C++影像處理 — 映像合成

閱讀提示：

    《C++影像處理》系列以代碼清晰，可讀性為主，全部使用C++代碼。

    《Delphi影像處理》系列以效率為側重點，一般代碼為PASCAL，核心代碼採用BASM。

    儘可能保持二者內容一致，可相互對照。

    本文代碼必須包括《C++影像處理 -- 資料類型及公用函數》文章中的BmpData.h標頭檔。

 

    在影像處理過程中，映像的合成操作是使用頻率最高的，像顯示、映像拷貝、映像拼接以及的圖層拼合疊加等。

    映像合成，其實也就是映像像素顏色的混合，在Photoshop中，顏色混合是個很複雜的東西，不同的混合模式，將產生不同的合成效果，如果將之全部研究透徹，估計就得寫一本書。因此，本文只談談最基本的映像合成，也就是Photoshop中的正常混合模式。

    只要接觸過影像處理的，都知道有個映像像素混合公式：

    1）dstRGB = srcRGB * alpha + dstRGB * (1 - alpha)

    其中，dstRGB為靶心圖表像素值；srcRGB為源映像素值；alpha為源映像素值混合比例（不透明度，範圍0 - 1）。

    其實，這個像素混合公式有很大局限性，只適合不含Alpha資訊的映像。

    要處理包括帶Alpha通道映像（層）的混合，其完整的公式應該是：

    2-1）srcRGB = srcRGB * srcAlpha * alpha / 255      （源映像素預乘轉換為PARGB）

    2-2）dstRGB = dstRGB * dstAlpha / 255    （靶心圖表像素預乘轉換為PARGB）

    2-3）dstRGB = dstRGB + srcRGB - dstRGB * srcAlpha * alpha / 255    （源映像素值與靶心圖表像素值混合）

    2-4）dstAlpha = dstAlpha + srcAlpha * alpha - dstAlpha * srcAlpha * alpha / 255    （混合後的靶心圖表Alpha通道值）

    2-5）dstRGB = dstRGB * 255 / dstAlpha    （混合後的靶心圖表像素轉換為ARGB）

    其中，dstRGB為靶心圖表像素值；srcRGB為源映像素值；dstAlpha為靶心圖表Alpha通道值；srcAlpha為源圖Alpha通道值；dstARGB為含Alpha靶心圖表像素值；alpha為源映像素值混合比例（不透明度，範圍0 - 1）。

    將公式2中的2-1式代入2-3式，簡化可得：

    3-1）dstRGB = dstRGB * dstAlpha / 255

    3-2）dstRGB = dstRGB +  (srcRGB - dstRGB) * srcAlpha * alpha / 255

    3-3）dstAlpha = dstAlpha + srcAlpha * alpha - dstAlpha * srcAlpha * alpha / 255

    3-4）dstRGB = dstRGB * 255 / dstAlpha

    當dstAlpha=srcAlpha=255時，公式3中3-1式、3-3式和3-4式沒有意義，3-2式也變化為：

   4）dstRGB = dstRGB +  (srcRGB - dstRGB) * alpha

    不難看出，公式4是公式1的變形。因此，公式1隻是公式3（或者公式2）在靶心圖表和源圖都不含Alpha資訊（或者Alpha=255）情況下的一個特例而已。

    當公式4中的alpha=1時，靶心圖表像素等於源映像素，所以，本文前面說映像拷貝其實也是映像合成的範疇。

    通過上面較詳細的分析，可以看出，即使是最基本正常映像混合模式也是很複雜的。其實，上面還不是完整的分析，因為按照靶心圖表Alpha資訊、源圖Alpha資訊以及源圖合成比例等三個要素的完全的排列組合，最多可以派生8個公式。

