0 引言

　　目前機(jī)載字符顯示主要分為點(diǎn)陣字符顯示與矢量字符顯示。兩種顯示方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，點(diǎn)陣字符大小固定，輸出簡單；矢量字符大小可調(diào)，輸出靈活，但依賴于反走樣直線與反走樣圓弧的實(shí)現(xiàn)效果，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。另外，通常字符的旋轉(zhuǎn)、縮放等變換是對字符像素點(diǎn)進(jìn)行復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算，計算坐標(biāo)時存在小數(shù)的四舍五入，因此會出現(xiàn)明顯的走樣現(xiàn)象。

　　本文綜合考慮點(diǎn)陣字符與矢量字符的優(yōu)缺點(diǎn)，首先在VxWorks[1]操作系統(tǒng)下利用FreeType字體引擎實(shí)時提取矢量字形并利用其自帶的API函數(shù)完成旋轉(zhuǎn)、描邊等字形變換，接著再渲染成高質(zhì)量、抗鋸齒的256級灰度值位圖，然后通過PCI-E總線將灰度值點(diǎn)陣傳輸至底層FPGA，最后由FPGA根據(jù)優(yōu)化后的融合算法完成字符與外部視頻的疊加并顯示。

　　上述字符生成流程既能靈活實(shí)時提取各種尺寸的字符，又可以簡單地輸出，不失真地旋轉(zhuǎn)，同時還具有優(yōu)良的描邊效果。通過反復(fù)驗(yàn)證提出一種背景融合算法，成功解決了字符與視頻背景疊加時出現(xiàn)的邊緣灰度值突變問題，實(shí)現(xiàn)了字符與視頻背景的高質(zhì)量疊加。

1 機(jī)載平顯系統(tǒng)組成

　　本文所研究的內(nèi)容為“新一代機(jī)載綜合平視顯示系統(tǒng)”的重要組成部分，旨在研制擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、靈活可重構(gòu)的機(jī)載視頻處理與圖形字符生成系統(tǒng)，形成包括底層硬件平臺、系統(tǒng)軟件平臺、圖形字符繪制接口以及底層圖形繪制IP核的核心解決方案。

　　圖1為機(jī)載平視顯示系統(tǒng)的組成框圖，它由三大部分組成，其中核心部分機(jī)載字符顯示系統(tǒng)由4個模塊組成，圖中各組成部分與模塊的功能如下：

　　(1)字符繪制接口：運(yùn)行在VxWorks操作系統(tǒng)上[2]，根據(jù)上層應(yīng)用程序中有關(guān)繪制字符指令中的參數(shù)，實(shí)時提取出相應(yīng)字符信息，以特定的指令格式交由PCI-E設(shè)備，實(shí)現(xiàn)頂層應(yīng)用程序與底層硬件的無障礙通信。

　　(2)FIFO（First In First Out，先入先出隊(duì)列）：用于暫存PCI-E設(shè)備發(fā)送的繪制指令，供底層IP核讀取。

　　(3)繪制IP核取指令：作為底層硬件平臺的核心，IP核從FIFO中讀取字符繪制的指令，包括字符繪制參數(shù)及字符灰度值信息。

　　(4)視頻背景融合：IP核同時讀取視頻背景的RGB值與加黑邊字符的灰度值，按特定算法進(jìn)行融合處理。

2 字符生成及字形變換

　　2.1 TrueType字庫及FreeType字體引擎

　　TrueType[3]是蘋果公司和微軟公司合作開發(fā)的一種新型數(shù)字化矢量字體格式，采用幾何學(xué)中的二次B樣條曲線及直線來描述字體外形輪廓。本系統(tǒng)暫定需要95個字符，包括26個英文字符的大小寫、10個阿拉伯?dāng)?shù)字和33個標(biāo)點(diǎn)符號。所以選用Arial.ttf存儲在非易失存儲器中，上電再調(diào)入內(nèi)存，供字體引擎提取。

　　FreeType是使用ANSI C開發(fā)的開源字體引擎，利用它可以不用關(guān)心TrueType字庫文件格式，僅需調(diào)用FreeType的應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface,API）函數(shù)完成大部分的工作，而且FreeType可以在包括VxWorks的多種操作系統(tǒng)平臺下編譯運(yùn)行。

