种图形的通用抗锯齿方法已成为智能仪器发 展的迫切需要。随着人们对视觉效果要求的越来越高，彩色图像的应用日益广泛，而传 统的大部分抗锯齿算法是基于灰度图形的，已经不能满足人们对色彩的要求，彩色抗锯 齿算法成为当今图形显示最新的研究趋势。为了解决这两个问题，在对现有抗锯齿算法 深入研究的基础上，提出了一种任意波形的彩色抗锯齿方法，同时考虑到智能仪器对显 示实时性的要求，结合图像平滑理论，设计了一种基于图像平滑、易于硬件实现的抗锯 齿方案。 本文从走样现象产生的原因出发，系统的阐述了计算机图形学的发展、光栅扫描显 示系统的特点、抗锯齿技术的现状以及常用的抗锯齿方法，着重对直线和圆的抗锯齿算 法进行了详细介绍，并对各种算法的抗锯齿效果做了分析，为任意波形的抗锯齿算法的 设计打下了坚实的理论基础。通过对现有抗锯齿算法的原理进行比较分析后，结合任意 波形采样数据的特点，即任意的、离散的、浮点的，对w u 直线抗锯齿算法进行改进， 有效地处理了两端点和线段小于1 情况，采用在两采样点之间连线的方法，解决了采样 点之间的插值问题，同时保证了绘制波形的连续性。为达到在r g b 色彩空间实现任意 的背景色下进行抗锯齿的目的，提出亮度系数的概念，结合前景色和背景色的颜色差值， 通过亮度系数对三个通道并行处理，实现了r g b 颜色亮度的调节。同时为了保持波形 的尖峰及拐点处的细节，设计了尖峰保持算法，有效的避免了因曲线变粗、像素点覆盖 而导致的图形细节丢失。 抗锯齿处理的特点是数据量大，处理耗时，而智能仪器需要实时地与使用人员进行 江苏大学硕士学位论文 信息交互，复杂的抗锯齿算法是智能仪器显示系统的一个瓶颈。为了满足智能仪器对实 时性的要求，结合图像平滑理论，设计了一种基于图像平滑的彩色图像抗锯齿的f p g a 硬件实现方案，使用v e r i l o gh d l 语言实现了各个模块的具体设计。采用流水线实现了 图像的边缘检测和滤波，有效提高了系统的处理速度。 实验结果表明，两种方法都能够有效减小锯齿，在复杂背景下仍然有很好的平滑效 果，而且能够应用于测量数据的抗锯齿，证明了算法的有效性和实用性。软件实现算法 在抗锯齿效果上要优于硬件实现方案，适用于对实时性要求不高的场合，而硬件实现方 案非常适合于对平滑性和实时性要求较高的仪表显示领域。 关键词：抗锯齿；智能仪器；任意波：f p g a ；图像平滑 i i 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e me l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h et y p eo fs i g n a lt ob e m e a s u r e di sm o r ea n dm o r ea b u n d a n t a n dt h ec o n t e n t st h a ti n t e r a c t i v ei n t e r f a c en e e dt o d i s p l a ya r em o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d ，t h ed i s p l a yq u a l i t yo fi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t sa r e i n c r e a s i n g l yd e m a n d i n g c u r r e n t l y , m o s ti n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t sa d o p tr a s t e rg r a p h i c sd i s p l a y s y s t e m ，t h eg r a p h i ci nt h ei n s t r u m e n ti ss h o w nb yt h eg r a t i n g b i t m a pm o n i t o rr e s t r i c t i o n s w o u l de x i s ta l i a s i n gp h e n o m e n o n ，s u c ha sz i g z a gd i s t o r t i o n ，d i s t o r t i o n ，a b e r r a n c e ，e t c i th a s g r e a t l ya f f e c t e dt h eg r a p h i cv i s u a le f f e c t s ，s ot h a ti tc a n n o ts a t i s f yt h e d e m a n d so ft h et o d a y s r a p i dd e v e l o p m e n ti n s t r u m e n t s a n t i a l i a s i n gc a nm a k et h ei m a g ep o s i t i o n i n ga n dr e n d e r i n g m o r ea c c u r a t et h a nt h ea c t u a ls c r e e nr e s o l u t i o n ，e f f e c t i v e l yp r e v e n td i s p l a ye r r o rg e n e r a t e db y a l i a s i n g ，a sw e l la sa l l o wt h ed i s p l a yg r a p h i cc l o s et h ea c t u a lc u r v e ，w h i c hc a