تركيب ألفا

في مجال رسومات الحاسوب ، يُعرف تركيب ألفا أو مزج ألفا بأنه عملية دمج صورة مع خلفية لخلق مظهر شفاف جزئيًا أو كليًا . ^{[ 1 ]} غالبًا ما يكون من المفيد معالجة عناصر الصورة (البكسلات) في طبقات منفصلة ، ​​ثم دمج الصور ثنائية الأبعاد الناتجة في صورة واحدة نهائية تُسمى الصورة المركبة . يُستخدم التركيب على نطاق واسع في صناعة الأفلام عند دمج عناصر الصور المُعالجة حاسوبيًا مع لقطات حية . كما يُستخدم مزج ألفا في رسومات الحاسوب ثنائية الأبعاد لوضع عناصر المقدمة المُرَسَّمة فوق الخلفية.

لدمج عناصر الصور بشكل صحيح، من الضروري الاحتفاظ بطبقة قناع مرتبطة بكل عنصر بالإضافة إلى لونه. تحتوي طبقة القناع هذه على معلومات التغطية - شكل الهندسة المرسومة - مما يُمكّن من التمييز بين أجزاء الصورة التي رُسمت عليها عناصر والأجزاء الفارغة.

على الرغم من أن العملية الأساسية لدمج صورتين هي وضع إحداهما فوق الأخرى، إلا أن هناك العديد من العمليات، أو أوضاع المزج ، التي يتم استخدامها.

طُرح مفهوم قناة ألفا من قِبل ألفي راي سميث وإد كاتمول في أواخر سبعينيات القرن العشرين في مختبر رسومات الحاسوب بمعهد نيويورك للتكنولوجيا . واستنبط بروس أ. والاس نفس المؤثر المباشر استنادًا إلى نموذج فيزيائي للانعكاس / النفاذية في عام 1981. ^{[ 2 ]} وفي عام 1984، قدّم توماس بورتر وتوم داف ورقة بحثية حول ألفا المضاعفة مسبقًا باستخدام منهج هندسي. ^{[ 3 ]}

يشرح سميث استخدام مصطلح ألفا على النحو التالي: "أطلقنا عليه هذا الاسم بسبب صيغة الاستيفاء الخطي الكلاسيكية${\displaystyle \alpha A+(1-\alpha )B}$الذي يستخدم الحرف اليوناني${\displaystyle \alpha }$(ألفا) للتحكم في مقدار الاستيفاء بين الصورتين A وB في هذه الحالة. ^{[ 4 ]} أي، عند دمج الصورة A فوق الصورة B، تكون قيمة${\displaystyle \alpha }$يتم أخذ القيمة في الصيغة مباشرة من قناة ألفا الخاصة بـ A.

في الصورة ثنائية الأبعاد، تُخزَّن تركيبة لونية لكل عنصر من عناصر الصورة (بكسل)، وغالبًا ما تكون مزيجًا من الأحمر والأخضر والأزرق ( RGB ). عند استخدام تركيب ألفا، يُخزَّن لكل بكسل قيمة عددية إضافية في قناة ألفا الخاصة به ، تتراوح قيمتها بين 0 و1. القيمة 0 تعني أن البكسل شفاف تمامًا ، وسيظهر لون البكسل الذي يليه. أما القيمة 1 فتعني أن البكسل معتم تمامًا.

بوجود قناة ألفا، يُمكن التعبير عن عمليات تركيب الصور باستخدام جبر التركيب . على سبيل المثال، عند وجود صورتين A و B ، فإن عملية التركيب الأكثر شيوعًا هي دمج الصورتين بحيث تظهر A في المقدمة و B في الخلفية. يُمكن التعبير عن ذلك بـ A فوق B. بالإضافة إلى عملية over ، عرّف بورتر وداف ^{[ 3 ]} عوامل التركيب in و holdout by (يشير هذا المصطلح إلى تقنية الحجب ويتم اختصاره عادةً إلى out ) و atop و xor (والعوامل العكسية rover و rin و rout و ratop ) من خلال دراسة خيارات مزج ألوان بكسلين عندما تكون تغطيتهما، من الناحية النظرية، متراكبة بشكل متعامد.

على سبيل المثال، يمكن إنجاز عامل التشغيل over عن طريق تطبيق الصيغة التالية على كل بكسل: ^{[ 2 ]}

$\displaystyle \begin{aligned}\alpha_o = \phantom C_a \alpha_a + \phantom C_b \alpha_b (1 - \alpha_a) \c_o = \frac{C_a \alpha_a + C_b \alpha_b (1 - \alpha_a)}{\alpha_o} \end{aligned}}}$

هنا${\displaystyle C_{o}}$،${\displaystyle C_{a}}$و${\displaystyle C_{b}}$تمثل هذه الرموز مكونات اللون للبكسلات في نتيجة عملية "التراكب"، الصورة A، والصورة B على التوالي، والتي يتم تطبيقها على كل قناة لونية (أحمر/أخضر/أزرق) على حدة، بينما${\displaystyle \alpha _{o}}$،${\displaystyle \alpha _{a}}$و${\displaystyle \alpha _{b}}$تمثل قيم ألفا للبكسلات المعنية.

تُعدّ عملية "التجاوز" في الواقع عملية الرسم العادية (انظر خوارزمية الرسام ). أما عمليتا " الداخل " و " الخارج" فهما مكافئتان لعملية القص في تركيب ألفا . تستخدم هاتان العمليتان قناة ألفا للصورة الثانية فقط، وتتجاهلان مكونات اللون. بالإضافة إلى ذلك، تُعرّف علامة الجمع "+" عملية المزج التجميعي. ^{[ 3 ]}

إذا تم استخدام قناة ألفا في الصورة، فهناك تمثيلان شائعان متاحان: ألفا مباشرة (غير مرتبطة) وألفا مضروبة مسبقًا (مرتبطة).

