alpha通道与混合技术

Posted 2020-08-31 蛋蛋弟弟大大

Alpha其作用是要实现一种半透明效果。

假设一种不透明的东西颜色是A，另一种透明的东西颜色是B，那么透过B去看A，看上去的颜色C就是B与A的混合颜色。设置B的透明度为alpha（取值为0-1,0为完全透明，1为不透明）

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)

 

 

融合因子

首先，Direct3D中依然是用Alpha通道来实现多个像素颜色值的融合。每个像素都包含四个分量：Alpha分量、红色分量、绿色分量和蓝色分量（即ARGB四分量）。其中，Alpha分量用于指定像素的透明度，在0~255之间取值，0表示完全透明，255表示完全不透明。另外，根据使用的不同的颜色宏的区别，还可能是在0.0~1.0之间取值。

 

在Direct3D中，融合这一领域有一个权威，那便是Alpha融合公式。Alpha融合公式如下：

其中RGB_src 和RGB_dst分别表示源像素和目标像素的颜色值，为包含四个颜色分量的颜色值。

K_src 和K_dst分别表示源融合因子和目标融合因子。他们指定了源像素和目标像素的颜色值在融合过程中所占的比例，在[0，1]之间取值。通过原融合因子和目标融合因子，我们能够以多种方式来修改源像素和目标像素的颜色值，从而获得我们满意的最终的融合后的颜色值。稍后会讲解融合因子的具体取法，这里我们先把这个融合公式解析完。

在融合公式中，OP表示源和目标的融合运算方式，由D3DBLENDOP枚举体来指定，需要注意的是它的默认值是源计算结果和目标计算结果相加。

 

上面我们刚提到过，融合运算方式由D3DBLENDOP枚举体来指定。

我们指的是SetRenderState中的第二个参数在D3DBLENDOP枚举体中取值，而第一个参数，取D3DRS_BLENDOP。

这一节就来看一下这个D3DBLENDOP枚举体的定义：

typedef enum D3DBLENDOP {
  D3DBLENDOP_ADD           = 1,
  D3DBLENDOP_SUBTRACT      = 2,
  D3DBLENDOP_REVSUBTRACT   = 3,
  D3DBLENDOP_MIN           = 4,
  D3DBLENDOP_MAX           = 5,
  D3DBLENDOP_FORCE_DWORD   = 0x7fffffff 
} D3DBLENDOP, *LPD3DBLENDOP;

我们用一个列表来进行讲解吧：

D3DBLENDOP操作符	精析
D3DBLENDOP_ADD	源像素计算结果与目标像素的计算结果相加，即【最终结果】=【源】+【目标】
D3DBLENDOP_SUBTRACT	源像素计算结果与目标像素的计算结果相减，即【最终结果】=【源】-【目标】
D3DBLENDOP_REVSUBTRACT	目标像素的计算结果减去源像素计算结果，即【最终结果】=【目标】-【源】
D3DBLENDOP_MIN	在源像素计算结果和目标像素计算结果之间取小者。即【最终结果】= MIN(【目标】，【源】）
D3DBLENDOP_MAX	在源像素计算结果和目标像素计算结果之间取大者。即【最终结果】= MAX(【目标】，【源】）

 

 

源融合因子和目标融合因子可以在SetRenderState方法中第一个参数取D3DRS_SRCBLEND和D3DRS_DESTBLEND分别进行设置，而第二个参数都是在一个D3DBLEND枚举体中进行的取值，我们在MSDN中查到它的原型如下：

typedef enum D3DBLEND {
  D3DBLEND_ZERO              = 1,
  D3DBLEND_ONE               = 2,
  D3DBLEND_SRCCOLOR          = 3,
  D3DBLEND_INVSRCCOLOR       = 4,
  D3DBLEND_SRCALPHA          = 5,
  D3DBLEND_INVSRCALPHA       = 6,
  D3DBLEND_DESTALPHA         = 7,
  D3DBLEND_INVDESTALPHA      = 8,
  D3DBLEND_DESTCOLOR         = 9,
  D3DBLEND_INVDESTCOLOR      = 10,
  D3DBLEND_SRCALPHASAT       = 11,
  D3DBLEND_BOTHSRCALPHA      = 12,
  D3DBLEND_BOTHINVSRCALPHA   = 13,
  D3DBLEND_BLENDFACTOR       = 14,
  D3DBLEND_INVBLENDFACTOR    = 15,
  D3DBLEND_SRCCOLOR2         = 16,
  D3DBLEND_INVSRCCOLOR2      = 17,
  D3DBLEND_FORCE_DWORD       = 0x7fffffff 
} D3DBLEND, *LPD3DBLEND;