nw e l lm e e tt h e n e e do fm o d e mm e a s u r i n gi n s t r u m e n t n o wt h e g r a p h i c a l i n t e r f a c eh a sb e c o m et h e m a i n s t r e a mm e a n so fh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ，a n t i - a l i a s i n gi nt h ei n s t r u m e n td i s p l a y si s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o n t h ee x i s t i n ga n t i a l i a s i n gm e t h o d sa r ea v a i l a b l ef o rap a r t i c u l a rg r a p h i c sp r o c e s s i n g ， s u c ha sl i n e s ，c i r c l e sa n dp o l y g o n s ，t y p eo fp r o c e s s i n gg r a p h i c si sr e l a t i v e l ys i m p l e ，p o o r u n i v e r s a l i t y , h a v eac e r t a i ng a pc o m p a r e dw i t hp r a c t i c a la p p l i c a t i o n w h i l ei n t e l l i g e n t i n s t r u m e n td i s p l a yg r a p h i c sa r ed i v e r s e ，s of i n dac o m m o na n t i a l i a s i n gm e t h o dt h a tc a n h a n d l eav a r i e t yo fg r a p h i c sh a sb e c o m ea nu r g e n tn e e do fi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n td e v e l o p m e n t w i t ht h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t sf o rv i s u a le f f e c t s ，c o l o ri m a g e su s e dw i d e l y , t h em a j o r i t yo f t r a d i t i o n a la n t i - a l i a s i n ga l g o r i t h mi sb a s e do ng r a yg r a p h i c ，i tc a nn ol o n g e rm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fc o l o r ，s oc o l o ra n t i a l i a s i n ga l g o r i t h mh a sb e c o m et h e l a t e s tt r e n d so f g r a p h i c a ld i s p l a y i no r d e rt os o l v et h e s et w op r o b l e m s ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r daa r b i t r a r y w a v e f o r mc o l o ra n t i - a l i a s i n gm e t h o db a s e do nt h ef u r t h e rr e s e a r c hf o re x i s t i n ga n t i a l i a s i n g ， a n dc o n s i d e r i n gt h ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n tf o rd i s p l a yr e a l t i m er e q u e s t ，u n i f i e st h ei m a g e s m o o t ht h e o r y , i td e s i g n e daa n t i a l i a s i n gs c h e m et h a tb a s e do nt h ei m a g es m o o t h ，e a s yt o h a r d w a r er e a l i z a t i o n t h i sp a p e rb e g i n sf r o mt h er e a s o n so fa l i a s i n gp h e n o m e n o n ，s y s t e m a t i c a l l ye l a b o r a t et h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rg r a p h i c s 、t h ec h a r a c t e r i s t i c so fr a s t e rs c a n sd i s p l a ys y s t e m 、t h e p r e s e n ts i t u a t