Alpha通道在圖像處理中的應(yīng)用研究

王建軍，唐前軍

摘? 要： 文章對(duì)Alpha通道的圖像存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了底層剖析，從根本上闡述了Alpha通道對(duì)圖像的作用機(jī)理，以求解決在圖像處理以及圖像識(shí)別過(guò)程遇到的理解困難。重點(diǎn)分析了在圖像高級(jí)處理中的應(yīng)用效果，給出了典型的圖像處理范例進(jìn)行操作剖析，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上對(duì)Alpha通道的特殊作用進(jìn)行了印證。

關(guān)鍵詞： 圖層; 通道; 蒙版; 路徑

中圖分類(lèi)號(hào)：TP37? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1006-8228（2022）01-46-04

Research on the application of Alpha channel in image processing

Wang Jianjun1， Tang Qianjun2

（1. School of Design， Leshan Normal University， Leshan， Sichuan 61400， China; 2. School of Teacher Education of Leshan Normal University）

Abstract： This paper analyzes the storage structure of image with Alpha channel， and fundamentally expounds the action mechanism of Alpha channel on image， in order to solve the understanding difficulties encountered in the process of image processing and image recognition. The application effect in advanced image processing is emphatically analyzed， and a typical image processing example is given for operational dissecting， so as to confirm the special function of Alpha channel from the experimental results.

Key words： image layer; channel; mask; path

0 引言

圖像在高速發(fā)展的信息時(shí)代，起到了直觀、快速、高效傳遞知識(shí)的作用，圖像處理已經(jīng)跨界發(fā)展，不僅僅在圖像設(shè)計(jì)領(lǐng)域，同樣在多媒體設(shè)計(jì)，圖像識(shí)別與傳輸?shù)戎T多領(lǐng)域都有其身影[1]。Alpha通道的學(xué)習(xí)和運(yùn)用方面，成為圖像處理過(guò)程的一個(gè)難點(diǎn)。從Alpha通道的構(gòu)成上來(lái)分析其作用原理，才能對(duì)其有根本性的理解，進(jìn)而在應(yīng)用上獲得質(zhì)的飛躍。

1 通道基礎(chǔ)

在數(shù)字圖像中，一般采用顏色相加的混合原理（印刷系統(tǒng)一般采用顏色相減的混合原理），也就是紅綠藍(lán)（以下簡(jiǎn)稱RGB）三基色按照不同的比例進(jìn)行混合[2]，從而形成新的顏色及圖像。在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，采用二進(jìn)制數(shù)字來(lái)保存每個(gè)像素的顏色信息，大量的二進(jìn)制數(shù)字構(gòu)成的矩陣，形成一幅圖像的存儲(chǔ)信息[3]。在RGB圖像的24位真彩色模式下，每個(gè)像素分別采用如圖1所示的結(jié)構(gòu)來(lái)保存圖像顏色信息（這里討論的是非壓縮格式的保存模式）。

圖1中的三基色分別用不同的二進(jìn)制數(shù)據(jù)代表不同顏色的比例，紅色就可以用0到255之間的數(shù)字來(lái)表達(dá)256種不同深淺的紅[4]，三種基本色就構(gòu)成一個(gè)像素點(diǎn)的混合色，也就是最終呈現(xiàn)的效果。一副圖片的分辨率就決定了需要多少這樣的二進(jìn)制數(shù)來(lái)存儲(chǔ)這幅圖片。圖像的分辨率越高，所占的存儲(chǔ)空間越大，這就解釋了為什么高分辨率圖像的存儲(chǔ)和顯示更耗費(fèi)計(jì)算機(jī)資源。

我們來(lái)解釋通道的概念，從圖1看，一副圖像是由很多如圖1那樣的結(jié)構(gòu)（三個(gè)字節(jié)）組織起來(lái)的，那么所有的代表紅色的二進(jìn)制數(shù)據(jù)（字節(jié)）構(gòu)成的總體，數(shù)學(xué)上就稱之為一個(gè)向量，這個(gè)向量就體現(xiàn)了一副圖像的所有像素的紅色信息，這個(gè)向量就構(gòu)成紅色通道了[5]。同樣，綠色通道，藍(lán)色通道亦是如此。

2 ALPHA通道

2.1 Alpha通道的由來(lái)

為了呈現(xiàn)更為豐富的圖像色彩信息，尤其是體現(xiàn)頭發(fā)，玻璃，煙霧，液體等半透明的效果，就在24位的基礎(chǔ)上再增加了一個(gè)字節(jié)，也就是8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，這增加的8位二進(jìn)制數(shù)，并沒(méi)有增加顏色的表達(dá)數(shù)量，也就是說(shuō)32位深度的圖像并沒(méi)有增加顏色數(shù)量[6]，而是稱為Alpha的通道，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

