알파 합성

3. 알파 합성 방식

RGB로 표현되는 2차원 이미지에서 각 화소(픽셀)는 색상 조합 정보를 담고 있으며, 알파 합성을 위해 추가적인 숫자 값을 '''알파 채널'''에 저장한다. 이 값은 0에서 1 사이의 범위를 가지며, 0은 픽셀이 완전히 투명하여 아래 픽셀의 색상이 나타남을, 1은 픽셀이 완전히 불투명함을 의미한다.

알파 채널을 활용하면 '합성 대수'를 통해 이미지 합성 연산을 표현할 수 있다. 예를 들어, 두 이미지 ''A''와 ''B''를 결합하여 ''A''가 전경에, ''B''가 배경에 나타나도록 하는 것은 ''A'' '''위에''' ''B''로 표현된다. 포터와 더프^[3]는 '''위에''' 연산자 외에도 '''안에''', '''제외''', '''위에''' 및 '''xor''' 연산자(그리고 반대 연산자 '''위에 덮어''', '''안에 덮어''', '''제외 덮어''', '''위에 덮어''' )를 정의하여 두 픽셀의 커버리지를 직교적으로 겹쳐놓았을 때 색상을 혼합하는 다양한 방식을 제시했다.

Image:Alpha compositing.svg

'''위에''' 연산자는 각 픽셀에 다음 공식을 적용하여 수행된다.^[2]

:

C_o &= \frac{ C_a \alpha_a + C_b \alpha_b (1 - \alpha_a) }{\alpha_o}

\end{align}

여기서 $C\_o$, $C\_a$, $C\_b$는 각각 "위에", 이미지 A, 이미지 B 픽셀의 색상 구성 요소를 나타내며, 각 색상 채널(빨강/녹색/파랑)에 개별적으로 적용된다. $\backslash alpha\_o$, $\backslash alpha\_a$, $\backslash alpha\_b$는 각 픽셀의 알파 값이다.

'''위에''' 연산자는 일반적인 페인팅 연산(화가의 알고리즘 참조)과 유사하며, '''안에''' 및 '''제외''' 연산자는 클리핑의 알파 합성 등가물이다. 이 두 연산자는 두 번째 이미지의 알파 채널만 사용하고 색상 구성 요소는 무시한다. '''더하기''' 연산자는 가산 혼합을 정의한다.^[3]

3. 1. 마스크 이미지

3. 2. 크로마키

4. 계산 방법

2차원 이미지에서 각 픽셀은 빨강, 녹색, 파랑의 조합(RGB)으로 색상이 표현되며, 알파 합성에 사용될 때는 각 픽셀에 0(완전 투명)에서 1(완전 불투명) 사이의 값을 갖는 알파 채널이 추가된다.

이미지 합성은 '합성 대수'를 통해 표현 가능한데, 예를 들어 이미지 ''A''와 ''B''를 합성하여 ''A''가 전경, ''B''가 배경에 나타나도록 하는 것은 ''A'' '''위에''' ''B''로 표현할 수 있다.

'''위에''' 연산은 각 픽셀에 대해 다음 공식을 적용하여 수행된다.^[2]

:

C_o &= \frac{ C_a \alpha_a + C_b \alpha_b (1 - \alpha_a) }{\alpha_o}

\end{align}

여기서 $C\_o$, $C\_a$, $C\_b$는 각각 "위에", 이미지 A, 이미지 B 픽셀의 색상 구성 요소(빨강/녹색/파랑)를 나타내며, $\backslash alpha\_o$, $\backslash alpha\_a$, $\backslash alpha\_b$는 각 픽셀의 알파 값이다.

이미지에서 알파 블렌드의 결과 픽셀 값은 다음과 같이 계산된다.^[24]

:$$

\left\{

\begin{array}{l}

out_A = src_A + dst_A (1 - src_A) \\

out_{RGB} = \bigl( src_{RGB} src_A + dst_{RGB} dst_A \left( 1 - src_A \right) \bigr) \div out_A \\

out_A = 0 \Rightarrow out_{RGB} = 0

\end{array}

\right.



배경이 불투명한 경우($dst\_A\; =\; 1$) 위 식은 다음과 같이 간략화된다.

