アルファ合成

コンピュータグラフィックスでは、アルファ合成またはアルファブレンディングとは、1 つの画像を背景と合成して部分的または完全な透明に見えるようにするプロセスです。^{[ 1 ]}画像の要素(ピクセル) を別々のパスまたはレイヤーでレンダリングし、結果として得られる 2D 画像を合成と呼ばれる単一の最終画像に結合することがよく有効です。合成は、コンピュータでレンダリングされた画像要素と実写映像を組み合わせる際に映画で広く使用されています。アルファブレンディングは、 2D コンピュータグラフィックスでラスタライズされた前景要素を背景の上に配置する場合にも使用されます。

画像内の画像要素を正しく組み合わせるためには、各要素の色に加えて、関連付けられたマットレイヤーを保持する必要があります。このマットレイヤーには、描画されるジオメトリの形状、つまりカバレッジ情報が含まれており、画像内で何かが描画された部分と空白の部分を区別することができます。

2つの画像を合成する最も基本的な操作は、一方をもう一方の上に重ねることですが、実際には多くの操作、つまりブレンドモードが用いられています。

アルファ チャネルの概念は、1970 年代後半にニューヨーク工科大学のコンピュータ グラフィックス ラボでAlvy Ray SmithとEd Catmullによって導入されました。Bruce A. Wallace は、1981 年に物理的な反射率/透過率モデルに基づいて同じストレート オーバーオペレーターを導出しました。 ^{[ 2 ]} Thomas PorterとTom Duffによる 1984 年の論文では、幾何学的アプローチを使用して乗算済みアルファが導入されました。^{[ 3 ]}

アルファという用語の使用について、スミスは次のように説明している。「古典的な線形補間式に基づいて、私たちはそれをそう呼んだのです。」${\displaystyle \alpha A+(1-\alpha )B}$ギリシャ文字を使用する${\displaystyle \alpha }$(alpha) は、この場合、2 つの画像 A と B の間の補間量を制御する。^{[ 4 ]}つまり、画像 A を画像 B の上に合成する場合、${\displaystyle \alpha }$この式では、Aのアルファチャンネルから直接取得されます。

2D画像では、各画素（ピクセル）ごとに色の組み合わせが格納されます。多くの場合、赤、緑、青（RGB）の組み合わせです。アルファ合成を使用する場合、各ピクセルにはアルファチャンネルに0から1までの数値が格納されます。値が0の場合は、ピクセルが完全に透明で、下のピクセルの色が透けて見えます。値が1の場合は、ピクセルが完全に不透明です。

アルファ チャネルが存在すると、合成代数を使用して合成画像操作を表現することができます。たとえば、2 つの画像AとBが与えられた場合、最も一般的な合成操作は、A が前景に、B が背景に表示されるように画像を合成することです。これは、 A over Bと表現できます。 overに加えて、Porter と Duff ^{[ 3 ] は}、概念的に直交して重ね合わされた 2 つのピクセルの色をブレンドする際の選択を考慮して、 、hold out by (このフレーズはホールドアウト マッティングを指し、通常はout と略されます)、atop、およびxor (およびその逆演算子rover、rin、rout、およびratop ) の合成演算子を定義しました。

例えば、オーバー演算子は、各ピクセルに次の式を適用することで実現できます。^{[ 2 ]}

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

ここ${\displaystyle C_{o}}$、${\displaystyle C_{a}}$そして${\displaystyle C_{b}}$はそれぞれ、各カラーチャネル（赤/緑/青）に個別に適用された「オーバー」の結果、画像A、および画像Bのピクセルの色成分を表します。${\displaystyle \alpha _{o}}$、${\displaystyle \alpha _{a}}$そして${\displaystyle \alpha _{b}}$これらは、それぞれのピクセルのアルファ値です。