　　針對嵌入式系統(tǒng)存儲容量相對較小以及機(jī)載平臺對代碼運(yùn)行速度的要求，需要對FreeType這個高度可定制的字體引擎進(jìn)行定制和裁剪[4]。通過對字體引擎的定制和裁剪，有效減小了庫文件的體積，加快了代碼的運(yùn)行速度。

　　2.2 嵌入式矢量字符顯示

　　圖2為嵌入式矢量字符顯示流程，圖中各個模塊的功能具體如下：

　　(1)初始化庫并裝載字體文件

　　調(diào)用FT_Init_FreeType初始化庫，先創(chuàng)建一個FreeType庫的新實(shí)例，并且設(shè)置句柄library為它，然后裝載庫中的每一個模塊。調(diào)用FT_New_Face裝載字體文件，創(chuàng)建一個新的face對象用來描述一個特定的字樣和風(fēng)格，本系統(tǒng)裝載的是Arial.ttf。

　　(2)設(shè)置當(dāng)前像素尺寸

　　調(diào)用FT_Set_Pixel_Size設(shè)置像素尺寸，設(shè)置的大小以像素為單位。按照本項(xiàng)目的相關(guān)技術(shù)協(xié)議，字符的尺寸為16×16～32×32范圍內(nèi)的任意值。

　　(3)裝載字形圖像

　　調(diào)用FT_Cet_Char_Index得到字符索引，進(jìn)行相應(yīng)的字形變換后，再調(diào)用FT_Load_Glyph將字符輪廓信息讀取到字形槽中。

　　(4)設(shè)置渲染模式獲取字符位圖

　　調(diào)用FT_Render_Glyph將字符槽中的字形圖像轉(zhuǎn)換成一個256級灰度的抗鋸齒位圖。

　　2.3 字形變換

　　調(diào)用FT_Set_Transform對其進(jìn)行仿射變換，完成字形的旋轉(zhuǎn)、傾斜、縮放等操作。本系統(tǒng)要求完成字符的0°~360°順時針旋轉(zhuǎn)，且是否旋轉(zhuǎn)由上層控制。根據(jù)上層給出旋轉(zhuǎn)的角度，對2×2的仿射矩陣賦值。

　　上一代平顯系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)由底層FPGA實(shí)現(xiàn)，但FPGA在計算字符像素點(diǎn)坐標(biāo)時存在四舍五入，且旋轉(zhuǎn)可能導(dǎo)致的維數(shù)變化會造成像素空洞，直接影響顯示的效果。利用FreeType字體引擎完成旋轉(zhuǎn)屬于對字形圖像的變換，基于字符的描述信息而不是字模數(shù)據(jù)，通過這種方式進(jìn)行旋轉(zhuǎn)后再提取位圖并顯示，效果得到明顯的改善。圖3為兩種不同旋轉(zhuǎn)方法得到的效果圖。

3 強(qiáng)背景識別技術(shù)

　　在顯示機(jī)載畫面時，由于字符疊加在視頻背景上，當(dāng)字符與背景的顏色相近或視頻背景亮度較大時，往往會出現(xiàn)字符看不清楚的情況，給飛行員的駕駛帶來潛在的隱患。所以為了在強(qiáng)背景環(huán)境下有效識別出字符信息，需要對字符進(jìn)行描邊處理。

　　3.1 傳統(tǒng)字符描邊方法

　　3.1.1 一位二進(jìn)制字符加一位二進(jìn)制描邊

　　在上一代平顯系統(tǒng)中，字符部分與描邊部分每個像素點(diǎn)都使用一位二進(jìn)制數(shù)來表示。當(dāng)代表像素點(diǎn)的數(shù)為1時，表示字符經(jīng)過此位置，則將該位置的像素設(shè)置為字符顏色；當(dāng)代表像素點(diǎn)的數(shù)為0時，表示字符不經(jīng)過此位置，則將此位置的像素設(shè)置為背景顏色。因?yàn)槊總€像素點(diǎn)僅用一個二進(jìn)制位表示，所以顯示在屏幕上時字符鋸齒化明顯，邊緣不夠圓潤，且旋轉(zhuǎn)后整體較為模糊。

