Composición alfa

En gráficos por computadora , la composición alfa o fusión alfa es el proceso de combinar una imagen con un fondo para crear la apariencia de transparencia parcial o total . ^{[ 1 ]} A menudo es útil renderizar elementos de imagen (píxeles) en pasadas o capas separadas y luego combinar las imágenes 2D resultantes en una sola imagen final llamada composición . La composición se usa ampliamente en el cine cuando se combinan elementos de imagen renderizados por computadora con metraje real . La fusión alfa también se usa en gráficos por computadora 2D para colocar elementos de primer plano rasterizados sobre un fondo.

Para combinar correctamente los elementos de las imágenes, es necesario conservar una máscara asociada a cada elemento, además de su color. Esta capa de máscara contiene la información de cobertura —la forma de la geometría que se está dibujando—, lo que permite distinguir entre las partes de la imagen donde se ha dibujado algo y las partes que están vacías.

Aunque la operación más básica para combinar dos imágenes consiste en superponer una sobre la otra, existen muchas operaciones, o modos de fusión , que se pueden utilizar.

El concepto de canal alfa fue introducido por Alvy Ray Smith y Ed Catmull a finales de la década de 1970 en el Laboratorio de Gráficos por Computadora del Instituto Tecnológico de Nueva York . Bruce A. Wallace derivó el mismo operador directo basado en un modelo físico de reflectancia / transmitancia en 1981. ^{[ 2 ]} Un artículo de 1984 de Thomas Porter y Tom Duff introdujo el alfa premultiplicado utilizando un enfoque geométrico. ^{[ 3 ]}

Smith explica el uso del término alfa de la siguiente manera: "Lo llamamos así debido a la fórmula clásica de interpolación lineal".${\displaystyle \alpha A+(1-\alpha )B}$que utiliza la letra griega${\displaystyle \alpha }$(alfa) para controlar la cantidad de interpolación entre, en este caso, dos imágenes A y B". ^{[ 4 ]} Es decir, al componer la imagen A sobre la imagen B, el valor de${\displaystyle \alpha }$En la fórmula se toma directamente del canal alfa de A.

En una imagen 2D, se almacena una combinación de colores para cada elemento de la imagen (píxel), generalmente una combinación de rojo, verde y azul ( RGB ). Cuando se utiliza la composición alfa, cada píxel tiene un valor numérico adicional almacenado en su canal alfa , con un valor que oscila entre 0 y 1. Un valor de 0 significa que el píxel es completamente transparente y el color del píxel inferior se verá a través de él. Un valor de 1 significa que el píxel es completamente opaco.

Con la existencia de un canal alfa, es posible expresar operaciones de composición de imágenes utilizando un álgebra de composición . Por ejemplo, dadas dos imágenes A y B , la operación de composición más común es combinar las imágenes de modo que A aparezca en primer plano y B en segundo plano. Esto se puede expresar como A sobre B. Además de sobre , Porter y Duff ^{[ 3 ]} definieron los operadores de composición en , hold out by (la frase se refiere a holdout matting y generalmente se abrevia out ), atop y xor (y los operadores inversos rover , rin , rout y ratop ) a partir de una consideración de las opciones para mezclar los colores de dos píxeles cuando su cobertura se superpone, conceptualmente, ortogonalmente:

Como ejemplo, el operador over se puede realizar aplicando la siguiente fórmula a cada píxel: ^{[ 2 ]}

${\displaystyle {\begin{aligned}\alpha _{o}&={\phantom {~C_{a}}}\alpha _{a}+{\phantom {C_{b}}}\alpha _{b}(1-\alpha _{a})\\C_{o}&={\frac {C_{a}\alpha _{a}+C_{b}\alpha _{b}(1-\alpha _{a})}{\alpha _{o}}}\end{aligned}}}$

Aquí${\displaystyle C_{o}}$,${\displaystyle C_{a}}$y${\displaystyle C_{b}}$representan los componentes de color de los píxeles en el resultado de la "superposición", la imagen A y la imagen B respectivamente, aplicadas a cada canal de color (rojo/verde/azul) individualmente, mientras que${\displaystyle \alpha _{o}}$,${\displaystyle \alpha _{a}}$y${\displaystyle \alpha _{b}}$son los valores alfa de los píxeles respectivos.