這個(gè)新增加的字節(jié)，在整個(gè)圖像中有和像素?cái)?shù)目相同的規(guī)模就構(gòu)成另一個(gè)向量，稱為Alpha通道，也稱為@通道。

2.2 Alpha通道對(duì)其他的影響

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，新增加的這個(gè)Alpha通道是用來(lái)控制圖像的透明程度的[7]。具體來(lái)說(shuō)，由圖2可以看出，每個(gè)像素的RGB三個(gè)通道由不同的數(shù)字來(lái)代表不同的顏色比例，混合成這個(gè)像素點(diǎn)的綜合色彩。那么這個(gè)增加的Alpha通道的數(shù)字就是用來(lái)表達(dá)這個(gè)像素點(diǎn)的透明程度的。當(dāng)這個(gè)字節(jié)的數(shù)字為00000000時(shí)，就表達(dá)出其余三個(gè)字節(jié)不起作用，該像素點(diǎn)就透明了或看不見(jiàn)了，在復(fù)合通道中被忽略掉了，視覺(jué)上，該像素點(diǎn)位置能看見(jiàn)的就是對(duì)應(yīng)的背景層的像素點(diǎn)的顏色了。多個(gè)這樣的點(diǎn)就構(gòu)成了一個(gè)透明區(qū)域。當(dāng)Alpha通道為11111111（十進(jìn)制255）時(shí)，說(shuō)明這個(gè)像素點(diǎn)100%不透明，對(duì)應(yīng)像素的混合色彩完全可見(jiàn)，無(wú)法看見(jiàn)該像素點(diǎn)背后的背景層像素。用0～255之間的任意一個(gè)數(shù)字代表這個(gè)像素點(diǎn)的透明程度（有些軟件中用Opacity，用不透明程度來(lái)表達(dá)），視覺(jué)上不僅能看見(jiàn)該像素的顏色，透過(guò)該像素的顏色，對(duì)應(yīng)背景層的像素也是隱約可見(jiàn)的，這就是半透明效果的來(lái)源。這樣，整個(gè)Alpha通道向量就完整的表達(dá)了一副圖像的每個(gè)像素的透明程度[8]，從而使圖像呈現(xiàn)效果更為豐富，尤其在需要呈現(xiàn)出若隱若現(xiàn)或虛幻縹緲效果中更為明顯。

可以看出，Alpha通道是對(duì)其他的RGB通道都起到控制作用，進(jìn)而影響到最終效果的復(fù)合通道（當(dāng)然，多層圖像還有層的混合形成最終效果）。那么，具體來(lái)說(shuō)，Alpha通道是怎么影響其他通道的呢，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，把Alpha通道和其他色彩通道的作用運(yùn)算方式分兩種，即直通模式和預(yù)乘模式[9]。使用直通模式，也即是直接存儲(chǔ)像素點(diǎn)本身的顏色值，顯示時(shí)通過(guò)Alpha字節(jié)屬性進(jìn)行描述[10]，例如（255，0，0，128）就表示這個(gè)像素點(diǎn)為50%半透明的純紅色（其中兩個(gè)0分別代表綠色和藍(lán)色的顏色值為0，沒(méi)有顏色信息）。255代表的紅色最大值。在顯示的時(shí)候，由軟件再計(jì)算成128的結(jié)果。但是如果采用預(yù)乘的方法，其實(shí)就是預(yù)先用透明度（0～1之間的百分比，對(duì)應(yīng)0～255之間的整數(shù)）和像素的RGB通道值相乘，而非直接存放顏色自身的完整數(shù)據(jù)。那么上面的同一個(gè)像素點(diǎn)，存放的就是（128，0，0，128），顏色值為255預(yù)先就和透明度50%相乘了。采用預(yù)乘的模式可以適度降低后期處理的運(yùn)算量，效率更高一些[11]。

