C++图像处理 -- 图像合成
阅读提示：
《C++图像处理》系列以代码清晰，可读性为主，全部使用C++代码。
《Delphi图像处理》系列以效率为侧重点，一般代码为PASCAL，核心代码采用BASM。
尽可能保持二者内容一致，可相互对照。
本文代码必须包括《C++图像处理 -- 数据类型及公用函数》文章中的BmpData.h头文件。
在图像处理过程中，图像的合成操作是使用频率最高的，如图像显示、图像拷贝、图像拼接以及的图层拼合叠加等。
图像合成，其实也就是图像像素颜色的混合，在Photoshop中，颜色混合是个很复杂的东西，不同的混合模式，将产生不同的合成效果，如果将之全部研究透彻，估计就得写一本书。因此，本文只谈谈最基本的图像合成，也就是Photoshop中的正常混合模式。
只要接触过图像处理的，都知道有个图像像素混合公式：
1）dstRGB = srcRGB * alpha + dstRGB * (1 - alpha)
其中，dstRGB为目标图像素值；srcRGB为源图像素值；alpha为源图像素值混合比例（不透明度，范围0 - 1）。
其实，这个像素混合公式有很大局限性，只适合不含Alpha信息的图像。
要处理包括带Alpha通道图像（层）的混合，其完整的公式应该是：
2-1）srcRGB = srcRGB * srcAlpha * alpha / 255 （源图像素预乘转换为PARGB）
2-2）dstRGB = dstRGB * dstAlpha / 255 （目标图像素预乘转换为PARGB）
2-3）dstRGB = dstRGB + srcRGB - dstRGB * srcAlpha * alpha / 255 （源图像素值与目标图像素值混合）
2-4）dstAlpha = dstAlpha + srcAlpha * alpha - dstAlpha * srcAlpha * alpha / 255 （混合后的目标图Alpha通道值）
2-5）dstRGB = dstRGB * 255 / dstAlpha （混合后的目标图像素转换为ARGB）
其中，dstRGB为目标图像素值；srcRGB为源图像素值；dstAlpha为目标图Alpha通道值；srcAlpha为源图Alpha通道值；dstARGB为含Alpha目标图像素值；alpha为源图像素值混合比例（不透明度，范围0 - 1）。
将公式2中的2-1式代入2-3式，简化可得：
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
当dstAlpha=srcAlpha=255时，公式3中3-1式、3-3式和3-4式没有意义，3-2式也变化为：
4）dstRGB = dstRGB + (srcRGB - dstRGB) * alpha
不难看出，公式4是公式1的变形。因此，公式1只是公式3（或者公式2）在目标图和源图都不含Alpha信息（或者Alpha=255）情况下的一个特例而已。
当公式4中的alpha=1时，目标图像素等于源图像素，所以，本文前面说图像拷贝其实也是图像合成的范畴。
通过上面较详细的分析，可以看出，即使是最基本正常图像混合模式也是很复杂的。其实，上面还不是完整的分析，因为按照目标图Alpha信息、源图Alpha信息以及源图合成比例等三个要素的完全的排列组合，最多可以派生8个公式。
下面就按正常混合模式的全部8种情况（有2项重合，实际为7种情况）来分别进行代码实现，也可完善和补充上面的文字叙述：
//---------------------------------------------------------------------------
FORCEINLINE
static 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);
}
//---------------------------------------------------------------------------
FORCEINLINE
static 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 < 255
static 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 = 255
static 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 < 255
static 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 < 255
static 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 = 255
static 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 < 255
static 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 = 255
static 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);
// 图像合成。参数：32位目标数据，32位源数据，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);
}
//---------------------------------------------------------------------------
函数ImageMixer有三个参数，分别为目标图数据结构（借用GDI+的BitmapData结构）指针、源图数据结构指针和源图像素混合比例（不透明度，取值范围为0 - 1）。函数体中的proc数组包括了图像混合的全部8种情况的子函数，而index则按混合比例、目标图Alpha信息和源图Alpha信息组合成子函数调用下标值（Alpha信息在BitmapData结构的保留字段中）。
当然，在实际的运用中，全部8种情况似乎是多了点，可根据情况进行适当合并取舍，以兼顾代码的复杂度和执行效率。下面是我认为比较合理的精简版ImageMixer函数：
// 图像合成。参数：32位目标数据，32位源数据，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); // 拷贝合成
else if (HasAlphaFlag(dest))
Mixer6(dest, source, alphaI); // PARGB合成
else
Mixer4(dest, source, alphaI); // ARGB合成
}
//---------------------------------------------------------------------------
这个ImageMixer函数只保留了3个调用子函数，其中，Mixer6是完全的正常混合模式，即前面公式3的实现；Mixer4为对不含Alpha信息目标图的混合，即在公式4基础上稍稍扩充了的情况；而Mixer1则为拷贝模式。
下面是采用BCB2010和GDI+调用ImageMixer函数的例子：
//---------------------------------------------------------------------------
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;
}
//---------------------------------------------------------------------------
下面是运行效果截图：
左边是目标图，中间是源图，右边是源图按不透明度0.75进行的正常混合。
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