レイヤ合成(1)

レイヤ合成
前回は、SPTK_IMAGE32 の内容をそのままウィンドウのイメージに転送して表示しましたが、アルファ値付きで描画して表示する場合や、複数のイメージを重ねて表示する場合は、それらのイメージを背景と合成して、その結果をウィンドウに表示する必要があります。

ペイントソフトでは、このように重ねて表示するためのイメージ一枚一枚を一般に「レイヤ」と呼びます。

ペイントソフト内では、以下のような構図になっています。

<レイヤ ...>
<レイヤ 2>
<レイヤ 1>
<背景>
 ↓
[合成結果のイメージ]
 ↓
[ウィンドウ表示用イメージ]

今回は、アルファ付きのイメージを背景と合成する、「アルファブレンド」を行います。
スクリーンショット


OPACITY のバーで、レイヤ自体の不透明度を変更できます。
ソースコード
使用画像 >> alphagrad.bmp

011_layer.c
#include "sptk.h"

#define WIDTH  200
#define HEIGHT 230

SPTK_IMAGE *winimg;
SPTK_IMAGE32 *layerimg,*blendimg;
int opacity = 255;

void blend_layer()
{
    int ix,iy,a;
    SPTK_PIX_RGBA *psrc,*pdst;
    
    psrc = layerimg->pixbuf;
    pdst = blendimg->pixbuf;
        
    for(iy = 0; iy < layerimg->h; iy++)
    {
        for(ix = 0; ix < layerimg->w; ix++)
        {
            a = psrc->a * opacity / 255;
        
            pdst->r = (psrc->r - pdst->r) * a / 255 + pdst->r;
            pdst->g = (psrc->g - pdst->g) * a / 255 + pdst->g;
            pdst->b = (psrc->b - pdst->b) * a / 255 + pdst->b;
        
            psrc++;
            pdst++;
        }
    }
}

void draw()
{
    sptk_image32_fill_plaid(blendimg, 0, 0, 200, 200);
    
    blend_layer();

    sptk_image32_blt_image(blendimg, 0, 0, 200, 200, winimg, 0, 0);
    sptk_update(NULL, 0, 0, 200, 200, 5);
}

void bar_handle(SPTK_WIDGET *wg,int type,int pos)
{
    if(opacity != pos)
    {
        opacity = pos;
        draw();
    }
}

int main()
{
    sptk_init("test", WIDTH, HEIGHT);
    
    winimg = sptk_window_get_image();
    
    layerimg = sptk_image32_load_bitmap("alphagrad.bmp");
    if(!layerimg) sptk_errexit("cannot load bitmap file");
    
    blendimg = sptk_image32_create(200, 200);
    
    sptk_image_text(winimg, 5, 210, "OPACITY", -1, 0);
        
    sptk_widget_bar_create(0, 55, 208, 135, 15, 0, 255, 255, bar_handle);
    
    draw();
    
    sptk_run();
    
    sptk_image32_free(layerimg);
    sptk_image32_free(blendimg);

    return 0;
}
解説
今回は、レイヤのイメージとして、アルファ値をグラデーションさせた 32bit のビットマップ画像 "alphagrad.bmp" を読み込んで使用します。

また、バーで合成の適用量を変更することができます。
合成結果用のイメージ
まず、レイヤのイメージとは別に、合成結果用のイメージを作成する必要があります。
今回は、SPTK_IMAGE32 *blendimg が合成結果用のイメージです。

合成結果のイメージでは、アルファ値は必要ないので、R,G,B の値だけあればよいのですが、新たに RGB 24bit のイメージフォーマットを作るのも面倒なので、今回は SPTK_IMAGE32 を使います。

出来るだけメモリ負担を軽くしたいのであれば、RGB のみのフォーマットのイメージを作って、そこに合成結果を格納するようにしてください。
手順
レイヤ合成の手順としては、最初に合成結果用イメージに背景を描画し、その後、下層にあるレイヤから順に合成していきます。

今回は背景をチェック柄にするので、まず sptk_image32_fill_plaid()blendimg 全体をチェック柄で塗りつぶします。

void sptk_image32_fill_plaid(SPTK_IMAGE32 *img,int x,int y,int w,int h)

その後、blend_layer() で背景イメージとレイヤを合成します。

これで合成結果は完成したので、blendimg をウィンドウのイメージへ転送し、更新します。
SPTK_IMAGE32
レイヤ合成の処理を説明する前に、SPTK_IMAGE32 のイメージバッファを直接操作する方法を説明します。