i o no fa n t i a l i a s i n gt e c h n o l o g ya n dc o m m o na n t i a l i a s i n gm e t h o d s ，t h es t r a i g h t i i i 、 江苏大学硕士学位论文 l i n e sa n dr o u n da n t i - a l i a s i n ga l g o r i t h ma r ed e t a i l e d l yi n t r o d u c e d ，a n da n a l y z e dt h ee f f e c to f d i f f e r e n ta n t i a l i a s i n ga l g o r i t h m ，i th a dl a i das o l i dt h e o r e t i c a lb a s i sf o ra r b i t r a r yw a v e f o r m a n t i a l i a s i n ga l g o r i t h m b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fe x i s t i n ga n t i a l i a s i n ga l g o r i t h mc o m p a r a t i v e a n a l y s i s ，c o m b i n e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fa r b i t r a r yw a v e f o r ms a m p l i n gd a t a , t h a ti sa r b i t r a r y , d i s c r e t e ，f l o a t i n gp o i n t ，a n di m p r o v e dt h ew ul i n ea n t i a l i a s i n ga l g o r i t h m ，e f f e c t i v e l yd e a l t w i t ht w oe n d p o i n ta n dl i n e sl e s st h a n1 , i ta d o p t e dt h ec o n n e c t i o nb e t w e e n t w os a m p l ep o i n tt o s o l v et h ea t t a c h m e n tb e t w e e ns a m p l i n gp o i n t si n t e r p o l a t i o np r o b l e m ，w h i l ee n s u r i n gt h e c o n t i n u i t yo fd r a w i n gw a v e f o r m t oa c h i e v ea n yb a c k g r o u n dc o l o ra n t i a l i a s i n gi nr g b c o l o r s p a c e ，i tp r o p o s e dt h ec o n c e p to ft h eb r i g h t n e s sf a c t o r , c o m b i n e dw i t ht h ec o l o rd i f f e r e n c e v a l u eo ft h ef o r e g r o u n da n db a c k g r o u n d ，p a r a l l e lp r o c e s s e dt h r e ec h a n n e l st h r o u g hb r i g h t n e s s f a c t o r , r e a l i z e dt h ea d j u s t m e n to fr g bc o l o rb r i g h t n e s s m e a n w h i l e ，i no r d e rt om a i n t a i nt h e d e t a i lo fw a v e f o r mp e a ka n di n f l e c t i o np o i n t ，i td e s i g n e dp e a km a i n t a i nm o d u l e ，w h i c h e f f e c t i v e l ya v o i d e dg r a p h i cd e t a i ll o s tc a u s e db yc u r v e c o a r s e n sa n dp i x e lc o v e r a g e t h ec h a r a c t e r i s t i c so fa n t i a l i a s i n ga r el a r g ea m o u n to fd a t a ，t i m e c o n s u m i n g ，w h i l et h e _ n t e l l 迢e n “n s t r u m e m n e e dt oe x c h a n g “n f o m a n o n 砒h u s e 州nr e a l - t i m e , t h e n , c o m p l e x a n t i a l i a s i n ga l g o r i t h mi sab o t t l e n e c ko fi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n td i s p l a ys y s t e m i no r