　　上述二值點(diǎn)陣字符描邊方法較為簡單，直接在點(diǎn)陣字符的邊緣加上黑色邊框即可，但是顯示效果極為粗糙，如圖4（a）所示。

　　3.1.2 灰度值（256級）字符加一位二進(jìn)制描邊

　　256級灰度值字符由FreeType提取，并采用傳統(tǒng)描邊的方法：通過掃描字符點(diǎn)陣的每一個像素點(diǎn)，對每個灰度值不為零的像素點(diǎn)進(jìn)行判斷，若判斷為邊界點(diǎn)則將該像素點(diǎn)周圍四個鄰域或八個鄰域內(nèi)灰度值非零的像素點(diǎn)置為描邊點(diǎn)。

　　雖然這種描邊方法簡單易行，但是實(shí)際顯示效果并不理想。在初始大小下，可以看到原始字符部分由于使用FreeType提取，效果較一位二進(jìn)制字符有明顯改善，描邊部分雖清晰可見，但較為生硬。放大若干倍后，可以發(fā)現(xiàn)描邊毛刺棱角較多，走樣明顯，不適于飛行員長期觀察，如圖4（b）所示。

　　3.2 FreeType描邊

　　鑒于使用鄰域掃描描邊方法的顯示效果不佳，所以需要尋找另一種顯示效果好的描邊方法。研究發(fā)現(xiàn)調(diào)用FreeType自帶的API函數(shù)對字符進(jìn)行描邊處理效果較好，如圖4（c）所示，具體步驟如下：

　　(1)在進(jìn)行完字形變化并將字形讀取到字符槽后，調(diào)用FT_Get_Glyph把字形槽中的字形圖像復(fù)制到新的glyph1對象中，然后調(diào)用FT_Stroker_New創(chuàng)建一個筆觸，并調(diào)用FT_Stroker_Set設(shè)置筆觸為描邊；

　　(2)對glyph1的字形調(diào)用FT_Glyph_StrokeBorder設(shè)置為描邊渲染，設(shè)置渲染參數(shù)，調(diào)用FT_Outline_Render渲染這個描邊的字形圖像glyph1，如圖5（a）；

　　(3)調(diào)用FT_Glyph_Get_Cbox檢索glyph字形圖像，獲取該描邊字形的寬度、高度等信息；

　　(4)再次調(diào)用FT_Get_Glyph把字形槽中的字形圖像復(fù)制到新的glyph2對象中，重新設(shè)置渲染參數(shù)，調(diào)用FT_

　　Outline_Render渲染這個字符本身的glyph2，如圖5（b）；

　　(5)開辟一個緩存，存放glyph1與glyph2疊加后的像素信息。

4 背景融合技術(shù)

　　與傳統(tǒng)加一位二進(jìn)制描邊不同，使用FreeType為字符加上的描邊同樣具有256級灰度，所以描邊顯得光滑圓潤，但同時也帶來了新的問題。由于FreeType中生成的描邊信息的邊緣基于純白背景，灰度值會有向255漸變的趨勢，所以在黑色背景下邊緣灰度值與背景灰度值相差過大，嚴(yán)重影響顯示效果，因此需要對描邊與周圍視頻背景作相應(yīng)的融合處理。

　　圖6為未進(jìn)行背景融合的數(shù)字3在不同灰度值背景下顯示的效果。

　　除在純白背景下，黑邊外都會有與背景不協(xié)調(diào)的白邊，特別在純黑背景下描邊效果最差。圖6(a)、(b)、(c)、(d)中背景灰度值分別為：0、127、255、隨機(jī)灰度值。

　　將描邊的灰度值與背景以一定比例進(jìn)行融合，使得黑色描邊與背景線性相關(guān)，可以有效減少描邊外圍白色邊框的產(chǎn)生。目前項(xiàng)目僅要求顯示黑白灰度值字符，所以字符RGB 3個分量都等于其灰度值。但是考慮到背景的RGB分量并不一定相等，所以在融合時需要將底層IP核分開計算。

