Класс AlphaComposite

public final class AlphaComposite extends Object implements Composite

Класс AlphaComposite реализует основные правила альфа-композиции для объединения цветов источника и назначения с целью получения эффектов смешивания и прозрачности при работе с графикой и изображениями. Конкретные правила, реализованные этим классом, представляют собой основной набор из 12 правил, описанных в статье Т. Портера и Т. Даффа «Compositing Digital Images», SIGGRAPH 84, 253–259. В остальной части этой документации предполагается, что читатель знаком с определениями и понятиями, изложенными в этой статье.

Этот класс расширяет стандартные уравнения, определённые Портером и Даффом, добавляя ещё один множитель. Экземпляр класса AlphaComposite может содержать значение альфа-канала, используемое для изменения непрозрачности или покрытия каждого пикселя источника перед его применением в уравнениях смешивания.

Важно отметить, что уравнения, определённые в статье Портера и Даффа, предназначены для работы с компонентами цвета, предварительно умноженными на соответствующие компоненты альфа-канала. Поскольку классы ColorModel и Raster позволяют хранить данные пикселей как в предварительно умноженном, так и в непредварительно умноженном виде, перед применением уравнений все входные данные необходимо нормализовать до предварительно умноженного вида, а все результаты может потребоваться преобразовать обратно в формат, необходимый для назначения, прежде чем сохранять значения пикселей.

Также обратите внимание, что этот класс определяет только уравнения для объединения значений цвета и альфа-канала в чисто математическом смысле. Точность применения этих уравнений зависит от способа извлечения данных из источников и их сохранения в назначениях. Дополнительные сведения см. в разделе Особенности реализации.

В описании уравнения смешивания в статье Портера и Даффа используются следующие множители:

Множители

Множитель	Определение
As	компонент альфа-канала пикселя источника
Cs	компонент цвета пикселя источника в предварительно умноженном виде
Ad	компонент альфа-канала пикселя назначения
Cd	компонент цвета пикселя назначения в предварительно умноженном виде
Fs	доля пикселя источника, которая участвует в формировании результата
Fd	доля пикселя назначения, которая участвует в формировании результата
Ar	компонент альфа-канала результата
Cr	компонент цвета результата в предварительно умноженном виде

Используя эти множители, Портер и Дафф определяют 12 способов выбора множителей смешивания F_s и F_d для получения каждого из 12 желаемых визуальных эффектов. Уравнения для определения F_s и F_d приведены в описаниях 12 статических полей, задающих визуальные эффекты. Например, в описании SRC_OVER указано, что F_s = 1 и F_d = (1-A_s). После того как известен набор уравнений для определения множителей смешивания, его можно применить к каждому пикселю для получения результата с помощью следующего набора уравнений:

     Fs = f(Ad)
     Fd = f(As)
     Ar = As*Fs + Ad*Fd
     Cr = Cs*Fs + Cd*Fd

Для обсуждения расширений уравнения смешивания из статьи Портера и Даффа будут использоваться следующие множители:

Множители

Множитель	Определение
Csr	одна из исходных компонент цвета пикселя источника
Cdr	одна из исходных компонент цвета пикселя назначения
Aac	«дополнительный» компонент альфа-канала экземпляра AlphaComposite
Asr	исходный компонент альфа-канала пикселя источника
Adr	исходный компонент альфа-канала пикселя назначения
Adf	итоговый компонент альфа-канала, сохранённый в назначении
Cdf	итоговый исходный компонент цвета, сохранённый в назначении

Подготовка входных данных

Класс AlphaComposite определяет дополнительное значение альфа-канала, применяемое к альфа-каналу источника. Это значение применяется так, как если бы к пикселю источника сначала применялось неявное правило SRC_IN относительно пикселя с указанным значением альфа-канала: исходный альфа-канал и исходные цвета источника умножаются на альфа-канал в AlphaComposite. В результате получается следующее уравнение для вычисления альфа-канала, используемого в уравнении смешивания Портера и Даффа:

     As = Asr * Aac 

Все исходные компоненты цвета источника необходимо умножить на альфа-канал в экземпляре AlphaComposite. Кроме того, если источник не был представлен в предварительно умноженном виде, компоненты цвета также необходимо умножить на альфа-канал источника. Следовательно, уравнение для вычисления компонентов цвета источника для уравнения Портера и Даффа зависит от того, представлены ли пиксели источника в предварительно умноженном виде:

     Cs = Csr * Asr * Aac     (if source is not premultiplied)
     Cs = Csr * Aac           (if source is premultiplied) 

Альфа-канал назначения не требует корректировки:

     Ad = Adr 

Компоненты цвета назначения нужно корректировать, только если они не представлены в предварительно умноженном виде:

     Cd = Cdr * Ad    (if destination is not premultiplied)
     Cd = Cdr         (if destination is premultiplied) 

Применение уравнения смешивания

Скорректированные значения A_s, A_d, C_s и C_d используются в стандартных уравнениях Портера и Даффа для вычисления множителей смешивания F_s и F_d, а затем результирующих предварительно умноженных компонентов A_r и C_r.

Подготовка результатов

Результаты требуется корректировать, только если они сохраняются обратно в буфер назначения, содержащий данные, не представленные в предварительно умноженном виде. Для этого используются следующие уравнения:

     Adf = Ar
     Cdf = Cr                 (if dest is premultiplied)
     Cdf = Cr / Ar            (if dest is not premultiplied) 

Обратите внимание, что деление не определено, если результирующий альфа-канал равен нулю. В этом случае деление опускается во избежание «деления на ноль», а все компоненты цвета устанавливаются в ноль.