d e rt o m e e tt h ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n tf o rr e a l t i m er e q u i r e m e n t s ，c o m b i n i n gt h ei m a g es m o o t h t h e o r y , t h i sp a p e rd e s i g n e daf p g ah a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o ns c h e m eb a s e do ni m a g e s m o o t h i n gc o l o ri m a g e sa n t i a l i a s i n g ，a n d r e a l i z e dt h es p e c i f i cd e s i g no fe a c hm o d u l ei nt h e u s eo fv e r i l o gh d l l a n g u a g e i ta d o p t e dp i p e l i n et or e a l i z ei m a g ee d g ed e t e c t i o na n df i l t e r i n g ， w h i c he f f e c t i v e l yi m p r o v e st h es y s t e mp r o c e s s i n gs p e e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h eb o t hm e t h o d sb o t hc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ea l i a s i n g ， s t i l lh a sag o o gs m o o t h i n ge f f e c ti nt h ec o m p l e xb a c k g r o u n d ，a n dc a r lb ea p p l i e dt ot h e a l i a s i n go fm e a s u r e m e n td a t a ，p r o v i n gt h a tt h ee f f e c t i v i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo f t h ea l g o r i t h m s o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o na l g o r i t h m si s s u p e r i o rt ot h eh a r d w a r er e a l i z a t i o ns c h e m ei n a n t i a l i a s i n ge f f e c t ，w h i c h i ss u i t a b l ef o rr e a l - t i m ed e m a n di s n th i g ho c c a s i o n s ，a n dt h e h a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o ns c h e m ei sv e r ys u i t a b l e f o rl e s sd e m a n d i n gf o rr e a l t i m ew h i l e h a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o ni ss u i t a b l ef o rm e t e rd i s p l a ya r e at h a th a sh i g hr e a l t i m e r e q u i r e m e n t sf o r s m o o t h n e s sa n dr e a l - t i m e k e y w o r d s ：a n t i a l i a s i n g ；i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t ；a r b i t r a r yw a v e ；f p g a ；i m a g e s m o o t h i n g i v 江苏大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 第l 章绪论1 1 1 课题背景及研究意义1 1 2 课题研究现状2 1 3 主要研究内容及组织结构4 1 4 本章小结6 第2 章课题的理论基础及基本的抗锯齿技术7 2 - l 光栅扫描显示系统7 2 2 走样产生的原因以及抗锯齿技术8 2 3 直线的扫描转换和抗锯齿技术：1 0 2 3 1 直线的扫描转换1 0 2 3 2 直线的抗锯齿技术1 2 2 4 圆的扫描转换和抗锯齿技术1 2 2 4 1 圆的扫描转换：12 2 4 2 圆的抗锯齿技术1 3 2 5 本章小结1 4 第3 章基于f p g a 的嵌入式研究开发平台的构建1 5 3 1f p g a s o p c 技术以及开发工具1 5 3 2 实验系统的总体设计1 6 3 2 1 实验设计平台16 3 2 2 系统整体框架1 7 3 3 软硬件协同设计l8 3 3 1 软硬件协同设计思想18 3 3 2s o p c 系统定制1 9 3 3 3n i o si i 工程的建立和设置2 0 3 4l c d 控制器的设计2 0 3 4 1l t m 