　　(1)如果為描邊：

　　R[x+r][y+c]=(255-gray[r][c])*bg_R[x+r][y+c]/255；

　　G[x+r][y+c]=(255-gray[r][c])*bg_G[x+r][y+c]/255；

　　B[x+r][y+c]=(255-gray[r][c])*bg_B[x+r][y+c]/255；

　　(2)如果不是描邊：

　　R[x+r][y+c]=gray[r][c]；

　　G[x+r][y+c]=gray[r][c]；

　　B[x+r][y+c]= gray[r][c]；

　　其中x、y為字符在屏幕上的繪制坐標(biāo)，r、c為當(dāng)前灰度值點(diǎn)在提取字符中的行號與列號，gray[][]為當(dāng)前像素點(diǎn)的灰度值，bg_R[][]、bg_G[][]、bg_B[][]依次為背景的RGB 3個分量值。

　　圖7為進(jìn)行了背景融合后的字符顯示效果，其中(a)~(d)背景灰度值為127，(e)為隨機(jī)彩色背景。

5 繪制指令傳輸

　　5.1 上位機(jī)繪制接口

　　為方便上層用戶調(diào)用繪制字符指令，系統(tǒng)自定義字符繪制接口函數(shù)如下：

　　void WriteChar(int CharSize, int CharCode, int Angle, int X, int Y)；

　　其中X、Y為字符輪廓左上角的橫縱坐標(biāo)；Angle為字符旋轉(zhuǎn)弧度值，范圍是0~2π；CharCode為字符ASCII碼，范圍是33~127；CharSize為字符大小。

　　5.2 寫入FIFO的指令格式

　　繪制字符指令格式如表1所示。

　　(1)命令字：五位二進(jìn)制數(shù)，用以確定繪制指令的類型。

　　(2)字符X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)：同5.1中X、Y坐標(biāo)。

　　(3)總行數(shù)、總列數(shù)： 發(fā)送字符數(shù)組的行列數(shù)。由底層FPGA根據(jù)總行數(shù)、總列數(shù)計算出總點(diǎn)數(shù)，用來判斷傳輸某個字符的最后一個32位數(shù)是否寫滿（當(dāng)總點(diǎn)數(shù)不是3的整數(shù)倍時）。

　　(4)灰度值1、2、3:  3個連續(xù)點(diǎn)的灰度值信息，灰度值為0~255，需要8位二進(jìn)制數(shù)表示。

　　(5)描邊點(diǎn)標(biāo)志1、2、3:  用來判斷相應(yīng)點(diǎn)是否為描邊點(diǎn)，如果為描邊點(diǎn)則進(jìn)行背景融合。

　　5.3 實(shí)時性分析

　　在給定的標(biāo)準(zhǔn)測試畫面中，除字符外還有點(diǎn)、線、圓等基本圖元。經(jīng)統(tǒng)計，標(biāo)準(zhǔn)測試畫面中3種大小字符平均所需命令數(shù)分別為88、196、347。3種大小字符的個數(shù)分別為7、89、32。

　　一幀需要傳輸?shù)?2位長整形數(shù)(包括字符和圖形指令)約為29 669個，其中字符29 164個，約占98%。

　　以每秒24幀計，計算后得到的指令吞吐量約為6.79 MB/s。若考慮字符旋轉(zhuǎn)后像素點(diǎn)增加20%，則吞吐量最大約為8.12 MB/s，遠(yuǎn)小于PCI-E總線的單向數(shù)據(jù)傳輸速率2.5 Gb/s，所以字符的傳輸滿足系統(tǒng)的實(shí)時性要求。

6 結(jié)論

　　上述在VxWorks中字符的顯示方案已經(jīng)成功應(yīng)用于機(jī)載座艙信息顯示系統(tǒng)中，不僅滿足機(jī)載設(shè)備的實(shí)時性要求，而且字符生成靈活、顯示效果優(yōu)良，具有相當(dāng)廣闊的應(yīng)用前景。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[2] 孔祥營，柏桂枝.嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)VxWorks及其開發(fā)環(huán)境[M].北京：中國電力出版社，2002.

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