依旧是通过一个表格来对其中常用的参数进行讲解，：

D3DBLEND融合类型	精析
D3DBLEND_ZERO	融合因子=（0,0,0,0）
D3DBLEND_ONE	融合因子=（1,1,1,1）
D3DBLEND_SRCCOLOR	融合因子=（R_src,G_src,B_src,A_src）
D3DBLEND_INVSRCCOLOR	融合因子=（1- R_src,1-G_src,1-B_src,1-A_src ）
D3DBLEND_SRCALPHA	融合因子=（1- A_src , A_src , A_src , A_src ）
D3DBLEND_INVSRCALPHA	融合因子=（ 1- A_src , 1- A_src , 1- A_src , 1- A_src ）
D3DBLEND_DESTALPHA	融合因子=（ A_dst , A_dst, A_dst  , A_dst）
D3DBLEND_INVDESTALPHA	融合因子= (1- A_dst , 1- A_dst , 1- A_dst , 1- A_dst ).
D3DBLEND_DESTCOLOR	融合因子=（ R_dst , G_dst, B_dst  , A_dst）.
D3DBLEND_INVDESTCOLOR	融合因子= ( 1 - R_dst, 1 - G_dst, 1 - B_dst, 1 - A_dst).
D3DBLEND_SRCALPHASAT	融合因子= (f, f, f, 1),其中f = min(A_src,1 - A_dst)

在上表中， R_src  , G_src , B_src  , A_src 分别表示源(即source)像素的红、绿、蓝、透明四个分量值,而 R_dst  , G_dst, B_dst  , A_dst 表示目标(即destination)像素的红、绿、蓝、透明四个分量值。

大家需要什么类型的融合因子，在上表中进行查阅就行了。

Alpha的三处来源

我们在使用Alpha融合之前，还需要明确源像素和目标像素颜色值的Alpha分量来自何方。像素的Alpha值一般有三处来源，分别是顶点颜色的Alpha值、材质的Alpha值、纹理的Alpha值。我们通常在这三处来源中取一处就可以了。它们的优先级是这样的，纹理>材质>顶点颜色。

1.顶点Alpha分量

 

首先我们要知道，顶点Alpha分量只是备胎的备胎而已，它在没有使用光照和材质的情况下才有上场的机会。

如果在程序中直接指定每个顶点的颜色，那么可以直接给出每个顶点颜色的Alpha值，并且这些顶点的Alpha值是可以在程序运行过程中动态修改的。

我们可以通过IDirect3DDevice9::SetTextureStageState方法指定Alpha值的来源，把第三个参数指定为D3DTA_DIFFUSE，来指定Alpha值来自顶点颜色。

在MSDN中查到这个函数原型如下：

HRESULT SetTextureStageState(
      [in] DWORD Stage,
      [in]D3DTEXTURESTAGESTATETYPE Type,
      [in] DWORD Value
     );

■第一个参数，DWORD类型的Stage，指定当前设置的纹理层为第几层（有效值0~7）

■第二个参数，D3DTEXTURESTAGESTATETYPE类型的Type，填将要设置的纹理渲染状态，在枚举类型D3DTEXTURESTAGESTATETYPE中任意取值。

■第三个参数，DWORD类型的Value，表示所设置的状态值，它是根据第二个参数来决定具体取什么值的。

对于顶点Alpha分量，我们就这样来两句：

//计算漫反射颜色的alpha值
g_pd3dDevice->SetTextureStageState(0,D3DTSS_ALPHAARG1, D3DTA_DIFFUSE);
g_pd3dDevice->SetTextureStageState(0,D3DTSS_ALPHAOP, D3DTOP_SELECTARG1);

2.材质的Alpha分量

 

之前部分我们讲的材质的Alpha分量，充其量也只是个备胎而已，在场景内的物体没有指定纹理的时候，才有用武之地。在这种情况下，顶点的Alpha值取决于材质属性中漫反射颜色的Alpha系数以及灯光颜色中的Alpha系数，通过材质和光照中的Alpha系数相互作用，计算得到。我们知道，顶点的光照计算过程是分别针对红、绿、蓝、Alpha这四个颜色分量分开独立计算的。而我们关注的顶点的Alpha值就决定于光照计算结果的Alpha分量，和其他的红、绿、蓝三个分量毫无瓜葛。