2.3 Alpha在圖層混合中的作用

圖像處理過(guò)程，往往離不開(kāi)圖層的混合來(lái)合成最終的效果。那么Alpha通道在圖層的混合過(guò)程中怎么起作用呢？Photoshop（簡(jiǎn)稱PS）是常見(jiàn)專(zhuān)業(yè)級(jí)圖像處理軟件，其中圖層的混合模式有很多種，以滿足不同的混合需要，多個(gè)圖層的混合其實(shí)是兩兩混合的。這里就分析兩個(gè)圖層混合的過(guò)程，我們把上面的圖層成為前景圖層A，下面的圖層稱為背景圖層B。最基本的正常疊加模式的公式其實(shí)是result=A*alphaA+B*（1-alphaA）[12]，其中Result代表混合結(jié)果的顏色值（包含RGB），A代表前景層的顏色值（包含RGB），B代表背景層的顏色值（包含RGB）。如果按分量描述就變成三個(gè)公式，即：

Rresult=RA*alphaA+RB*（1-alphaA）? ⑴

Gresult=GA*alphaA+GB*（1-alphaA）? ⑵

Bresult=BA*alphaA+BB*（1-alphaA）? ⑶

對(duì)于該公式的簡(jiǎn)單理解，就是前景圖層的Alpha值如果30%，那就是說(shuō)背景圖層就用70%的透明度的顏色值與前景圖層30%的透明度得顏色值進(jìn)行混合。也就前景圖層的RGB乘以30%和背景圖層乘以70相加，就得到混合結(jié)果的RGB顏色值。另外，不同的軟件，不同的層混合模式，還有更為復(fù)雜計(jì)算方式。

需要值得注意的是，在圖像識(shí)別的應(yīng)用上，如果圖像具備Alpha通道，由于Alpha通道以黑白灰顯示暗部，高光和半透明區(qū)域，并不代表具體的像素顏色。這就可能導(dǎo)致識(shí)別上的錯(cuò)誤[13]，可以在識(shí)別程序上采用預(yù)乘的算法把透明度直接計(jì)算到RGB的個(gè)色彩通道上就能解決。

3 Alpha應(yīng)用

通過(guò)前面的分析，可以看出Alpha通道的數(shù)據(jù)實(shí)際上是反映像素點(diǎn)的透明程度的，那么它就在圖片的半透明效果呈現(xiàn)和圖像混合中起到很大作用。而實(shí)際應(yīng)用中，這個(gè)重要的功能往往是由軟件自動(dòng)自動(dòng)完成了，不需要或者需要極少的操作就可以實(shí)現(xiàn)。而Alpha通道值的兩個(gè)特殊值（0，255）恰好反映圖片像素的兩個(gè)極端，可見(jiàn)與否，所以在很多軟件中，都用黑白效果來(lái)表達(dá)Alpha通道的作用效果。具備這樣的Alpha值的像素集中連片就構(gòu)成選區(qū)，若成線性結(jié)構(gòu)就形成路徑。因此，在PS這種專(zhuān)業(yè)的圖像處理軟件中，Alpha通道就更多的被用于記錄選區(qū)和路徑，以實(shí)現(xiàn)蒙版，摳圖等功能。

3.1 選區(qū)應(yīng)用

由于在大多數(shù)的圖像處理過(guò)程中都遵循同一個(gè)基本原則：先選中，后操作，以確保操作對(duì)象和范圍的準(zhǔn)確性。而Alpha通道正是由于可以記錄和表達(dá)各種選區(qū)，所以在保存選區(qū)和構(gòu)造選區(qū)中得以發(fā)揮其長(zhǎng)。

首先，選區(qū)的保存與恢復(fù)。在圖像處理過(guò)程中對(duì)一些耗費(fèi)時(shí)間多且需要小心翼翼才得以構(gòu)造完成的選區(qū)，比如用套繩等工具小心翼翼形成的選區(qū)，可能在后來(lái)發(fā)現(xiàn)還要反復(fù)使用，而中途又必須有取消選擇的需要，甚至隔斷時(shí)間，重新打開(kāi)圖片繼續(xù)進(jìn)行編輯時(shí)，還要使用同一選區(qū)，如果每次都要重新選擇，就耗時(shí)耗力且不可能做到每一次都完全一樣。例如圖3所示的一個(gè)選區(qū)。

為了能讓已經(jīng)勾選好的比熊的輪廓記憶反復(fù)使用，就可以在首次勾選完成后，用存儲(chǔ)選區(qū)的方式，新建一個(gè)Alpha通道（圖3命名為“比熊輪廓”）。這個(gè)新建的Alpha通道不是顏色通道，只以黑白灰的形式呈現(xiàn)[14]，其中白色部分就是選區(qū)（當(dāng)然，也可以說(shuō)黑色部分是選區(qū)，相對(duì)而言）。在后續(xù)處理的過(guò)程中，隨時(shí)可以重新利用這個(gè)叫做“比熊輪廓”的Alpha通道，重新載入選區(qū)，就可以顯著提高工作效率。