• باستخدام قيمة ألفا المباشرة ، تمثل مكونات RGB لون الكائن أو البكسل، بغض النظر عن شفافيته. هذه هي الطريقة التي يشير إليها عامل التشغيل over في القسم السابق.
• باستخدام قيمة ألفا مضروبة مسبقًا ، تمثل مكونات RGB انبعاث الكائن أو البكسل، وتمثل قيمة ألفا الحجب. يصبح عامل over حينها كما يلي: ^{[ 3 ]}

  ${\displaystyle C_{o}=C_{a}+C_{b}(1-\alpha _{a})}$

  ${\displaystyle \alpha _{o}=\alpha _{a}+\alpha _{b}(1-\alpha _{a})}$

أكثر تنسيقات الصور شيوعًا التي تدعم قناة ألفا هي PNG و TIFF . يدعم تنسيق GIF الشفافية أحادية البت من خلال تحديد عنصر واحد في لوحة الألوان كشفاف . يتوفر دعم قنوات ألفا في بعض برامج ترميز الفيديو، مثل Animation وApple ProRes 4444 من تنسيق QuickTime، أو في برنامج ترميز Techsmith متعدد التنسيقات.

لا يدعم تنسيق الملف BMP هذه القناة بشكل عام؛ ومع ذلك، في تنسيقات مختلفة مثل 32 بت (888-8) أو 16 بت (444-4) من الممكن حفظ قناة ألفا، على الرغم من أن جميع الأنظمة أو البرامج ليست قادرة على قراءتها: يتم استغلالها بشكل رئيسي في بعض ألعاب الفيديو ^{[ 9 ]} أو تطبيقات معينة؛ ^{[ 10 ]} كما تم إنشاء برامج محددة لإنشاء ملفات BMP هذه.

لا تتوافق قيم RGB للصور الرقمية النموذجية بشكل مباشر مع شدة الإضاءة الفيزيائية، بل يتم ضغطها بواسطة دالة تصحيح جاما :

${\displaystyle C_{\text{encoded}}=C_{\text{linear}}^{1/\gamma }}$

يُحسّن هذا التحويل من استغلال العدد المحدود من البتات في الصورة المشفرة عن طريق اختيار${\displaystyle \gamma }$وهذا يتوافق بشكل أفضل مع الإدراك البشري غير الخطي للسطوع.

وبناءً على ذلك، يجب على برامج الكمبيوتر التي تتعامل مع هذه الصور فك تشفير قيم RGB إلى مساحة خطية (عن طريق التراجع عن ضغط جاما)، ومزج شدة الضوء الخطية، وإعادة تطبيق ضغط جاما على النتيجة: ^{[ 20 ] [ 21 ]}

${\displaystyle C_{o}=\left({\frac {C_{a}^{\gamma }\alpha _{a}+C_{b}^{\gamma }\alpha _{b}(1-\alpha _{a})}{\alpha _{o}}}\right)^{1/\gamma }}$

عند دمجها مع ألفا المضروبة مسبقًا، يتم إجراء الضرب المسبق في الفضاء الخطي، قبل ضغط جاما. ^{[ 22 ]} ينتج عن ذلك الصيغة التالية:

${\displaystyle C_{o}=\left(C_{a}^{\gamma }+C_{b}^{\gamma }(1-\alpha _{a})\right)^{1/\gamma }}$

لاحظ أن قناة ألفا قد تخضع أو لا تخضع لتصحيح جاما، حتى عندما تخضع قنوات الألوان لذلك.

على الرغم من استخدامها لأغراض مماثلة، فإن الألوان الشفافة وأقنعة الصور لا تسمح بالمزج السلس لبكسلات الصورة المتراكبة مع بكسلات الخلفية (يُسمح فقط ببكسلات الصورة الكاملة أو بكسلات الخلفية الكاملة).

يمكن تحقيق تأثير مماثل باستخدام قناة ألفا أحادية البت، كما هو الحال في وضع الألوان العالية RGBA ذي 16 بت في تنسيق ملف صورة Truevision TGA، ووضع الرسومات عالي الألوان في محولات العرض TARGA وAT-Vista/NU-Vista ذات الصلة . يخصص هذا الوضع 5 بتات لكل لون RGB أساسي ( RGB ذو 15 بت )، بالإضافة إلى بت متبقٍ كقناة ألفا.

يمكن استخدام تقنية التمويه لمحاكاة الانسداد الجزئي حيث لا يتوفر سوى بت واحد من ألفا.

في بعض التطبيقات، لا تكفي قناة ألفا واحدة: فالنافذة الزجاجية الملونة ، على سبيل المثال، تتطلب قناة شفافية منفصلة لكل قناة من قنوات RGB لنمذجة شفافية الأحمر والأخضر والأزرق بشكل منفصل. ويمكن إضافة المزيد من قنوات ألفا لتطبيقات ترشيح الألوان الطيفية بدقة.

تستبدل بعض طرق الشفافية غير المعتمدة على الترتيب عامل التجاوز بتقريب تبادلي. ^{[ 23 ]}

• تركيب الصور الرقمية - توماس بورتر وتوم داف (ورقة بحثية أصلية)
• أساسيات تركيب الصور
• افهم عملية التركيب وامتدادات الألوان في SVG 1.2 في 30 دقيقة!
• التظليل ألفا والضرب المسبق