Delphi图像处理 -- 图像合成
阅读提示：
《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。
《C++图像处理》系列以代码清晰，可读性为主，全部使用C++代码。
尽可能保持二者内容一致，可相互对照。
本文代码必须包括文章《Delphi图像处理 -- 数据类型及公用过程》中的ImageData.pas单元。
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：
unit main;
interface
uses
Windows, Messages, SysUtils, Variants, Classes, Graphics, Controls, Forms,
Dialogs, StdCtrls;
type
TForm1 = class(TForm)
Button1: TButton;
Button2: TButton;
procedure Button1Click(Sender: TObject);
procedure Button2Click(Sender: TObject);
private
{ Private declarations }
public
{ Public declarations }
end;
var
Form1: TForm1;
implementation
uses Gdiplus, ImageData, Jpeg;
{$R *.dfm}
procedure _SetMixerMM;
asm
pxor mm7, mm7
mov eax, 1011h
movd mm6, eax
pshufw mm6, mm6, 0
mov eax, 8
movd mm5, eax
pshufw mm5, mm5, 0
end;
// --> mm7 4 * word = 0
// --> mm6 4 * word = 0x1101
// --> mm5 4 * word = 4
// --> eax source alpha
// --> esi source pixel (ARGB)
// --> edi dest pixel (ARGB)
// <-- eax dest alpha !!!
// <-- mm0 dest pixel
procedure _PARGBMixer(srcAlpha: Integer);
asm
push edx
movd mm0, [esi]
movd mm1, [edi]
punpcklbw mm0, mm7
punpcklbw mm1, mm7
// dest.rgb = dest.rgb * dest.alpha / 255
movzx edx, [edi].TARGBQuad.Alpha
pmullw mm1, qword ptr ArgbTab[edx*8]
pmulhuw mm1, mm6
paddusw mm1, mm5
psrlw mm1, 4
// dest.rgb = (dest.rgb * 255 + (source.rgb - dest.rgb) * sourec.alpha) / 255
psubw mm0, mm1
pmullw mm0, qword ptr ArgbTab[eax*8]
pmullw mm1, qword ptr ArgbTab[255*8]
paddw mm0, mm1
pmulhuw mm0, mm6
paddusw mm0, mm5
psrlw mm0, 4
// dest.alpha += (source.alpha - (dest.alpha * source.alpha + 127) / 255)
push eax
add [esp], edx
imul eax, edx
add eax, 127
mul dword ptr DivTab[255*4]
pop eax
sub eax, edx
// dest.rgb = dest.rgb * 255 / dest.alpha
movq mm1, mm0
psllw mm0, 8
psubw mm0, mm1
pmulhuw mm0, qword ptr MMDivTab[eax*8]
packuswb mm0, mm7
pop edx
end;
// --> mm7 4 * word = 0
// --> eax source alpha
// --> esi source pixel (ARGB)
// --> edi dest pixel (ARGB)
// <-- mm0 dest pixel (RGB)
procedure _ARGBMixer(srcAlpha: Integer);
asm
movd mm0, [esi]
movd mm1, [edi]
punpcklbw mm0, mm7
punpcklbw mm1, mm7
psubw mm0, mm1
pmullw mm0, qword ptr ArgbTab[eax*8]
psllw mm1, 8
paddw mm0, mm1
psrlw mm0, 8
packuswb mm0, mm0
end;
procedure _DoMixer(var Dest: TImageData; const Source: TImageData; Alpha: Integer);
var
dstOffset, srcOffset:Integer;
alphaI: Integer;
dst: PImageData;
asm
push esi
push edi
push ebx
mov dst, eax
