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alpha混合

2019年08月28日 ⁄ 综合 ⁄ 共 4161字 ⁄ 字号 评论关闭
 

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alpha混合技术对熟悉游戏的人来说不会陌生,这种技术在如今的游戏特效里已经被用烂了。3D的游戏就不说了,2D的游戏里,这种技术也是满眼皆是。
  alpha混合听上去很神秘,实际非常简单,其作用就是要实现一种半透明效果。假设一种不透明东西的颜色是A,另一种透明的东西的颜色是B,那么透过B去看A,看上去的颜色C就是B和A的混合颜色,可以用这个式子来近似,设B物体的透明度为alpha(取值为0-1,0为完全透明,1为完全不透明)

R(C)=alpha*R(B)+(1-alpha)*R(A)
G(C)=alpha*G(B)+(1-alpha)*G(A)
B(C)=alpha*B(B)+(1-alpha)*B(A)

  R(x)、G(x)、B(x)分别指颜色x的RGB分量。看起来这个东西这么简单,可是用它实现的效果绝对不简单,应用alpha混合技术,可以实现出最眩目的火光、烟雾、阴影、动态光源等等一切你可以想象的出来的半透明效果。

  火光、烟雾的效果是事先做好一个火或雾的图和一个alpha通道图(用过Photoshop的人都该知道什么是alpha通道),画上去的时候每点每点计算,得到的就是火光掩映的效果。雾化效果在3D里还需要模糊一下,在这里就免了,本来alpha混合就有不小的计算量了,算法再不优化再加上模糊或其它的一些什么原因,那么你就是在看幻灯片了。(关于优化,网上见仁见智,我再找时候再讲)。

  动态光源,听起来高深的一塌。那我先讲一下阴影,这个就简单了,以往的游戏也有阴影(象《仙剑》),不过我们把它升一下级,从不透明变成半透明而已。就是把一个影子图放在地表上面作alpha混合(而且可以简化,因为影子的alpha值可以是一定的,这样就可以大幅提高计算速度)就OK了。

  该讲动态光源了。我们把没有光源的地方想象成一张黑幕蒙在屏幕上,没光也就什么都看不到。那么我们就加上一个光源,相当于在黑幕上挖了一个洞,这个洞的大小就是被照亮的范围,现在我们可以看到下面的东西了。但现在这个效果说是光源,倒不如说是个窗户,要显得象光源,就要让光源的中心最亮,逐渐向四周暗下去,最后到什么都看不见,这才象个光源。具体实现就是alpha混合啦,蒙版的颜色是黑,中心alpha值为0,完全透明,到光源的尽头alpha值为1,完全不透明,成果就是这个样子,象这么回事吧!光源做好了,动态的光源就是实时生成一个动态的alpha蒙版,然后盖上去就行了。

  不难吧!游戏里(其实也不只游戏,好多算法也是这样)的一些技术听起来很玄,说通了也就是那么回事,只不过不是一下子就能想到就是了。

  Diablo里面就大量应用了alpha混合技术(至少我看上去象),那些眩目的魔法产生出来的半透明效果,还有乱飞的火球照亮迷宫,每个火球也就是个小的光源,一堆光源产生出来的蒙版(就是对应的alpha相加,超过255就截断)再蒙上去。(真正的光源应该是这样的:当alpha值超过255时,alpha=alpha-255,alpha是一个Byte时也就是回绕,同时该点蒙版的色彩变为白色,这才是对的,不过简单起见,还是原来那样就可以了)。

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256色视频模式由于采用了调色板,在显存里存放的像素值实际上是是调色板的索引号,256色的BMP文件也与之类似,其数据域里存放的也是调色板的索引号,这种情况下给我们的Alpha混客带来极大的不方便。

    在实际的应用中,通常是选定一个固定的调色板,然后在这个调色板下进行绘图操作。这是因为一副图像在不同的调色板下有不同的显示效果,两个采用不同调色板的位图在一般情况下是不能同屏显示的。所以通常的情况是选择一个通用的调色板,在把各个位图都抖动处理为使用这个通用调色板的位图,从而解决了同屏显示的问题。这样看来,如何选择一个通用的调色板就是关键了。

    大家都知道VGA/SVGA的调色板寄存器通常为6 bits,每个寄存器存放一个颜色分量,一个RGB颜色向量就需要三个寄存器来存放,因此最多能表示 2^6*2^6*2^6=256k 种颜色,这个颜色范围是很大的。而VGA/SVGA只有256组调色板寄存器,,因此要在(0,0,0)-(63,63,63)这样一个向量空间中,精选出256个颜色向量。这有点和线性代数中求向量空间的基(极大无关组)类似。我们的任务也类似于要在(0,0,0)-(63,63,63)这个颜色空间中找出一个基。简单的说就是要找出256个颜色向量,组成一个颜色调色板,并且要使这256个颜色均匀分布于(0,0,0)-(63,63,63)这个空间中,并且还要保证其独立性。详细的做法这里不再探讨,而只给出一个比较通用的调色板。
    R(i)=(i/32%8)*9;
    G(i)=(i/4%8)*9;
    B(i)=(i%4)*21;
    其中i为寄存器组号,R(i)、G(i)、B(i)分别为该寄存器的RGB颜色分量值,这是一个从i到R(i)、G(i)、B(i)的变换式。
    由此可以写出其逆变换式:
    i=R/9*32+G/9*4+B/21;

