计算机图形学——反走样

Posted 2022-12-28 wkfvawl

对于直线、圆形、椭圆这些最基本元素的生成速度和显示质量的改进，在图形处理系统中具有重要的使用价值。

但它们生成的线条具有明显的“锯齿形”即会发生走样（Liasing）现象

一、走样

 

产生走样现象的原因是像素本质上的离散性，要用有限的像素点来逼近无限的直线！

走样是数字化的必然产物！

走样现象：
    一是光栅图行产生的阶梯形（锯齿形）；
    二是图形中包含相对微小的物体时，这些物体在静态图形中容易被丢弃或忽略。

小物体由于走样而消失

在动画序列中时隐时现，产生闪烁

矩形从左到右移动，当其覆盖某些像素中心时，矩形被显示出来，当没有覆盖像素中心时，矩形不被显示

简单地说，如果对一个快速变化的信号采样频率过低，所得样本表示的会是低频变化的信号；原始信号的频率看起来被较低的“走样”频率所替代。

 

如何降低由于采样不足而产生的走样现象？

二、反走样技术

用于减少或消除走样效果的技术，称为反走样（Antialiasing）技术

由于图形的走样现象对图形的质量有很大影响，几乎所有图形处理系统都要对基本图形进行反走样处理

硬件解决方法

采用高分辨率的光栅图形显示器

该反走样方式是以4倍的存储器代价和扫描转换时间获得的

为了稳定屏幕上图像，电子枪至少要1/24秒时间轰击屏幕所有像素一次，如果像素提高一倍，电子枪就要快4倍！

软件解决方法

用“模糊”来产生更平滑的图像

对于在白色背景的黑色矩形，通过在矩形边界附近渗入一些灰色像素，可以柔化从黑到白的尖锐变化

从远处观察这幅图像时，人眼能够将这些缓和变化的暗影融合在一起，从而看到更加平滑的世界

 

这里有两种反走样方法，非加权区域采样方法和加权区域采样方法。

三、非加权区域采样方法

根据物体的覆盖率(某个象素区域被物体覆盖的比例)计算像素点颜色。

 

缺点
    1、像素的亮度与相交区域的面积成正比，而与相交区域落在像素内的位置无关，这仍会导致锯齿效应
    2、直线上沿理想直线方向的相邻两个象素有时会有较大的灰度差；
每个像素的权值是一样的，这是主要缺点。

四、加权区域采样方法

这种方法更符合人视觉系统对图像信息的处理方式，反走样效果更好

 

直线段对一个象素亮度的贡献正比于相交区域与象素中心的距离

设置相交区域面积与像素中心距离的权函数（高斯函数）反映相交面积对整个像素亮度的贡献大小

利用权函数积分求相交区域面积，用它乘以像素可设置的最大亮度值，即可得到该像素实际显示的亮度值。