:$$

\left\{

\begin{array}{l}

out_A = 1 \\

out_{RGB} = src_{RGB} src_A + dst_{RGB} (1 - src_A)

\end{array}

\right.



여기서 dst는 배경, src는 전경을 나타내며, A는 투명도를 나타내는 [0, 1] 범위의 계수(알파 값)이다.

'''프리멀티플라이드 알파'''(premultiplied alpha)는 실제 RGB 값에 α 값을 미리 곱한 값을 저장하는 방식이다.^[25][26] 이 경우 블렌드 계산식은 다음과 같다.

:$$

\left\{

\begin{array}{l}

out'_{RGB} = out_{RGB} \times out_A \\

src'_{RGB} = src_{RGB} \times src_A \\

dst'_{RGB} = dst_{RGB} \times dst_A

\end{array}

\right.



:$$

\left\{

\begin{array}{l}

out_A = src_A + dst_A (1 - src_A) \\

out'_{RGB} = src'_{RGB} + dst'_{RGB} (1 - src_A)

\end{array}

\right.



프리멀티플라이드 알파를 사용하면 알파 블렌드에서 α 값을 곱하는 처리를 생략하고 픽셀 보간 문제를 줄일 수 있다.^[27][28] 하지만 RGB 값을 8비트로 유지하면 α 값이 1보다 작을 때 RGB 값의 정밀도가 저하될 수 있다.

Direct3D, OpenGL 등의 그래픽스 라이브러리에서는 '''스트레이트 알파'''(straight alpha)라고도 불리는^[31] '''보간 알파'''(interpolated alpha) 방식도 사용된다.^[25][26]

:$$

\left\{

\begin{array}{l}

out_A = src_A + dst_A (1 - src_A) \\

out_{RGB} = src_{RGB} src_A + dst_{RGB} (1 - src_A)

\end{array}

\right.



보간 알파는 실행 시 $src\_A$를 반영하지만, α 값의 픽셀 보간으로 인한 문제가 발생할 수 있다.

5. 감마 보정

6. 기타 투명도 처리 방법

투명 색상과 이미지 마스크는 비슷한 목적으로 사용되지만, 겹쳐진 이미지 픽셀을 배경 픽셀과 부드럽게 혼합하는 것을 허용하지 않는다. (전체 이미지 픽셀 또는 전체 배경 픽셀만 허용)

1비트 알파 채널로도 비슷한 효과를 얻을 수 있는데, 이는 Truevision TGA 이미지 파일 형식의 16비트 RGBA 하이 컬러 모드와 관련 TARGA 및 AT-Vista/NU-Vista 디스플레이 어댑터의 하이 컬러 그래픽 모드에서 찾을 수 있다. 이 모드는 각 기본 RGB 색상(15비트 RGB)에 5비트를 할당하고, 나머지 비트는 "알파 채널"로 사용한다.

디더링은 1비트 알파만 사용 가능한 경우 부분적인 가림을 시뮬레이션하는 데 사용될 수 있다.

일부 응용 프로그램에서는 단일 알파 채널로는 부족하다. 예를 들어, 스테인드글라스 창은 빨간색, 녹색, 파란색 투명도를 개별적으로 모델링하기 위해 각 RGB 채널에 대한 별도의 투명도 채널이 필요하다. 정확한 스펙트럼 색상 필터링 응용 프로그램을 위해 더 많은 알파 채널을 추가할 수도 있다.

일부 순서 독립적 투명도 방법은 '''오버''' 연산자를 교환 가능한 근사치로 대체한다.^[23]

7. 알파 채널을 지원하는 이미지 형식

PNG와 TIFF는 알파 채널을 지원하는 가장 널리 사용되는 이미지 형식이다. GIF는 알파 채널을 지원하지만, 파일 크기 면에서는 비효율적이다. 알파 채널은 QuickTime 형식의 Animation 및 Apple ProRes 4444와 같은 일부 비디오 코덱 또는 Techsmith 다중 형식 코덱에도 존재한다.

BMP 파일 형식은 일반적으로 이 채널을 지원하지 않는다. 그러나 32비트(888–8) 또는 16비트(444–4)와 같은 다른 형식에서는 알파 채널을 저장하는 것이 가능하지만, 모든 시스템이나 프로그램이 이를 읽을 수 있는 것은 아니다. 주로 일부 비디오 게임^[9] 또는 특정 응용 프로그램^[10]에서 활용된다.