比如我们可以这样来设定某材质的Alpha分量值，这句代码中我们把这种材质的漫反射颜色值的Alpha分量设为了0.2（范围为0.0~1.0）

g_pMaterial].Diffuse.a= 0.2f;

3.纹理的Alpha分量

 

作为不可一世的“高富帅”——纹理，既然它在物体表面上使用了，就必须首先满足它的要求，那么，像素的Alpha值就是纹理Alpha混合之后的值了。

所以这时候混合后的像素就取决于纹理的Alpha混合方式。而纹理Alpha混合方式决定了纹理Alpha混合之后的Alpha值是取自材质，还是取自纹理，抑或是取自这两者的某种运算。

若是取自纹理，我们就这样写：

m_pd3dDevice->SetTextureStageState( 0,D3DTSS_ALPHAARG1, D3DTA_TEXTURE );// Alpha值是取自材质
 m_pd3dDevice->SetTextureStageState(0, D3DTSS_ALPHAOP, D3DTOP_SELECTARG1); //将纹理颜色混合的第一个参数的ALPHA值用于输出

我是旁白：可以使用DirectX SDK中提供的DirectX Texture Tool来为我们的素材纹理图片创建Alpha通道

 

Alpha融合使用三步曲

1. 三步曲之一：启用Alpha融合

在Direct3D中，混合默认是被关闭着的，要启用Alpha融合的话，我们就通过设置D3DRS_ALPHABLENDENABLE渲染状态为true，即写上这句代码：

m_pd3dDevice->SetRenderState(D3DRS_ALPHABLENDENABLE, true);

 

2. 三步曲之二：设置融合因子

启用了Alpha融合，第二步便是设置源融合因子和目标融合因子。前面我们已经详细讲解过源融合因子和目标融合因子的取值。源融合因子和目标融合因子分别可以在SetRenderState方法中第一个参数取D3DRS_SRCBLEND和D3DRS_DESTBLEND分别进行设置，第二个参数都是在一个D3DBLEND枚举体中进行的取值。

比如这样写，就是源融合因子=（ A_src , A_src , A_src , A_src），目标融合因子=（1- A_src , 1-A_src , 1-A_src , 1-A_src ），这是我们最常用的Alpha混合因子取法：

//设置融合因子  
g_pd3dDevice->SetRenderState(D3DRS_SRCBLEND,D3DBLEND_SRCALPHA);    
g_pd3dDevice->SetRenderState(D3DRS_DESTBLEND,D3DBLEND_INVSRCALPHA);

3. 三步曲之三：设置Alpha融合运算方式

因为Direct3D中有默认的融合运算方式D3DBLENDOP_ADD，即源像素计算结果与目标像素的计算结果相加。所以这一步其实可以省略，但是如果不想用这种融合运算方式，我们可以加上这一步，用SetRenderState方法来改成我们需要的运算方式，比如如下的代码，便将融合运算方式改成了D3DBLENDOP_SUBTRACT，即源像素计算结果与目标像素的计算结果相减：

g_pd3dDevice->SetRenderState(D3DRS_BLENDOP, D3DBLENDOP_SUBTRACT);

 

4. 以代码为载体理解

依旧是把这三步曲整合一下，在Direct3D中运用Alpha混合技术，其实最少只用写3句代码，第三步通常可以省略，即如下的代码：

        // 三步曲之一，开启Alpha融合
	g_pd3dDevice->SetRenderState(D3DRS_ALPHABLENDENABLE, true);
	//三步曲之二，设置融合因子
	g_pd3dDevice->SetRenderState(D3DRS_SRCBLEND, D3DBLEND_SRCALPHA);
	g_pd3dDevice->SetRenderState(D3DRS_DESTBLEND, D3DBLEND_INVSRCALPHA);
	//三步曲之三，设置融合运算方式
	g_pd3dDevice->SetRenderState(D3DRS_BLENDOP, D3DBLENDOP_ADD);  //这句设置运算方式为D3DBLENDOP_ADD的代码Direct3D默认为我们写了，所以注释掉这句也没大碍