矢量化图形的生成和激光显示1.doc

激光显示中矢量化图形的生成和显示技术*余建华(1) (2)罗晓令(1)蒋明(3)陈瑞成(2)丘军林(3)（(1)深圳大学科技研究院光电子技术工程系, 深圳，518060）(2)深圳市镭幻激光高技术有限公司，深圳，518052)（(3)华中理工大学激光技术国家重点实验室，武汉，430047）摘要：激光显示集激光, 精密光机, 电脑和多媒体等高新技术以及艺术与一体, 广泛应用于游乐，娱乐和信息广告业。本文提出一种激光显示图形和文字的快速输入、处理和显示的新方法。该方法包括图象的获取和预处理，图象的二值化，轮廓抽取等过程，采用“走迷宫”的方法来获取矢量化激光显示图形的轮廓数据，提供激光显示节目制作、预览和显示，使BMP图象能够直接而快速地转换成激光显示文件格式。关键词：激光显示，图象处理，轮廓提取Abstract: Laser display is a high technology involving laser, fine optical machine, computer and multi-media and art, which find its applications on enterainment, amusement and advertisement. In this paper we present a new method, which Laser display, which deals with laser, optical mechanics, computer, multimedia and arts, can be applied in One new method was presented, which 一、 引言激光显示集激光, 精密光机, 电脑和多媒体等高新技术以及艺术与一体, 广泛应用于游乐，娱乐和信息广告业。它具有如下几个特点1: (1) 能够实现超大屏幕的显示; (2) 色彩鲜艳纯正, 具有高的对比度(100:1); (3) 能够产生特殊的空间光束效果和矢量化图形动画; (4) 激光效果和图形信号完全数字化, 由电脑直接编程。在电脑的控制下，激光光束经过振镜式扫描器投射在空间或屏幕上，向人们演示各种特殊的空间光束效果、精彩的静、动、三维立体图文画面。显示的节目完全按照用户的要求，由电脑软件事先或即时设计。因此，研究和开发图形和汉字的输入、处理和显示是激光显示的关键技术之一。在激光显示中，多采用双振镜扫描矢量化（vector）图形显示。目前，国外激光显示系统的图形制作通常采用如下几种方式:(1)手绘图形 + 外数字板输入（最流行）;(2)扫描仪输入 + 数字化处理;(3)COREL DRAW 编辑 + COREL TRACE （不成熟）;(4)自编图形编辑器 （无法与流行的图形软件兼容）;(5)国外的系统对于汉字也采用图形处理方式。显然，显示节目制作极为不方便，特别是动画制作非常复杂耗时。一般情况下，制作5 10分钟的动画节目，需要一个人编排一个月。我们提出一种激光显示图形和文字的快速输入、处理和显示的新方法。该方法能够将通用的BMP图象和汉字转化处理成激光显示的图形格式，它包括图象的获取和预处理，图象的二值化，轮廓抽取等过程，采用走迷宫的方法来获取矢量化激光显示图形的轮廓数据。为实现方便快捷的图象转化、图形生成、汉字输入和激光多媒体显示奠定了良好的基础。二、 激光矢量化图形生成的原理激光显示中基于振镜扫描的矢量化图形显示技术，不同于采用转镜的光栅（RASTR）式扫描成像，也不同于激光加工中的慢扫描。它是沿着图形的线条快速扫描，其关键就在于获取适合振镜扫描的轮廓数据，并最大限度的减少轮廓的数据量，以使振镜能在人眼视觉停留的时间内扫描出稳定的图形。我们提出的激光矢量化图形的生成技术原理如图1所示。它的基本过程是：BMP图形经过中值滤波去除噪音后得到比较纯净的图象，再对图象进行二值化处理，从而得到黑白二值图。然后沿着图形的轮廓追踪，提取的轮廓线图形即为激光显示的图形。图1激光矢量化图形生成技术的原理图（Principle of generation of the vector pictures for laser display） 为了最大限度的利用振镜，将振镜用于精确定位的时间尽量缩短，达到理想的显示效果，将图形和文字的轮廓提取出来并使之成为封闭的曲线，这样就避免了光栅式扫描因逐点定位而浪费时间。同时受限于振镜的扫描速度，需要对提取出来的矢量轮廓进行进一步的简化。我们的处理方法是在失真允许范围内，对矢量节点删减，使系统在显示速度和图象质量间获得平衡。1 图象的预处理和二值化图象中的噪声往往和信号交织在一起，如果平滑不当，就会使图象本身的细节如边界轮廓，线条等变得模糊不清，从而使图象降质，所以图象平滑过程总是要付出一定的细节模糊代价。如何既能平滑掉图象中的噪声，而又尽量保持图象细节即少付出一些细节模糊代价是图像平滑研究的主要问题之一。采用中值滤波的方法来对噪音进行处理是一种有效的方法。中值滤波是一种非线性信号处理方法，它在一定的条件下，可以克服线性滤波器如最小均方滤波，平均值滤波（平滑滤波）等所带来的图象细节模糊，而且对滤除脉冲干扰及图象扫描噪声最为有效。中值滤波利用一个含有奇数点的滑动窗口在图象上依次扫描，每扫描到一点，把窗口内包含的图象像素按灰度级升（或降）序排列起来，取中间大小的灰度值作为窗口中心像素的灰度，即将窗口正中的那点值用窗口内各点的中值代替。扫描完所有像素点便完成一次中值滤波。