참조

_[1] 웹사이트 Definition of alpha blending https://www.pcmag.co[...] 2021-08-07
_[2] 논문 Merging and transformation of raster images for cartoon animation https://archive.org/[...] ACM Press 1981
_[3] 논문 Compositing digital images http://graphics.pixa[...] ACM Press 2019-03-11
_[4] 웹사이트 Alpha and the History of Digital Compositing http://alvyray.com/M[...] 1995-08-15
_[5] 웹사이트 Alpha Blending: To Pre or Not To Pre https://developer.nv[...] 2013-01-31
_[6] 웹사이트 TomF's Tech Blog - It's only pretending to be a wiki https://tomforsyth10[...] 2018-05-08
_[7] 웹사이트 To close to draw call (presentation on Pre-multiplied alpha) https://github.com/d[...]
_[8] 웹사이트 Premultiplied alpha https://microsoft.gi[...] 2023-06-30
_[9] 웹사이트 Creating Textures https://www.echos.ch[...] 2023-05-25
_[10] 웹사이트 Extended Formats http://home.arcor.de[...] 2023-05-25
_[11] 웹사이트 List of Video/Image Formats Supporting Alpha Channels https://pixelbakery.[...] 2023-05-25
_[12] 웹사이트 Final Cut Pro 6 - Broad Format Support. https://www.apple.co[...] 2024-08-13
_[13] 웹사이트 The First JCT-VC Meeting, Dresden, DE http://www.h265.net/[...] H265.net 2024-08-13
_[14] 웹사이트 Current Status of H.265 (as at July 2008) http://www.h265.net/[...] H265.net 2024-08-13
_[15] 웹사이트 The Preliminary Requirements for NGVC http://www.h265.net/[...] H265.net 2024-08-13
_[16] 웹사이트 AV1 video format {{!}} Can I use... Support tables for HTML5, CSS3, etc https://caniuse.com/[...] 2023-05-25
_[17] 웹사이트 Digital Audio Broadcasting (DAB); MOT SlideShow; User Application (pdf) Specification http://www.etsi.org/[...] ETSI 2024-08-13
_[18] 웹사이트 SVG specification, "Color" http://www.w3.org/TR[...] World Wide Web Consortium 2024-08-13
_[19] 웹사이트 JPEG XL decoding support (image/jxl) in blink (tracking bug) https://bugs.chromiu[...] 2024-08-13
_[20] Youtube Computer Color is Broken https://www.youtube.[...] 2015-03-20
_[21] 웹사이트 What every coder should know about gamma https://blog.johnnov[...] 2016-09-21
_[22] 웹사이트 Gamma Correction vs. Premultiplied Pixels – Søren Sandmann Pedersen http://ssp.impulsetr[...]
_[23] 논문 Weighted Blended Order-Independent Transparency https://www.jcgt.org[...] 2013
_[24] 문서 Compositing Digital Images http://keithp.com/~k[...]
_[25] 문서 D3DTEXTUREOP enumeration (D3D9Types.h) - Win32 apps | Microsoft Docs https://docs.microso[...]
_[26] 문서 D3DTEXTUREOP | Microsoft Docs https://docs.microso[...]
_[27] 웹사이트 乗算済みアルファとは？ その１:補間アルファの問題点 - ひにけにGD - Site Home - MSDN Blogs https://web.archive.[...]
_[28] 문서 乗算済みアルファとは？ その１:補間アルファの問題点 | Microsoft Docs https://docs.microso[...]
_[29] 문서 乗算済みアルファ | 3ds Max 2021 | Autodesk Knowledge Network https://knowledge.au[...]
_[30] 문서 方法: 前乗算されたアルファを持つテクスチャをエクスポートする - Visual Studio (Windows) | Microsoft Docs https://docs.microso[...]
_[31] 문서 D2D1_COLOR_INTERPOLATION_MODE (d2d1_1.h) - Win32 apps | Microsoft Docs https://docs.microso[...]
_[32] 웹사이트 Definition of alpha blending https://www.pcmag.co[...] 2021-08-07