    下面就按正常混合模式的全部8種情況（有2項重合，實際為7種情況）來分別進行代碼實現，也可完善和補充上面的文字敘述：

//---------------------------------------------------------------------------FORCEINLINEstatic VOID ARGBMixer(PARGBQuad pd, CONST PARGBQuad ps, INT alpha){pd->Blue += (((ps->Blue - pd->Blue) * alpha + 127) / 255);pd->Green += (((ps->Green - pd->Green) * alpha + 127) / 255);pd->Red += (((ps->Red - pd->Red) * alpha + 127) / 255);}//---------------------------------------------------------------------------FORCEINLINEstatic VOID PARGBMixer(PARGBQuad pd, CONST PARGBQuad ps, INT alpha){pd->Blue = (pd->Blue * pd->Alpha + 127) / 255;pd->Green = (pd->Green * pd->Alpha + 127) / 255;pd->Red = (pd->Red * pd->Alpha + 127) / 255;pd->Blue += (((ps->Blue - pd->Blue) * alpha + 127) / 255);pd->Green += (((ps->Green - pd->Green) * alpha + 127) / 255);pd->Red += (((ps->Red - pd->Red) * alpha + 127) / 255);pd->Alpha += (alpha - (pd->Alpha * alpha + 127) / 255);pd->Blue = pd->Blue * 255 / pd->Alpha;pd->Green = pd->Green * 255 / pd->Alpha;pd->Red = pd->Red * 255 / pd->Alpha;}//---------------------------------------------------------------------------// source alpha = false, dest alpha = false, alpha < 255static VOID Mixer0(BitmapData *dest, CONST BitmapData *source, INT alpha){PARGBQuad pd, ps;UINT width, height;INT dstOffset, srcOffset;GetDataCopyParams(dest, source, width, height, pd, ps, dstOffset, srcOffset);for (UINT y = 0; y < height; y ++, pd += dstOffset, ps += srcOffset){for (UINT x = 0; x < width; x ++, pd ++, ps ++)ARGBMixer(pd, ps, alpha);}}//---------------------------------------------------------------------------// source alpha = false, dest alpha = false, alpha = 255// source alpha = false, dest alpha = true, alpha = 255static VOID Mixer1(BitmapData *dest, CONST BitmapData *source, INT alpha){PARGBQuad pd, ps;UINT width, height;INT dstOffset, srcOffset;GetDataCopyParams(dest, source, width, height, pd, ps, dstOffset, srcOffset);for (UINT y = 0; y < height; y ++, pd += dstOffset, ps += srcOffset){for (UINT x = 0; x < width; x ++, *pd ++ = *ps ++);}}//---------------------------------------------------------------------------// source alpha = false, dest alpha = true, alpha < 255static VOID Mixer2(BitmapData *dest, CONST BitmapData *source, INT alpha){PARGBQuad pd, ps;UINT width, height;INT dstOffset, srcOffset;GetDataCopyParams(dest, source, width, height, pd, ps, dstOffset, srcOffset);for (UINT y = 0; y < height; y ++, pd += dstOffset, ps += srcOffset){for (UINT x = 0; x < width; x ++, pd ++, ps ++)PARGBMixer(pd, ps, alpha);}}//---------------------------------------------------------------------------// source alpha = true, dest alpha = false, alpha < 255static VOID Mixer4(BitmapData *dest, CONST BitmapData *source, INT alpha){PARGBQuad pd, ps;UINT width, height;INT dstOffset, srcOffset;GetDataCopyParams(dest, source, width, height, pd, ps, dstOffset, srcOffset);for (UINT y = 0; y < height; y ++, pd += dstOffset, ps += srcOffset){for (UINT x = 0; x < width; x ++, pd ++, ps ++)ARGBMixer(pd, ps, (alpha * ps->Alpha + 127) / 255);}}//---------------------------------------------------------------------------// source alpha = true, dest alpha = false, alpha = 255static VOID Mixer5(BitmapData *dest, CONST BitmapData *source, INT alpha){PARGBQuad pd, ps;UINT width, height;INT dstOffset, srcOffset;GetDataCopyParams(dest, source, width, height, pd, ps, dstOffset, srcOffset);for (UINT y = 0; y < height; y ++, pd += dstOffset, ps += srcOffset){for (UINT x = 0; x < width; x ++, pd ++, ps ++)ARGBMixer(pd, ps, ps->Alpha);}}//---------------------------------------------------------------------------// source alpha = true, dest alpha = true, alpha < 255static VOID Mixer6(BitmapData *dest, CONST BitmapData *source, INT alpha){PARGBQuad pd, ps;UINT width, height;INT dstOffset, srcOffset;GetDataCopyParams(dest, source, width, height, pd, ps, dstOffset, srcOffset);for (UINT y = 0; y < height; y ++, pd += dstOffset, ps += srcOffset){for (UINT x = 0; x < width; x ++, pd ++, ps ++){INT alpha0 = (alpha * ps->Alpha + 127) / 255;if (alpha0)PARGBMixer(pd, ps, alpha0);}}}//---------------------------------------------------------------------------// source alpha = true, dest alpha = true, alpha = 255static VOID Mixer7(BitmapData *dest, CONST BitmapData *source, INT alpha){PARGBQuad pd, ps;UINT width, height;INT dstOffset, srcOffset;GetDataCopyParams(dest, source, width, height, pd, ps, dstOffset, srcOffset);for (UINT y = 0; y < height; y ++, pd += dstOffset, ps += srcOffset){for (UINT x = 0; x < width; x ++, pd ++, ps ++){if (ps->Alpha)PARGBMixer(pd, ps, ps->Alpha);}}}//---------------------------------------------------------------------------typedef VOID (*MixerProc)(BitmapData*, CONST BitmapData*, INT);// 映像合成。參數：32位目標資料，32位來源資料，不透明度(0 - 1.0)VOID ImageMixer(BitmapData *dest, CONST BitmapData *source, FLOAT alpha){INT alphaI = (INT)(alpha * 255);if (alphaI <= 0) return;if (alphaI > 255) alphaI = 255;MixerProc proc[] = {Mixer0, Mixer1, Mixer2, Mixer1, Mixer4, Mixer5, Mixer6, Mixer7};INT index = (alphaI / 255) |(HasAlphaFlag(dest) << 1) |(HasAlphaFlag(source) << 2);proc[index](dest, source, alphaI);}//---------------------------------------------------------------------------