El operador "over" es, en efecto, la operación de pintura normal (véase el algoritmo del pintor ). Los operadores " in" y "out" son el equivalente en composición alfa del recorte . Ambos utilizan únicamente el canal alfa de la segunda imagen e ignoran los componentes de color. Además, "plus" define la fusión aditiva. ^{[ 3 ]}

Si se utiliza un canal alfa en una imagen, existen dos representaciones comunes disponibles: alfa directo (no asociado) y alfa premultiplicado (asociado).

• Con el canal alfa directo , los componentes RGB representan el color del objeto o píxel, sin tener en cuenta su opacidad. Este es el método implícito en el operador "over" de la sección anterior.
• Con alfa premultiplicado , los componentes RGB representan la emisión del objeto o píxel, y alfa representa la oclusión. El operador over se convierte entonces en: ^{[ 3 ]}

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

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

Los formatos de imagen más populares que admiten el canal alfa son PNG y TIFF . GIF admite transparencia de 1 bit al designar una entrada de la paleta como transparente . La compatibilidad con canales alfa está presente en algunos códecs de vídeo, como Animation y Apple ProRes 4444 del formato QuickTime, o en el códec multiformato Techsmith.

El formato de archivo BMP generalmente no admite este canal; sin embargo, en diferentes formatos como 32 bits (888–8) o 16 bits (444–4) es posible guardar el canal alfa, aunque no todos los sistemas o programas pueden leerlo: se explota principalmente en algunos videojuegos ^{[ 9 ]} o aplicaciones particulares; ^{[ 10 ]} también se han creado programas específicos para la creación de estos BMP.

Los valores RGB de las imágenes digitales típicas no se corresponden directamente con las intensidades de luz físicas, sino que se comprimen mediante una función de corrección gamma :

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

Esta transformación aprovecha mejor el número limitado de bits en la imagen codificada al elegir${\displaystyle \gamma }$que se ajusta mejor a la percepción humana no lineal de la luminancia.

En consecuencia, los programas informáticos que trabajan con dichas imágenes deben decodificar los valores RGB en un espacio lineal (deshaciendo la compresión gamma), mezclar las intensidades de luz lineales y volver a aplicar la compresión gamma al resultado: ^{[ 20 ] [ 21 ]}

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

Cuando se combina con alfa premultiplicado, la premultiplicación se realiza en el espacio lineal, antes de la compresión gamma. ^{[ 22 ]} Esto da como resultado la siguiente fórmula:

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

Tenga en cuenta que el canal alfa puede o no someterse a corrección gamma, incluso cuando los canales de color sí lo hacen.

Aunque se utilizan con fines similares, los colores transparentes y las máscaras de imagen no permiten una fusión uniforme de los píxeles de la imagen superpuesta con los del fondo (solo se permiten píxeles de imagen completos o píxeles de fondo completos).

Se puede lograr un efecto similar con un canal alfa de 1 bit, como el que se encuentra en el modo de color alto RGBA de 16 bits del formato de archivo de imagen Truevision TGA y en el modo gráfico de color alto de los adaptadores de pantalla TARGA y AT-Vista/NU-Vista relacionados. Este modo dedica 5 bits a cada color RGB primario ( RGB de 15 bits ) más un bit restante como "canal alfa".

El tramado se puede utilizar para simular una oclusión parcial cuando solo se dispone de un valor alfa de 1 bit.

Para algunas aplicaciones, un solo canal alfa no es suficiente: una vidriera , por ejemplo, requiere un canal de transparencia independiente para cada canal RGB, con el fin de modelar la transparencia del rojo, el verde y el azul por separado. Se pueden añadir más canales alfa para aplicaciones de filtrado de color espectral más precisas.

Algunos métodos de transparencia independientes del orden reemplazan el operador de sobre con una aproximación conmutativa. ^{[ 23 ]}

• Composición de imágenes digitales - Thomas Porter y Tom Duff (Artículo original)
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