mov alphaI, ecx
shr ecx, 8
movzx ebx, [eax].TImageData.AlphaFlag
shl ebx, 1
or ecx, ebx
movzx ebx, [edx].TImageData.AlphaFlag
shl ebx, 2
or ecx, ebx
push ecx
call _SetCopyRegs
mov srcOffset, eax
pop eax
jmp dword ptr [@@jmpTable+eax*4]
@@jmpTable:
dd @@mixer0, @@mixer1, @@mixer2, @@mixer3, @@mixer4, @@mixer5, @@mixer6, @@mixer7
// src = 0, dst = 0, alpha = 0
@@mixer0:
mov eax, alphaI
movq mm2, qword ptr ArgbTab[eax*8]
mov eax, srcOffset
pxor mm7, mm7
@@yLoop0:
push ecx
@@xLoop0:
movd mm0, [esi]
movd mm1, [edi]
punpcklbw mm0, mm7
punpcklbw mm1, mm7
psubw mm0, mm1
pmullw mm0, mm2
psllw mm1, 8
paddw mm0, mm1
psrlw mm0, 8
packuswb mm0, mm0
movd [edi], mm0
mov [edi].TARGBQuad.Alpha, 255
add esi, 4
add edi, 4
loop @@xLoop0
add esi, eax
add edi, ebx
pop ecx
dec edx
jnz @@yLoop0
jmp @@End
// src = 0, dst = 0, alpha = 1
@@mixer1:
// src = 0, dst = 1, alpha = 1
@@mixer3:
mov eax, srcOffset
@@yLoop1:
push ecx
rep movsd
pop ecx
add esi, eax
add edi, ebx
dec edx
jnz @@yLoop1
jmp @@End
mov eax, dst
mov [eax].TImageData.AlphaFlag, False
jmp @@Exit
// src = 0, dst = 1, alpha = 0
@@mixer2:
call _SetMixerMM
mov eax, alphaI
imul eax, 255
shr eax, 8
@@yLoop2:
push ecx
@@xLoop2:
push eax
call _PARGBMixer
movd [edi], mm0
mov [edi].TARGBQuad.Alpha, al
pop eax
add esi, 4
add edi, 4
loop @@xLoop2
add esi, srcOffset
add edi, ebx
pop ecx
dec edx
jnz @@yLoop2
jmp @@End
// src = 1, dst = 0, alpha = 0
@@mixer4:
mov dstOffset, ebx
mov ebx, alphaI
pxor mm7, mm7
@@yLoop4:
push ecx
@@xLoop4:
movzx eax, [esi].TARGBQuad.Alpha
imul eax, ebx
shr eax, 8
jz @@Next4
call _ARGBMixer
movd [edi], mm0
mov [edi].TARGBQuad.Alpha, 255
@@Next4:
add esi, 4
add edi, 4
loop @@xLoop4
add esi, srcOffset
add edi, dstOffset
pop ecx
dec edx
jnz @@yLoop4
jmp @@End
// src = 1, dst = 0, alpha = 1
@@mixer5:
pxor mm7, mm7
@@yLoop5:
push ecx
@@xLoop5:
movzx eax, [esi].TARGBQuad.Alpha
call _ARGBMixer
movd [edi], mm0
mov [edi].TARGBQuad.Alpha, 255
add esi, 4
add edi, 4
loop @@xLoop5
add esi, srcOffset
add edi, ebx
pop ecx
dec edx
jnz @@yLoop5
jmp @@End
// src = 1, dst = 1, alpha = 0
@@mixer6:
mov dstOffset, ebx
mov ebx, alphaI
call _SetMixerMM
@@yLoop6:
push ecx
@@xLoop6:
movzx eax, [esi].TARGBQuad.Alpha
imul eax, ebx
shr eax, 8
jz @@Next6
call _PARGBMixer
movd [edi], mm0
mov [edi].TARGBQuad.Alpha, al
@@Next6:
add esi, 4
add edi, 4
loop @@xLoop6
add esi, srcOffset
add edi, dstOffset
pop ecx
dec edx
jnz @@yLoop6
jmp @@End
// src = 1, dst = 1, alpha = 1