    函數ImageMixer有三個參數，分別為靶心圖表資料結構（借用GDI+的BitmapData結構）指標、源圖資料結構指標和源映像素混合比例（不透明度，取值範圍為0 - 1）。函數體中的proc數組包括了映像混合的全部8種情況的子函數，而index則按混合比例、靶心圖表Alpha資訊和源圖Alpha資訊組合成子函數調用下標值（Alpha資訊在BitmapData結構的保留欄位中）。

    當然，在實際的運用中，全部8種情況似乎是多了點，可根據情況進行適當合并取捨，以兼顧代碼的複雜度和執行效率。下面是我認為比較合理的精簡版ImageMixer函數：

// 映像合成。參數：32位目標資料，32位來源資料，不透明度(0 - 1.0)VOID ImageMixer(BitmapData *dest, CONST BitmapData *source, FLOAT alpha){INT alphaI = (INT)(alpha * 255);if (alphaI <= 0) return;if (alphaI > 255) alphaI = 255;if (alphaI == 255 && !HasAlphaFlag(source))Mixer1(dest, source, alphaI);// 拷貝合成else if (HasAlphaFlag(dest))Mixer6(dest, source, alphaI);// PARGB合成elseMixer4(dest, source, alphaI);// ARGB合成}//---------------------------------------------------------------------------

    這個ImageMixer函數只保留了3個調用子函數，其中，Mixer6是完全的正常混合模式，即前面公式3的實現；Mixer4為對不含Alpha資訊靶心圖表的混合，即在公式4基礎上稍稍擴充了的情況；而Mixer1則為拷貝模式。

    下面是採用BCB2010和GDI+調用ImageMixer函數的例子：

//---------------------------------------------------------------------------void __fastcall TForm1::Button1Click(TObject *Sender){Gdiplus::Bitmap *dest =  new Gdiplus::Bitmap(L"d:\\xmas_011.png");Gdiplus::Bitmap *source =  new Gdiplus::Bitmap(L"d:\\Apple.png");Gdiplus::Graphics *g = new Gdiplus::Graphics(Canvas->Handle);g->DrawImage(dest, 0, 0);g->DrawImage(source, dest->GetWidth(), 0);BitmapData dst, src;LockBitmap(dest, &dst);LockBitmap(source, &src);ImageMixer(&dst, &src, 0.75);UnlockBitmap(source, &src);UnlockBitmap(dest, &dst);g->DrawImage(dest, dest->GetWidth() << 1, 0);delete g;delete source;delete dest;}//---------------------------------------------------------------------------

    下面是運行效果：

    左邊是靶心圖表，中間是源圖，右邊是源圖按不透明度0.75進行的正常混合。

 

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