屏的结构及配置2 0 v 江苏大学硕士学位论文 3 4 2l t m 屏的时序控制一2 2 3 4 3a v a l o n 主端口控制器的设计2 4 3 5l c d 屏幕拷贝程序设计2 9 3 5 1 帧缓存点阵数据读取3 0 3 5 2 点阵数据到b m p 位图文件的转换3 0 3 6 本章小结3 2 第4 章函数发生器的波形数据生成3 3 4 1 基本波形3 3 4 2 模拟调制波3 4 4 2 1 幅度调制( a m ) 3 5 4 2 2 角度调制( f m 、p m ) 3 5 4 3 数字调制波一3 6 4 3 1 二进制振幅键控( 2 a s k ) 4 3 2 二进制频移键控( 2 f s k ) 4 t 3 3 二进制相移键控( 2 p s k ) 4 4p w m 调制3 9 4 5 本章小结4 0 第5 章任意波形的抗锯齿绘制算法4 1 5 1 任意波形数据的特点4 l 5 2 任意波形的抗锯齿算法4 l 5 2 1 直线段抗锯齿算法的选取4 1 5 2 2 改进的w u 直线抗锯齿算法4 2 5 2 3 直线段小于l 的处理4 3 5 3r g b 色彩空间的亮度调节4 4 5 3 1 彩色抗锯齿的必要性4 4 5 3 2r g b 色彩空间4 5 5 3 3 亮度系数的提出与使用4 6 5 4 尖峰保持处理4 7 5 5 单一彩色背景抗锯齿的实现4 9 5 5 1 单一彩色背景抗锯齿绘制流程4 9 5 5 2 单一彩色背景抗锯齿绘制结果5 0 5 6 任意图片背景抗锯齿的实现5 3 5 6 1 任意图片背景抗锯齿绘制流程5 3 v i 6 7 8 2 j 2 j 2 j 江苏大学硕士学位论文 5 6 2 任意图片背景抗锯齿绘制结果5 4 5 7 测量数据的抗锯齿绘制结果5 5 5 7 1 测量数据的获取5 5 5 7 2 测量数据的抗锯齿绘制结果5 6 5 8 本章小结5 8 第6 章任意波形的抗锯齿算法的硬件实现5 9 6 1 硬件实现的总体方案5 9 6 1 1 实现方案分析5 9 6 1 2 硬件实现总体框架5 9 6 2 边缘检测6 0 6 2 1s o b e l 算法原理6 0 6 2 2r g b 彩色图像的s o b e l 算法6 1 6 2 3s o b e l 算法的实现6 2 6 2 4 边缘检测算法的实现结果6 4 6 3 基于图像平滑的抗锯齿原理及实现6 5 6 3 1 图像平滑算法原理6 5 6 3 2 图像平滑算法的实现6 7 6 3 3 图像平滑算法的实现结果6 9 6 4 本章小结7 0 第7 章总结和展望7 l 7 1 本文总结7 1 7 2 下一步工作展望7 2 参考文献7 3 致谢7 6 攻读硕士学位期间发表的学位论文一7 7 v l i 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 智能仪器是计算机科学、电子学、数字信号处理、人工智能、v l s i 等新兴技术与 传统的仪器仪表技术的结合。智能仪器仪表的出现，极大地扩充了传统仪器的应用范围 i l j 。智能仪器凭借其体积小、功能强、功耗低等优势，迅速地在家用电器、科研单位和 工业企业中得到了广泛的应用。随着微电子技术、测量控制技术、计算机技术和通信技 术等技术的彼此渗透和相互推动，智能仪器将会有更大的应用前景和发展空间【2 】。 伴随现代高新科学技术的迅速发展，智能仪器向着微型化、多功能化、高精度、高 性能、可交互性等方向发展，测量对智能仪器显示界面的要求也越来越耐孓4 l 。特别对 测量波形的显示提出了更高的要求，要求不仅能直观的显示出波形，还能够使显示的波 形更接近实际曲线，而且能够使波形平滑显示，以满足各种仿真波形的需要。随着信息 科技的发展，人机交互越来越受到人们的重视，作为人机交互的显示系统对智能仪器的 正常运行尤为重要1 5 j 。智能仪器在运行过程中，需要通过显示屏将仪器的运行情况、工 作状态以及对测量数据的处理结果及时的告诉使用人员，以便对处理结果做出正确的判 断和调整。目前大部分智能仪器显示出来的图形会出现锯齿、毛刺，产生畸变，甚至实 时波形抖动严重，极大影响了图形的视觉效果，已经不能满足当前技术的要求。抗锯齿 技术可以使图像的定位和绘制比实际屏幕的分辨率精度更高，能有效减小走样产生的显 示误差，因此抗锯齿在仪器显示研究中具有很重要的现实意义。 在智能仪器显示系统中，广泛采用光栅显示器来显示各种图形和字符。在光栅显示 系统中，构成图形的最小图形元素是像素点，只要计算屏幕上位于给定区域以内的所有 离散的像素点，并且赋予一定的颜色，就完成了图形的绘制。由于图形信号是连续的， 而光栅显示系统中用来表示图形的却是一个个离散的像素，用离散的像素来表示连续的 图形时不可避免的会出现失真或走样1 6 1 。为了提高图形的显示质量，需要减少或消除上 述走样现象。在图形界面已成为人机交互主流方式的今天，研究如何消除或减缓这类走 样现象，提高图形的真实感，产生视觉上更舒适光滑的图形，变得越来越重要，具有很 大的应用价值。 随着e d a 技术的发展和大规模可编程逻辑器件性能的不断提高，以s o p c ( 片上 可编程系统) 技术为核心的嵌入式系统已经被广泛应用于许多领域。s o p c 技术的出现， 把f p g a 的可编程特性和软硬件协同设计技术相结合，使嵌入式系统设计更加灵活f 7 1 。 江苏大学硕士学位论文 以f p g a 为基础的s o p c 软硬件协同设计，为智能仪器界面显示系统提供了新的思路和 解决方法嗍。 因此，本文采用s o p c 技术来完成系统的设计，用f p g a + s o p c 搭建图形图像存储 显示的硬件平台，在n i o si ii d e 中完成图像输入、抗锯齿算法相关的软件处理，可以方 便的实现软硬件资源的配置，提高了系统集成度和灵活性，充分发挥了软硬件协同设计 的优点。