SPTK_IMAGE32 自体は以下のように定義されています。

typedef struct _SPTK_IMAGE32
{
    SPTK_PIX_RGBA *pixbuf;
    int w,h;
}SPTK_IMAGE32;

SPTK_IMAGE32 では、1px が 4 Byte、R-G-B-A 順に格納されているので、そのままバイト単位で操作しても良いですが、SPTK_PIX_RGBA を使ってピクセルの値を扱うと、わかりやすくなります。

typedef union _SPTK_PIX_RGBA
{
    struct { uint8_t r,g,b,a; };
    uint8_t c[4];
}SPTK_PIX_RGBA;

SPTK_PIX_RGBA は、共用体で宣言されています。
r,g,b,a で直接名前を指定して扱うか、c[4] で配列として扱うこともできます。
合成の計算方法
合成の計算方法を説明します。

RGB の色をアルファ値 A の不透明度で背景の RGB の色と合成して、RGB の結果を得る場合、基本の計算式は以下のようになります。

SRC : 合成元
DST : 合成先
A : 0.0〜1.0

R = SRC_R * A + DST_R * (1 - A)
G = SRC_G * A + DST_G * (1 - A)
B = SRC_B * A + DST_B * (1 - A)

"アルファ値 (不透明度) が最小値 (0) なら合成元の色は全く適用されない"、
"アルファ値が最大値 (1) なら合成元の色がそのまま適用されて合成先の色は適用されない"、
ということになりますから、
合成元の色にはアルファ値を掛けて、合成先の色にはアルファ値を反転したものを掛けます。

この式を使って RGBA を 0〜255 の範囲に直すと、以下のようになります。

R = SRC_R * A / 255 + DST_R * (255 - A) / 255
...

割り算が2回入っていますし、ちょっと複雑ですね。
少し高速化を考えてみましょう。

元の式を見てみると、* (1 - A) の部分が展開できそうです。

R = SRC_R * A + DST_R * (1 - A)
  = SRC_R * A + (DST_R - DST_R * A)
  = (SRC_R * A - DST_R * A) + DST_R
  = (SRC_R - DST_R) * A + DST_R

式が単純化出来ました。
これを 0〜255 の範囲にしてみます。

R = (SRC_R - DST_R) * A / 255 + DST_R

乗算・除算が一回で済みました。
合成では基本的にこの式を使うことにします。
blend_layer()
blend_layer() で、実際のレイヤ合成を行っています。

void blend_layer()
{
    int ix,iy,a;
    SPTK_PIX_RGBA *psrc,*pdst;
    
    psrc = layerimg->pixbuf;
    pdst = blendimg->pixbuf;
        
    for(iy = 0; iy < layerimg->h; iy++)
    {
        for(ix = 0; ix < layerimg->w; ix++)
        {
            a = psrc->a * opacity / 255;
        
            pdst->r = (psrc->r - pdst->r) * a / 255 + pdst->r;
            pdst->g = (psrc->g - pdst->g) * a / 255 + pdst->g;
            pdst->b = (psrc->b - pdst->b) * a / 255 + pdst->b;
        
            psrc++;
            pdst++;
        }
    }
}

psrc は合成元ということで、レイヤイメージ。
pdst は合成先ということで、合成結果用イメージ。

R,G,B の値は前述の計算式どおりに計算しています。

なお、今回は合成の適用度も変更できるようになっています。
現在の適用量 (レイヤの不透明度) は opacity (0〜255) に入っています。
レイヤの各ピクセルのアルファ値にその適用量を掛けることで、全体の不透明度を調節しています。
実際の実装
なお、RGB やアルファ値、レイヤの不透明度の値は、0〜255 の範囲で固定しなければならないというわけではありません。
RGB を 16bit カラーにして精度を増やしたい場合や、逆に速度重視で処理を高速化したい場合もあります。
値の範囲は、用途に応じて好きなように決めてください。

高速化に関しては、除算をシフト演算で置き換えるために、値の範囲を「0〜 2 の n 乗」にするという手段があります。
不透明度を「0〜256」の範囲にすれば、/255>>8 で置き換えて高速化できます。

色の精度やメモリ負担、処理速度など、色々な要素を考えてそれに応じた方法を選択することができます。