オーバー演算子は、実質的に通常のペイント操作です（ペインターのアルゴリズムを参照）。イン演算子とアウト演算子は、アルファ合成におけるクリッピングに相当します。この2つは、2番目の画像のアルファチャンネルのみを使用し、カラー成分を無視します。さらに、プラス演算子は加算ブレンドを定義します。^{[ 3 ]}

画像でアルファチャンネルを使用する場合、一般的に利用できる表現方法は2つあります。ストレート（非関連）アルファとプリマルチプライド（関連）アルファです。

• ストレートアルファでは、RGB成分はオブジェクトまたはピクセルの色を表し、不透明度は考慮されません。これは、前のセクションで説明したオーバー演算子によって示される方法です。
• アルファを事前に乗算すると、RGB コンポーネントはオブジェクトまたはピクセルの発光を表し、アルファは遮蔽を表します。オーバー演算子は次のようになります。^{[ 3 ]}

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

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

アルファチャンネルをサポートする最も一般的な画像フォーマットはPNGとTIFFです。GIFは、パレットのエントリの1つを透明として指定することで、1ビットの透明度をサポートします。アルファチャンネルのサポートは、QuickTimeフォーマットのAnimationやApple ProRes 4444などの一部のビデオコーデック、またはTechsmithマルチフォーマットコーデックに搭載されています。

BMPファイル形式は 一般的にこのチャンネルをサポートしていませんが、32 ビット (888–8) や 16 ビット (444–4) などの異なる形式ではアルファチャンネルを保存することが可能です。ただし、すべてのシステムやプログラムがそれを読み取ることができるわけではありません。これは主に一部のビデオゲーム^{[ 9 ]}や特定のアプリケーション^{[ 10 ]}で利用されています。また、これらの BMP を作成するための専用プログラムも作成されています。

一般的なデジタル画像のRGB値は、物理的な光強度に直接対応するものではなく、ガンマ補正関数によって圧縮された値である。

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

この変換は、エンコードされた画像の限られたビット数をより有効に活用するために、${\displaystyle \gamma }$これは、人間の非線形的な輝度知覚によりよく合致する。

したがって、このような画像を扱うコンピュータプログラムは、RGB 値を線形空間にデコードし (ガンマ圧縮を解除することによって)、線形光強度をブレンドし、結果にガンマ圧縮を再適用する必要があります。^{[ 20 ] [ 21 ]}

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

アルファを前乗算する場合、ガンマ圧縮の前に線形空間で前乗算が行われます。^{[ 22 ]}これにより、次の式が得られます。

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

カラーチャンネルがガンマ補正を受ける場合でも、アルファチャンネルはガンマ補正を受ける場合と受けない場合があることに注意してください。

同様の目的で使用されるものの、透明色や画像マスクでは、重ね合わせた画像ピクセルと背景ピクセルを滑らかにブレンドすることはできません（画像ピクセル全体または背景ピクセル全体のみが許可されます）。

同様の効果は、 Truevision TGAイメージファイル形式の16ビットRGBAハイカラーモードや、関連するTARGAおよびAT-Vista/NU-Vistaディスプレイアダプタのハイカラーグラフィックモードに見られるように、1ビットのアルファチャンネルでも実現できます。このモードでは、各RGB原色（15ビットRGB）に5ビットが割り当てられ、残りの1ビットが「アルファチャンネル」として使用されます。

ディザリングは、1ビットのアルファ値しか利用できない場合に、部分的な遮蔽をシミュレートするために使用できます。

アプリケーションによっては、単一のアルファチャンネルでは不十分な場合があります。例えば、ステンドグラスの窓では、赤、緑、青の透明度を個別にモデル化するために、各RGBチャンネルごとに個別の透明度チャンネルが必要です。より正確なスペクトルカラーフィルタリングを行うアプリケーションでは、アルファチャンネルをさらに追加することができます。

順序に依存しない透過性手法の中には、オーバー演算子を可換近似に置き換えるものがある。^{[ 23 ]}

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