为了提高抗锯齿处理速度，满足系统实时性需求，可以采用硬件来实现对图像 的抗锯齿处理，边缘检测和平滑滤波处理的数据量很大，但是算法比较简单，只涉及到 加法、移位、比较运算，非常适合使用f p g a 来设计，很好的利用了f p g a 芯片的可编 程性、强大的并行处理能力以及流水线结构。同时，f p g a 的运算速度越来越快，为智 能仪器显示的实时性提供了更有利的条件。 1 2 课题研究现状 近年来，随着迅猛发展的微计算机和微电子等技术渗透到测量和仪器领域，智能仪 器得到了飞速发展，已经呈现出人性化、自主化、高可靠化、虚拟化、网络化、微型化 和集成化等进步特征。 2 0 世纪7 0 年代，出现了基于大规模集成电路的微处理器，在其小体型、高效率、 自动化等特点驱使下，开始对仪器仪表进行智能化改造。1 9 7 3 年，出现了内含微处理器 的商品化测量仪器。到1 9 7 5 年，世界上约有近百种这类新型测量仪器仪表问世1 9 】。 2 0 世纪8 0 年代，n i 公司提出了“虚拟仪器 的概念。虚拟仪器是虚拟现实技术在 仪器仪表领域的重要应用。仪器软件系统所具有的通用性、通俗性、可视性、可扩展性 和易升级性等特点，可方便用户快捷地构建测量环境。虚拟仪器的出现，加速了测量仪 器的智能化进程。 到了上世纪9 0 年代，融合了3 c 技术的智能化现场总线仪器具有了通信接口，开始 实现分布式的测量与控制。同期，多媒体技术被引入到智能仪器的构建，增强了智能仪 器与人的交互。 进入2 1 世纪，智能仪器最大的进步特征是嵌入式系统的采用、与网络技术的有机 结合、现代数学方法以及计算数学方法的更多利用。嵌入式系统在智能仪器构建上的采 用，使智能仪器更j j l 4 , 型化，功能更全面，分析处理能力更强，可靠性进一步提高。 仪器画面显示系统是人机交互的桥梁，是智能仪器中最重要的组成部分之一，其显 示质量直接关系到仪器仪表性能的充分发挥、用户高效率地工作。随着现代测量技术的 发展和智能仪器性能的提高，对系统显示的质量提出了新的要求，不仅要求完整的显示 2 兰茎垄堂堑主堂堡垒奎 出所有信息，而且要求能更直观、自然、平滑，更真实的显示，同时仪器具有一定的实 时性要求，需要能在不同界面之间进行实时的切换和跳转。为了给使用者提供最直观的 显示信息，要求尽可能使用图形显示来代替抽象的数字和文字显示，因此图形显示在智 能仪器显示系统占据越来越重要的位置。 液晶显示器l c d 由于体积小、重量轻、功耗低，已成为智能仪器的理想显示器件。 传统的仪器在显示图形时，由于屏幕上固定的像素位置及分辨率的限制，不能精确表示 图形边界，其边缘会存在锯齿状走样，出现扭曲、变形的现象，不仅使显示图形的真实 度降低，而且严重影响了显示的视觉效果。因此，抗锯齿成为仪器显示系统最重要的研 究内容之一。 目前直线和圆的抗锯齿算法很多【0 1 4 1 ，已经达到一个很完善的阶段，其中直线的抗 锯齿算法最为成熟。m i t c h e l ldp 和b o u l tte 在过采样抗锯齿处理中引入了信号处理领 域的滤波方法【l 孓1 6 j ，提出了两种不同的滤波算法解决高频过采样数据降频时产生的噪声 问题；g u e n l e rb 和f a b r i sa e 提出两种前向滤波( f l l j 区域采样) 算法，一定程度提高了抗 锯齿的效果【 舶】；璩柏青根据像素相关性，提出了一种自适应反走样算法1 1 9 】；刘涛、高 青伟等提出了一种基于圆锥滤波的直线抗锯齿技术1 2 0 j ；李震霄结合经典的d d a 画线算 法与w u 抗锯齿算法，提出了一种任意线宽下的抗锯齿直线绘制算法1 2 i j ；牛玉静，唐棣 基于b r e s e n h a m 算法，并依据直线的对称生成原理，与h e m i s p h e r e f i l t e r 抗锯齿技术相 结合，提出了一种新的快速抗锯齿直线的生成算法【2 2 1 。虽然这些算法对直线的绘制有很 好的抗锯齿效果，但是由于算法实现的固定性和任意波形数据点的不确定性，不能用于 其他任意波形的抗锯齿处理。 目前常用的抗锯齿方法是基于采样定理提出的，最直接的方法就是提高采样频率， 即增加采样点个数。有两种实现方式：一种是从硬件方面增加显示屏分辨率、减小像素 的尺寸来实现，这就要求帧缓存容量随着像素数目的增加而增大，因而受到当前硬件技 术的限制；另一种是过采样方法，将显示屏看做比实际具有的更细的网格来增加采样频 率，沿着这种更细的网格使用点采样的方式来确定每个屏幕的合适亮度等级。 二维滤波法也是一种常用的抗锯齿方法。因为走样主要是由图形或图象的突变引起 的，在频域上表现为频谱的混叠，这种突变主要集中在图象频谱的高频成分，使用二维 低通滤波器可以将这些高频成分滤除，以达到抗锯齿的目的。滤波器的参数设置很关键， 不同参数将得到不同的抗锯齿效果。 还有一种抗锯齿方法是后处理方法，是指得到要显示的实际图形的采样后，在显示 前作进一步处理，将处理后的采样点在屏幕上显示出来。不论是过采样方法、二维滤波 法，还是后处理方法，其本质都是通过控制屏幕像素灰度级的缓慢变化来解决走样问题 的。 3 江苏大学硕士学位论文 目前对于任意波形的抗锯齿算法的研究仍没达到一个很成熟的阶段，还没有一套成 熟的理论来解决各种图形或图像的走样问题。不同类型的抗锯齿处理对象，采用的算法 往往不同的。因此只能根据抗锯齿处理的对象的特点，依据最终显示的要求，来选择或 设计合适的抗锯齿处理方法。 目前国外一些仪器设备已经开始使用抗锯齿技术，但是国内一些低端的仪器设备 中，图形显示很粗糙，没有考虑到抗锯齿技术，国内新型的高端的仪器设备也逐渐开始 使用抗锯齿技术。但是能查阅到的描述该技术和方法的相关参考文献很少。李代强，李 成贵提出了一种基于f p g a 的二维圆锥滤波方法，并成功应用于飞机座舱仪表显示系统 中【2 3 】：朱炫鹏、朱欣华针对虚拟仪器图形界面出现的图