基于FPGA的Alpha半透明圖像疊加算法硬件實(shí)現

摘要：文中在FPGA上采用純verilog邏輯實(shí)現了Alpha半透明圖像疊加算法，即驗證了算法的正確性，同時(shí)針對FPGA不善于處理浮點(diǎn)運算的弊端，采用了移位操作的方法，進(jìn)一步提高了運算速度，實(shí)現了Alpha透明系數可調，半透明圖像疊加的實(shí)時(shí)顯示，在高清圖像顯示領(lǐng)域具有很大的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：Alpha半透明算法;移位操作;高清圖像;實(shí)時(shí)顯示

Alpha透明算法被廣泛應用于圖像處理，2D游戲，3D游戲圖像混合和渲染等領(lǐng)域。在涉及到高清圖像時(shí)由于計算量比較大，PC處理速度較慢，圖像半透明疊加效果無(wú)法實(shí)時(shí)呈現。本文采用了FPGA并行處理的思想，同時(shí)對邏輯中設計到的浮點(diǎn)運算進(jìn)行了移位操作，極大的提高了運算速度，實(shí)現了圖像的半透明疊加效果的實(shí)時(shí)顯示?？梢栽诟咔鍒D像顯示領(lǐng)域中實(shí)現視頻和半透明滾動(dòng)字幕的疊加，以及多路視頻的實(shí)時(shí)疊加處理。

1 Alpha算法

Alpha通道是一個(gè)8位的灰度通道，該通道用256灰度來(lái)記錄圖像中透明度信息、定義透明、不透明和半透明區域，其中黑表示全透明，白表示不透明，灰表示半透明。

Alpha混合算法公式：

R(A)、G(A)、B(A)分別代表圖像A的RGB分量的原色值，R(B)、G(B)、B(B)分別代表圖像B的RGB分量的原色值，R(C)、G(C)、B(C)分別代表混合后圖像C的RGB分量的原色值。

alpha為圖像的透明度系數，取值為0—1，1為完全透明，0為完全不透明，改變這個(gè)值可以得到一個(gè)漸變的效果。

透明度alpha的計算。顏色在本質(zhì)地上是光的產(chǎn)物，可以把透明度理解為玻璃的透光性。例如一個(gè)alpha=0.2的顏色，可以將其想象為透光率為80%的彩色玻璃。透過(guò)這塊玻璃看去，由于80%的光都透過(guò)了，因此留下來(lái)的顏色只剩20%，即所謂系數為0.2的alpha。

2 Matlab驗證效果

現在通過(guò)Matlab來(lái)進(jìn)行兩幅圖片疊加驗證。

將alpha設為0.4和0.6的顏色進(jìn)行疊加。這時(shí)相當于疊加了兩塊玻璃，一塊透光率為60%，另一塊為40%。一道光束穿過(guò)，經(jīng)過(guò)60%透光率玻璃時(shí)，光線(xiàn)強度剩下80%，再經(jīng)過(guò)40%透光率玻璃時(shí)，光線(xiàn)進(jìn)一步被削弱，只剩下60%*40%=24%。這意味著(zhù)合成的圖片有24%的透明性。

兩幅圖片的分辨率都是1 024*768，疊加后處理效果圖如下：

由效果圖可以看出，實(shí)現了海鷗在藍天白云中飛翔的半透明效果。由于藍天白云圖片alpha為0.4，海鷗圖片alpha為0.6，所以海鷗透明度明顯高于藍天白云。隨著(zhù)藍天白云alpha值的提高，透明度也會(huì )提升，相反海鷗透明度會(huì )隨之降低。

雖然實(shí)現了半透明疊加效果，但由于圖片分辨率過(guò)高，Matlab要對每個(gè)像素點(diǎn)的RGB三通道分別進(jìn)行alpha算法公式運算，最后輸出合成圖片，用了大約0.75 s的時(shí)間。對視頻圖像無(wú)法做到實(shí)時(shí)處理的效果。因此，考慮用FPGA硬件設計來(lái)實(shí)現此算法。

3 FPGA硬件實(shí)現

本設計硬件采用的市面上常用的開(kāi)發(fā)板，主控芯片是ALTERA公司的Cycelone IV，并帶有VGA，百兆網(wǎng)口，RS232串口等一系列接口。FPGA內部產(chǎn)生兩幅圖片同時(shí)進(jìn)行半透明化疊加，并且通過(guò)開(kāi)發(fā)板上的按鍵來(lái)控制alpha系數，從而實(shí)現調節兩幅圖片的之間的透明度，最后在VGA顯示器進(jìn)行顯示。

3.1 邏輯設計整體框圖

整體框圖包括3個(gè)模塊，alpha_control模塊、vga_display模塊和vga_driver模塊

alpha_control模塊：通過(guò)外部按鍵控制alpha半透明參數，實(shí)現兩幅疊加圖片之間透明度實(shí)時(shí)轉換。

vga_display模塊：由于FPGA內部的memory容量有限，無(wú)法存儲高分辨圖片，因此通過(guò)此模塊生成兩幅圖片，并實(shí)現半透明圖片的疊加，然后送到VGA顯示器進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

vga_driver模塊：驅動(dòng)VGA[5]工作在預定的分辨率下，這里驅動(dòng)顯示器工作在1024*768@65MHz的分辨率下。

3.2 VGA驅動(dòng)原理

VGA驅動(dòng)本質(zhì)就是在一定工作頻率下，產(chǎn)生準確的時(shí)序關(guān)系包括：VS-垂直同步信號，HS-水平同步信號，消隱信號之間的關(guān)系。

在VGA顯示過(guò)程中，完成一行掃描所要的時(shí)間為水平掃描時(shí)間，完成一幀掃描所需要的時(shí)間稱(chēng)為垂直掃描時(shí)間。每掃描完一行用行同步信號進(jìn)行同步;掃描完所有行后用場(chǎng)同步信號進(jìn)行同步。本文設計采用的是1024*768@65MHz模式。依據時(shí)序標準，每顯示行包含1344個(gè)點(diǎn)，其中1024為顯示有效區，320點(diǎn)為消隱區，每行的行同步脈沖低電平寬度為136個(gè)像素點(diǎn);同理每場(chǎng)有806行，有效行為768，其中場(chǎng)同步脈沖低電平寬度為6行。

如上圖所示，每一場(chǎng)的掃描都包含若干個(gè)行掃描，如此往復循環(huán)。

3.3 Alpha算法verilog實(shí)現

為了實(shí)現快速運算，這里將透明比例按2的N次冪來(lái)分級(Alpha=1/256)，同時(shí)進(jìn)行了移位算法，式(1)、式(2)、式(3)變?yōu)橐韵鹿剑?/p>

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