摘要：文中在FPGA上采用純verilog邏輯實(shí)現(xiàn)了Alpha半透明圖像疊加算法，即驗(yàn)證了算法的正確性，同時(shí)針對(duì)FPGA不善于處理浮點(diǎn)運(yùn)算的弊端，采用了移位操作的方法，進(jìn)一步提高了運(yùn)算速度，實(shí)現(xiàn)了Alpha透明系數(shù)可調(diào)，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(yīng)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(jì)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(xiàn)。本文采用了FPGA并行處理的思想，同時(shí)對(duì)邏輯中設(shè)計(jì)到的浮點(diǎn)運(yùn)算進(jìn)行了移位操作，極大的提高了運(yùn)算速度，實(shí)現(xiàn)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(xiàn)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(qū)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(shù)，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(jì)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(shù)為0.2的alpha。

2 Matlab驗(yàn)證效果

現(xiàn)在通過(guò)Matlab來(lái)進(jìn)行兩幅圖片疊加驗(yàn)證。

將alpha設(shè)為0.4和0.6的顏色進(jìn)行疊加。這時(shí)相當(dāng)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)，光線強(qiáng)度剩下80%，再經(jīng)過(guò)40%透光率玻璃時(shí)，光線進(jìn)一步被削弱，只剩下60%*40%=24%。這意味著合成的圖片有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(xiàn)了海鷗在藍(lán)天白云中飛翔的半透明效果。由于藍(lán)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(lán)天白云。隨著藍(lán)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(xiàn)了半透明疊加效果，但由于圖片分辨率過(guò)高，Matlab要對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)的RGB三通道分別進(jìn)行alpha算法公式運(yùn)算，最后輸出合成圖片，用了大約0.75 s的時(shí)間。對(duì)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(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)此算法。

3 FPGA硬件實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)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(nèi)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(shù)，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)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(shè)計(jì)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(shù)，實(shí)現(xiàn)兩幅疊加圖片之間透明度實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換。

vga_display模塊：由于FPGA內(nèi)部的memory容量有限，無(wú)法存儲(chǔ)高分辨圖片，因此通過(guò)此模塊生成兩幅圖片，并實(shí)現(xiàn)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(qū)動(dòng)VGA[5]工作在預(yù)定的分辨率下，這里驅(qū)動(dòng)顯示器工作在1024*768@65MHz的分辨率下。

3.2 VGA驅(qū)動(dòng)原理

VGA驅(qū)動(dòng)本質(zhì)就是在一定工作頻率下，產(chǎn)生準(zhǔn)確的時(shí)序關(guān)系包括：VS-垂直同步信號(hào)，HS-水平同步信號(hào)，消隱信號(hào)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(hào)進(jìn)行同步;掃描完所有行后用場(chǎng)同步信號(hào)進(jìn)行同步。本文設(shè)計(jì)采用的是1024*768@65MHz模式。依據(jù)時(shí)序標(biāo)準(zhǔn)，每顯示行包含1344個(gè)點(diǎn)，其中1024為顯示有效區(qū)，320點(diǎn)為消隱區(qū)，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(fù)循環(huán)。

3.3 Alpha算法verilog實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)算，這里將透明比例按2的N次冪來(lái)分級(jí)(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>

代碼一開(kāi)始產(chǎn)生了2幅圖片：vga_data_ff1為VGA水平驅(qū)動(dòng)vga_xpos與垂直驅(qū)動(dòng)vga_ypos乘積產(chǎn)生的分形圖;vga_data_ff2為彩條圖形，這是將VGA水平驅(qū)動(dòng)vga_xpos分為8部分，分別對(duì)應(yīng)黑、藍(lán)、品、綠、黃、紅、紫、白8種顏色。

然后對(duì)每個(gè)像素的RGB三通道分別進(jìn)行alpha算法公式運(yùn)算，疊加后生成16bit的紅色通道的red_data，綠色通道gre_data和藍(lán)色通道blu_data。

最后選取紅色通道red_data低5位，綠色通道gre_data低6位，藍(lán)色通道blu_data低5位組成RGB565格式圖像送到VGA進(jìn)行顯示。

3.4 顯示效果

顯示效果如圖4所示。由效果圖可以看出本設(shè)計(jì)完美實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的半透明圖形的疊加，此時(shí)即可以看到分形圖，又可以看到8條彩條，二者相互融合。

本設(shè)計(jì)即驗(yàn)證了Alpha混合算法的正確性，又滿(mǎn)足了高清圖像半透明疊加融合的實(shí)時(shí)需求。

4 結(jié)論

為解決高清領(lǐng)域中涉及到的圖像實(shí)時(shí)疊加和半透明字幕滾動(dòng)等問(wèn)題，本設(shè)計(jì)利用FPGA并行處理的思想，同時(shí)對(duì)邏輯中設(shè)計(jì)到的浮點(diǎn)運(yùn)算進(jìn)行了移位操作，極大的提高了運(yùn)算速度，實(shí)現(xiàn)了圖像的半透明疊加效果的實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)對(duì)實(shí)現(xiàn)多路高清視頻疊加顯示，也有很大的借鑒意義。