基于FPGA的Alpha半透明图像叠加算法硬件实现

摘要：文中在FPGA上采用纯verilog逻辑实现了Alpha半透明图像叠加算法，即验证了算法的正确性，同时针对FPGA不善于处理浮点运算的弊端，采用了移位操作的方法，进一步提高了运算速度，实现了Alpha透明系数可调，半透明图像叠加的实时显示，在高清图像显示领域具有很大的实用价值。

关键词：Alpha半透明算法;移位操作;高清图像;实时显示

Alpha透明算法被广泛应用于图像处理，2D游戏，3D游戏图像混合和渲染等领域。在涉及到高清图像时由于计算量比较大，PC处理速度较慢，图像半透明叠加效果无法实时呈现。本文采用了FPGA并行处理的思想，同时对逻辑中设计到的浮点运算进行了移位操作，极大的提高了运算速度，实现了图像的半透明叠加效果的实时显示。可以在高清图像显示领域中实现视频和半透明滚动字幕的叠加，以及多路视频的实时叠加处理。

1 Alpha算法

Alpha通道是一个8位的灰度通道，该通道用256灰度来记录图像中透明度信息、定义透明、不透明和半透明区域，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)分别代表图像A的RGB分量的原色值，R(B)、G(B)、B(B)分别代表图像B的RGB分量的原色值，R(C)、G(C)、B(C)分别代表混合后图像C的RGB分量的原色值。

alpha为图像的透明度系数，取值为0—1，1为完全透明，0为完全不透明，改变这个值可以得到一个渐变的效果。

透明度alpha的计算。颜色在本质地上是光的产物，可以把透明度理解为玻璃的透光性。例如一个alpha=0.2的颜色，可以将其想象为透光率为80%的彩色玻璃。透过这块玻璃看去，由于80%的光都透过了，因此留下来的颜色只剩20%，即所谓系数为0.2的alpha。

2 Matlab验证效果

现在通过Matlab来进行两幅图片叠加验证。

将alpha设为0.4和0.6的颜色进行叠加。这时相当于叠加了两块玻璃，一块透光率为60%，另一块为40%。一道光束穿过，经过60%透光率玻璃时，光线强度剩下80%，再经过40%透光率玻璃时，光线进一步被削弱，只剩下60%*40%=24%。这意味着合成的图片有24%的透明性。

两幅图片的分辨率都是1 024*768，叠加后处理效果图如下：

由效果图可以看出，实现了海鸥在蓝天白云中飞翔的半透明效果。由于蓝天白云图片alpha为0.4，海鸥图片alpha为0.6，所以海鸥透明度明显高于蓝天白云。随着蓝天白云alpha值的提高，透明度也会提升，相反海鸥透明度会随之降低。

虽然实现了半透明叠加效果，但由于图片分辨率过高，Matlab要对每个像素点的RGB三通道分别进行alpha算法公式运算，最后输出合成图片，用了大约0.75 s的时间。对视频图像无法做到实时处理的效果。因此，考虑用FPGA硬件设计来实现此算法。

3 FPGA硬件实现

本设计硬件采用的市面上常用的开发板，主控芯片是ALTERA公司的Cycelone IV，并带有VGA，百兆网口，RS232串口等一系列接口。FPGA内部产生两幅图片同时进行半透明化叠加，并且通过开发板上的按键来控制alpha系数，从而实现调节两幅图片的之间的透明度，最后在VGA显示器进行显示。

3.1 逻辑设计整体框图

整体框图包括3个模块，alpha_control模块、vga_display模块和vga_driver模块

alpha_control模块：通过外部按键控制alpha半透明参数，实现两幅叠加图片之间透明度实时转换。

vga_display模块：由于FPGA内部的memory容量有限，无法存储高分辨图片，因此通过此模块生成两幅图片，并实现半透明图片的叠加，然后送到VGA显示器进行实时显示。

vga_driver模块：驱动VGA[5]工作在预定的分辨率下，这里驱动显示器工作在1024*768@65MHz的分辨率下。

3.2 VGA驱动原理

VGA驱动本质就是在一定工作频率下，产生准确的时序关系包括：VS-垂直同步信号，HS-水平同步信号，消隐信号之间的关系。

在VGA显示过程中，完成一行扫描所要的时间为水平扫描时间，完成一帧扫描所需要的时间称为垂直扫描时间。每扫描完一行用行同步信号进行同步;扫描完所有行后用场同步信号进行同步。本文设计采用的是1024*768@65MHz模式。依据时序标准，每显示行包含1344个点，其中1024为显示有效区，320点为消隐区，每行的行同步脉冲低电平宽度为136个像素点;同理每场有806行，有效行为768，其中场同步脉冲低电平宽度为6行。

如上图所示，每一场的扫描都包含若干个行扫描，如此往复循环。

3.3 Alpha算法verilog实现

为了实现快速运算，这里将透明比例按2的N次幂来分级(Alpha=1/256)，同时进行了移位算法，式(1)、式(2)、式(3)变为以下公式：

代码一开始产生了2幅图片：vga_data_ff1为VGA水平驱动vga_xpos与垂直驱动vga_ypos乘积产生的分形图;vga_data_ff2为彩条图形，这是将VGA水平驱动vga_xpos分为8部分，分别对应黑、蓝、品、绿、黄、红、紫、白8种颜色。

然后对每个像素的RGB三通道分别进行alpha算法公式运算，叠加后生成16bit的红色通道的red_data，绿色通道gre_data和蓝色通道blu_data。

最后选取红色通道red_data低5位，绿色通道gre_data低6位，蓝色通道blu_data低5位组成RGB565格式图像送到VGA进行显示。

3.4 显示效果

显示效果如图4所示。由效果图可以看出本设计完美实现了实时的半透明图形的叠加，此时即可以看到分形图，又可以看到8条彩条，二者相互融合。

本设计即验证了Alpha混合算法的正确性，又满足了高清图像半透明叠加融合的实时需求。

4 结论

为解决高清领域中涉及到的图像实时叠加和半透明字幕滚动等问题，本设计利用FPGA并行处理的思想，同时对逻辑中设计到的浮点运算进行了移位操作，极大的提高了运算速度，实现了图像的半透明叠加效果的实时显示。同时对实现多路高清视频叠加显示，也有很大的借鉴意义。