    做一下优化,可以不做乘法和除法运算,得到如下式子:
    R(i)=(((i>>5)%8)<<3)+((i>>5)%8);
    G(i)=(((i>>2)4%8)<<3)+((i>>2)4%8);
    B(i)=((i%4)<<4)+((i%4)<<2)+(i%4);

    i=((R/9)<<5)+((G/9)<<2)+B/21;

    根据这两个变换式我们可以写出两个宏,用于求取对应(R,G,B)的颜色号i,和颜色号i对应的(R,G,B)值。
    #define RGB(r,g,b)  ((((r)/9)<<5)+(((g)/9)<<2)+(b)/21)
    #define ARGB(r,g,b) RGB(r+4,g+4,b+10)
    #define GETRGB(i,pr,pg,pb) {*(pr)=(((i>>5)%8)<<3)+((i>>5)%8);*(pg)=(((i>>2)4%8)<<3)+((i>>2)4%8);(*pb)=((i%4)<<4)+((i%4)<<2)+(i%4);}

    其中ARGB(Adjusted RGB)宏是对RGB宏的矫正,因为RGB宏存在误差。

    这样我们就建立起了i与(R,G,B)的对应关系,这我为我们的Alpha混合铺平了道路。

    现在再谈谈Alpha混合。Alpha混合指的是给定两个点P1、P2,其RGB颜色分量分别为(r1,g1,b1)和(r2,g2,b2),假定P1位于P2的后面,P2的透明度为a(0%<a<100%),要求我没透过点P2看到P1的颜色值是多少。假定该值为P3(r3,g3,b3),其计算公式如下:
    r3=(1-a)*r2+a*r1;
    g3=(1-a)*g2+a*g1;
    b3=(1-a)*b2+a*b1;
    这就是通常所说的Alpha混合。

    优化一下得到:
    r3=r2+a*(r1-r2);
    g3=g2+a*(g1-g2);
    b3=b2+a*(b1-b2);
    少做了一次乘法运算。但由于a为浮点数,运算起来仍然很慢,所以一般不采用上面的公式,而采用整数级的Alpha混合,如下:
    r2=r2+n*(r1-r2)/256;
    g2=g2+n*(g1-g2)/256;
    b2=b2+n*(b1-b2)/256;
    以上为256级Alpha混合公式,由于VGA/SVGA调色板寄存器为6bits,所以做256色的Alpha混合意义不大。

    而采用一下的64级Alpha混合公式:
    r2=r2+n*(r1-r2)/64;
    g2=g2+n*(g1-g2)/64;
    b2=b2+n*(b1-b2)/64;

    进一步优化为L:
    r2=r2+(n*(r1-r2)>>6);
    g2=g2+(n*(g1-g2)>>6);
    b2=b2+(n*(b1-b2)>>6);

    仅做了一次乘法运算,这样程序应该能跑得飞快了。

    下面给出混合一个点的Alpha算法:
    int Alpha(int p1,int p2,int n)
    {
        int c1[3];
        int c2[3];
        int c3[3];

        GETRGB(p1,c1,c1+1,c1+2);
        GETRGB(p2,c2,c2+1,c2+2);

        c3[0]=c2[0]+(n*(c1[0]-c2[0])>>6);
        c3[1]=c2[1]+(n*(c1[1]-c2[1])>>6);
        c3[2]=c2[2]+(n*(c1[2]-c2[2])>>6);

        return ARGB(c3[0],c3[1],c3[2]);
    }

    对半透明混合,可有如下更快的公式:
    r2=r2+((r1-r2)>>1);
    g2=g2+((g1-g2)>>1);
    b2=b2+((b1-b2)>>1);
    这个公式没有乘法和除法,半透明在游戏中运用也很广。

    以下是半透明的Alpha混合:
    int Alpha(int p1,int p2,int n)
    {
        int c1[3];
        int c2[3];
        int c3[3];

        GETRGB(p1,c1,c1+1,c1+2);
        GETRGB(p2,c2,c2+1,c2+2);

        c3[0]=c2[0]+((c1[0]-c2[0])>>1);
        c3[1]=c2[1]+((c1[1]-c2[1])>>1);
        c3[2]=c2[2]+((c1[2]-c2[2])>>1);

        return ARGB(c3[0],c3[1],c3[2]);
    }

    对于n级Alpha混合中的乘法运算,我们也有办法进一步优化,可以采用移位乘法的技术来实现快速的乘法运算,但性能提升不大,有兴趣的朋友可以自己查阅相关资料,这里不再详述。 

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