选用3*3大小滤波窗口的图象中值滤波处理如图2所示。图2中值滤波原理图例如，输出图象中灰度值为60的象素其值换成29，如果是一个噪声象素值，则原图中此点为一个白点，经过中值滤波后输出图象中的噪声将被消除。图象经过中值滤波后，使图象的边缘平滑。但是一幅图象的对象物和背景还有噪声，怎样从多值的数字图中只取出对象物，一般采用设定某一阈值，用阈值将图象的数据分成两部分：大于阈值的象素群和小于阈值的象素群，例如输入的图象为,输出图象为。如果用灰度变换的方法来研究图象，其灰度变换函数为（1）式中J为阈值，输出图象的灰度值大于阈值，其数据点取1，反之取0。这种灰度变换的方法，称为图象的二值化。二值化处理就是把图象分成对象物和背景两个领域，然后求其阈值。在数字化的图象数据中，无用的背景数据和对象物的数据常常混在一起。除此之外，在图象中还含有其他的各种噪声。所以阈值选取必须根据实际情况进行调节。2“走迷宫”式轮廓提取轮廓线追踪是沿着图形的等色区域的边界搜索，将搜索到的边界线（轮廓线）上的点记录在点列中，其结果，一个点列就表示一条轮廓线。对于经过二值化的图形，它包括黑色轮廓提取和白色轮廓的提取。即图形的外轮廓和内轮廓的提取。轮廓提取与边缘检测是不同的，边缘检测注重的是图象，检测后输出的仍然是图象，并不适用于激光显示；轮廓提取注重的是轮廓的数据，提取后输出的是轮廓数据，适用于激光显示，但一般轮廓的提取采用“回朔法”，“回朔法”需要巨大的堆栈，耗费大量计算机内存，并且存在着速度慢，只能处理单个轮廓等缺点。我们采用“走迷宫”的方法提取轮廓数据，并且在提取一个轮廓后就将其填充为背景色，进行下一个轮廓的提取，重复这个过程，提取出所有的轮廓。外轮廓的提取：首先，沿图象水平向右方向搜索，检查象素为白还是黑。把最先检出黑象素作为外轮廓追踪的起点。设该象素为P1，设其方向为水平向右。图3轮廓追踪原理图 其次， 考虑一个以P1为中心的3X3有向模板，将模板内象素按下图所示标记序号03，以象素0为最高级别。对象素0，象素1，象素2，象素3进行判别，若其为黑，则其为轮廓数据，并将方向矢量指向该象素。假定已经检出Pn，如果Pn=P1,则表明P1,P2,P3Pn-1,Pn已经形成一个闭环，终止本条轮廓线的追踪。点列P1,P2,P3Pn-1,Pn即是我们要找的一条轮廓线。然后，用回朔法将轮廓线内的象素填为白色，将起点加一，重复上述过程，提取出图象的全部外轮廓线。下图为外轮廓追踪示意图。图4轮廓提取原理图内轮廓提取：将外轮廓提取中的黑、白象素定义反转，按照外轮廓提取的算法，提取出内轮廓，以此类推，提取出图象的全部内轮廓线。三、 激光显示矢量化图形的实验激光显示的实验装置如图5所示。它由全固化绿光激光器、双振镜扫描装置和电脑控制系统等组成。电脑控制器中的图形编辑器将获得的BMP图象进行处理和转化，实验过程如图6所示。图6激光显示矢量化图形格式转化过程Fig.6 Conversion of bitmap objects into laser graphics电脑控制器编辑的图形信号经过一个4通道D/A转换卡送到扫描振镜的驱动器上，控制激光扫描的图形。激光显示中，激光束依次快速扫描图形轮廓，扫描图形的先后顺序由设定的扫描次序来确定。当以超过人眼“视觉暂留”的反应速度来完成整幅图形的扫描时，人眼就看到了稳定或连续变化的图形动画效果。由于光束仅扫描在轮廓线上，使扫描周期大大缩短，而且激光能量利用率大为提高，增大了画面亮度。图7是激光显示图形的照片。图7激光显示图形照片Fig.7 Photograph of the laser display四、 结论本文提出了一种新型的激光显示矢量化图形的生成方法。该方法利用中值滤波去除图象的噪声，用二值化处理、轮廓线追踪和提取的原理将BMP图象转换为激光显示的图形格式。应用在激光显示系统中，使图形的处理极其方便快捷，显示效果良好。五、 参考文献1 I. Dryer, Laser color display and enterainment applications, Laser Focus World, No. 9, (991)2 Casey Stack, Laser Displays grow up quickly, Photonics Spectra, No. 10, p76 - 82, (1996)3 G. J. Marshall, , Marcel Dekker, Inc., New York, p216, (1985)4 D. Zankowsky, Applications dictate choice of scanner, Laser Focus World, No. 12, p99 - 105, (1996)5 P. Murphy, Software stretches laser artists imagination, Laser Focus World, No. 12, p148 - 150, (1996)6 P. Murphy, et.al., Computer graphics for scanned laser displays, SMPTE Journal, No. 12, p1125 - 1133, (1993)Bmp图形纯彩图黑白图象轮廓图去除噪音 二值化 提取轮廓中值滤波 灰度变换 轮廓线追踪图1激光矢量化图形生成技术的原理图（Principle of generation of the vector pictures for laser display） 27 22 2942 6 2927 25 2960