其次，利用Alpha對(duì)選區(qū)的記錄功能，更為高級(jí)的應(yīng)用就是蒙版和摳圖，對(duì)于復(fù)雜的對(duì)象，通過(guò)勾選、快速選擇、顏色范圍和蒙版等常規(guī)工具難易選擇的摳圖范圍，往往就要考慮Alpha通道專(zhuān)有功能了。在圖4中，如果需要把其中的煙花效果扣除，使用套繩，快速選區(qū)和顏色范圍以及蒙版等手段就難以完成，難度太大，而且對(duì)于其中半透明的效果更是無(wú)法完成。

這個(gè)時(shí)候就應(yīng)考慮Alpha通道了，利用Alpha通道摳圖，實(shí)際上就是利用Alpha通道對(duì)于選區(qū)的記錄。一般都需要經(jīng)過(guò)挑選通道，產(chǎn)生Alpha通道，調(diào)整色階，載入選區(qū)，復(fù)制，粘貼等基本過(guò)程[15]。其中挑選通道是在RGB三個(gè)單獨(dú)的顏色通道中觀察、對(duì)比，要摳取對(duì)象的顏色和周?chē)尘爸g對(duì)比情況，挑選對(duì)比最明面的通道。圖4的通道中，紅色通道的前景和背景對(duì)比最為強(qiáng)烈。第二步就需要根據(jù)挑選好的顏色通道產(chǎn)生Alpha通道了，PS中默認(rèn)的復(fù)制通道就產(chǎn)生了Alpha通道。接下來(lái)對(duì)這個(gè)新產(chǎn)生的Alpha通道進(jìn)行色階調(diào)整。色階調(diào)整是為了使輸出的黑白更加明顯，凡是不需要的盡可能調(diào)整黑色，需要部分盡可能調(diào)整白色，中間不同程度的灰色代表半透明區(qū)域。必要時(shí)可以結(jié)合選區(qū)，用填充，畫(huà)筆等工具將不需要的部分強(qiáng)制處理為黑色，需要部分強(qiáng)制處理為白色（但半透明區(qū)域不能強(qiáng)制為白色，否則就成不透明了）。當(dāng)然還可以借用其他技術(shù)手段來(lái)達(dá)到更好的選擇區(qū)分。圖5是已經(jīng)處理的Alpha通道效果。

當(dāng)Alpha通道已經(jīng)明顯區(qū)分了需要的部分和不需要的部分后，就可以回到復(fù)合通道，在對(duì)應(yīng)圖層中載入Alpha通道所記載的選區(qū)，把選擇好的像素復(fù)制，并在需要的地方進(jìn)行粘貼，觀察并繼續(xù)進(jìn)行后期處理。

3.2 路徑應(yīng)用

不同于數(shù)學(xué)或網(wǎng)絡(luò)中的路徑，表達(dá)從起點(diǎn)到終點(diǎn)的路由情況。路徑在圖像處理中是使用貝賽爾曲線所構(gòu)成的一段閉合或者開(kāi)放的曲線段[16]，路徑其實(shí)也是Alpha通道應(yīng)用的另一種應(yīng)用形式。路徑作為矢量工具在PS作為一種有益補(bǔ)充工具，自然和CDR中的主打工具的作用不能相提并論。PS圖像處理過(guò)程中，結(jié)合各錨點(diǎn)的調(diào)整功能，可以形成非常柔滑，完美的貝塞爾曲線，這是通過(guò)選取功能很難實(shí)現(xiàn)的功能。對(duì)于不封閉的路徑，通過(guò)填充以后就能得到特殊曲線效果。而對(duì)于封閉路徑，更能體現(xiàn)Alpha通道應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。一條封閉的路徑，可以用來(lái)構(gòu)造選區(qū)和建立蒙版，這和直接使用PS的Alpha通道是異曲同工。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從存儲(chǔ)原理的角度分析了Alpha通道的內(nèi)在形式和作用，并以平面處理軟件PS為例，進(jìn)行了Alpha通道的設(shè)計(jì)應(yīng)用表現(xiàn)，這個(gè)探索過(guò)程對(duì)于深入理解和應(yīng)用Alpha通道具有很大幫助。接下來(lái)，還需要基于對(duì)Alpha通道的應(yīng)用進(jìn)行大量練習(xí)以及對(duì)PS其他功能熟練掌握，才能達(dá)到更高的境界。對(duì)于Alpha通道的深入理解和掌握是圖像處理應(yīng)用的基礎(chǔ)。

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