Рекомендации по производительности

По соображениям производительности желательно, чтобы объекты Raster, передаваемые методу compose объекта CompositeContext, созданного классом AlphaComposite, содержали данные в предварительно умноженном виде. Однако, если исходный Raster или целевой Raster не представлены в предварительно умноженном виде, до и после операции композиции выполняются соответствующие преобразования.

Особенности реализации

• Многие источники, например некоторые типы непрозрачных изображений, перечисленные в классе BufferedImage, не хранят значения альфа-канала для своих пикселей. Для всех пикселей таких источников используется значение альфа-канала 1.0.
• Во многих назначениях также нет места для хранения значений альфа-канала, полученных в результате вычислений смешивания, выполняемых этим классом. Поэтому такие назначения неявно отбрасывают результирующие значения альфа-канала, полученные этим классом. Рекомендуется, чтобы такие назначения рассматривали хранимые значения цвета как не представленные в предварительно умноженном виде, делили результирующие значения цвета на результирующее значение альфа-канала перед сохранением цветов и отбрасыванием альфа-канала.
• Точность результатов зависит от способа хранения пикселей в назначении. Формат изображения, обеспечивающий не менее 8 бит для хранения каждой компоненты цвета и альфа-канала, как минимум подходит для использования в качестве назначения при последовательности из нескольких операций композиции — от нескольких до десятка. Формат изображения, в котором для каждой компоненты отводится менее 8 бит, подходит лишь для одной или двух операций композиции, после чего ошибки округления начинают доминировать в результатах. Формат изображения, в котором компоненты цвета не хранятся отдельно, плохо подходит для смешивания любого типа с прозрачностью. Например, BufferedImage.TYPE_BYTE_INDEXED не следует использовать в качестве назначения для операции смешивания, поскольку каждая операция может приводить к большим ошибкам из-за необходимости выбирать пиксель из ограниченной палитры, чтобы приблизить результат уравнений смешивания.
• Почти все форматы хранят пиксели в виде целых чисел, а не значений с плавающей точкой, используемых в приведённых выше эталонных уравнениях. Реализация может либо преобразовывать целочисленные значения пикселей в значения с плавающей точкой в диапазоне от 0.0 до 1.0, либо использовать немного изменённые версии уравнений, которые работают исключительно с целыми числами, но дают результаты, аналогичные результатам эталонных уравнений.

  Обычно целочисленные значения соотносятся со значениями с плавающей точкой так, что целое число 0 соответствует значению с плавающей точкой 0.0, а целое число 2^n-1 (где n — количество битов в представлении) соответствует 1.0. Для 8-битных представлений это означает, что 0x00 соответствует 0.0, а 0xff — 1.0.

• Внутренняя реализация может приближённо вычислять некоторые уравнения, а также исключать отдельные шаги во избежание ненужных операций. Например, рассмотрим дискретное целочисленное изображение с непредварительно умноженными значениями альфа-канала, в котором для хранения каждой компоненты используется 8 бит. Сохранённые значения почти прозрачного затемнённого красного цвета могут выглядеть так:

     (A, R, G, B) = (0x01, 0xb0, 0x00, 0x00)

  Если использовать целочисленную арифметику и выполнить композицию этого значения в режиме SRC без дополнительного альфа-канала, расчёты покажут, что результат будет следующим (в целочисленном формате):

     (A, R, G, B) = (0x01, 0x01, 0x00, 0x00)

  Обратите внимание, что промежуточные значения, всегда представленные в предварительно умноженном виде, позволят целочисленной компоненте красного цвета принимать только значения 0x00 или 0x01. При попытке сохранить этот результат обратно в назначение, не представленное в предварительно умноженном виде, деление на альфа-канал оставит нам очень мало вариантов для непредварительно умноженного значения красного цвета. В данном случае реализация, выполняющая вычисления с целыми числами без упрощений, скорее всего, получит следующие итоговые значения пикселя:

     (A, R, G, B) = (0x01, 0xff, 0x00, 0x00)

  (Обратите внимание, что 0x01, делённое на 0x01, даёт 1.0, что эквивалентно значению 0xff в 8-битном формате хранения.)

  И наоборот, реализация, использующая вычисления с плавающей точкой, может получить более точные результаты и вернуться к исходному значению пикселя практически без ошибки округления. Реализация с целочисленной арифметикой также может решить, что, поскольку в пространстве с плавающей точкой уравнения сводятся к виртуальной операции NOP над значениями цвета, пиксель можно без изменений перенести в назначение, полностью избежав вычислений.

  Все эти реализации пытаются соблюдать одни и те же уравнения, но используют различные компромиссы между целочисленной арифметикой и вычислениями с плавающей точкой, а также между упрощёнными и полными уравнениями. Учитывая такие различия, вероятно, лучше ожидать совпадения результатов между реализациями и форматами изображений только в предварительно умноженном виде. В этом случае оба результата, выраженные в предварительно умноженном виде, будут равны:

     (A, R, G, B) = (0x01, 0x01, 0x00, 0x00)

  и, следовательно, будут совпадать.

• Из-за упрощения уравнений для повышения эффективности вычислений некоторые реализации могут вести себя по-разному при получении результирующих значений альфа-канала 0.0 для назначения, не представленного в предварительно умноженном виде. Обратите внимание, что упрощение, при котором деление на альфа-канал исключается для правила SRC, технически некорректно, если знаменатель (альфа-канал) равен 0. Однако, поскольку точность результатов можно ожидать только при просмотре в предварительно умноженном виде, результирующее значение альфа-канала 0 по существу делает результирующие компоненты цвета несущественными, поэтому в этом случае не следует ожидать строго определённого поведения.