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elseMixer4(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：