@@mixer7:
call _SetMixerMM
@@yLoop7:
push ecx
@@xLoop7:
movzx eax, [esi].TARGBQuad.Alpha
call _PARGBMixer
movd [edi], mm0
mov [edi].TARGBQuad.Alpha, al
add esi, 4
add edi, 4
loop @@xLoop7
add esi, srcOffset
add edi, ebx
pop ecx
dec edx
jnz @@yLoop7
@@End:
emms
@@Exit:
pop ebx
pop edi
pop esi
end;
procedure ImageMixer(var Dest: TImageData; const Source: TImageData; Alpha: Single);
var
alphaI: Integer;
begin
alphaI := Round(Alpha * 256);
if alphaI < 0 then Exit;
if alphaI > 256 then alphaI := 256;
_DoMixer(Dest, Source, alphaI);
end;
procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);
var
source, dest: TGpBitmap;
g: TGpGraphics;
src, dst: TImageData;
begin
source := TGpBitmap.Create('..\..\media\Apple.png');
dest := TGpBitmap.Create('..\..\media\xmas_011.png');
g := TGpGraphics.Create(Canvas.Handle);
g.DrawImage(dest, 0, 0);
g.DrawImage(source, dest.Width, 0);
src := LockGpBitmap(source);
dst := LockGpBitmap(dest);
ImageMixer(dst, src, 0.75);
UnlockGpBitmap(dest, dst);
UnlockGpBitmap(source, src);
g.DrawImage(dest, dst.Width + src.Width, 0);
g.Free;
dest.Free;
source.Free;
end;
procedure TForm1.Button2Click(Sender: TObject);
var
source: TGpBitmap;
dest: TBitmap;
tmp: TJpegImage;
g: TGpGraphics;
src, dst: TImageData;
begin
dest := TBitmap.Create;
tmp := TJpegImage.Create;
tmp.LoadFromFile('..\..\media\IMG_9440_mf.jpg');
dest.Assign(tmp);
tmp.Free;
source := TGpBitmap.Create('..\..\media\xmas_011.png');
g := TGpGraphics.Create(Canvas.Handle);
Canvas.Draw(0, 0, dest);
g.DrawImage(source, dest.Width, 0);
dst := GetBitmapData(dest);
src := LockGpBitmap(source);
ImageMixer(dst, src, 1);
UnlockGpBitmap(source, src);
Canvas.Draw(dst.Width + src.Width, 0, dest);
g.Free;
dest.Free;
source.Free;
end;
end.
上面是一个完整Delphi程序，在_DoMixer过程中，定义了7个图像合成子过程，以满足全部8种排列组合的图像合并。除了@@Mixer0和@@Mixer1子过程外，其余子过程分别调用了 _ARGBMixer和_PARGBMixer过程，其实@@Mixer0中的处理代码与 _ARGBMixer过程基本是相同的，也就是说，7个子过程分别使用了三种处理方式：
一是@@Mixer1的完全拷贝方式；
二是目标图不含Alpha信息，将源图按像素的Alpha信息或者给定的不透明度混合到目标图的_ARGBMixer过程，该过程使用的是前面公式1或公式4的简化公式。
三是目标图为带Alpha信息的处理形式 _PARGBMixer，该过程使用前面的公式3。
如果嫌7个子过程太多，也可简化代码，只保留满足上述3种情况的子过程，即@@Mixer1、@@Mixer4和@@Mixer6，对处理效率影响不大。
上面程序中包含2个例子，前一个是用GDI+位图打开2张png图片后进行处理，这个处理调用的是@@Mixer6。运行效果截图如下：
后一个例子是对GDI+位图和VCL位图的混合处理，其中VCL位图是JPEG格式文件，这是没有Alpha信息的，这个例子运行效果截图如下：
《Delphi图像处理》系列使用GDI+单元下载地址和说明见文章《GDI+ for VCL基础 -- GDI+ 与 VCL》。
因水平有限，错误在所难免，欢迎指正和指导。邮箱地址：[email protected]
这里可访问《Delphi图像处理 -- 文章索引》。