Direct2D - 如何使用位图实现伽马校正透明度（alpha）？

Question

我正在使用Direct2D绘制位图。这些位图利用了透明度（alpha通道）。

混合看起来不对劲。

作为测试，我加载了一个纯黑的png图像，透明度为50％，并将其绘制在白色背景上。结果是像素的红色，绿色和蓝色值为127（0x7F7F7F）。这表明Direct2D的混合忽略了伽马值，并将颜色值视为线性值。

（位图使用常规sRGB颜色空间，每个像素为32位，每个颜色通道（红、绿、蓝和Alpha）8位。它们以GUID_WICPixelFormat32bppPBGRA格式加载。）

在sRGB中，介于黑色和白色之间的混合值为186（0xBABABA）。这是我想要的理想结果。

Direct2D能否显示具有伽马值关注的透明度？我该怎么做？任何帮助都将不胜感激。

- Jeff McClintock

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我认为你搞反了。在sRGB中，50%看起来像黑色和白色之间的一半（在亮度上，有点）。它看起来太亮或太暗了吗？这可能是由于显示方式的原因。 - a stray cat

我的理解是sRGB颜色空间定义了像素强度和实际存储数量之间的非线性转换，即伽马曲线。例如，8位颜色值范围为0-255，但由于伽马曲线，127（中间值）的值在约20％的亮度下显示。因此，黑白的伽马校正50％混合应具有186个像素值（73％的全幅）。因此，在Direct2d中，我的混合看起来太暗了。 - Jeff McClintock

@astraycat如果您查看交替的黑色和白色像素并将它们与实心块进行比较，则BABABA块在正确校准的监视器上应具有相同的亮度。即使在未校准的监视器上，BABABA也应该比7F7F7F更接近。 - Mark Ransom

Answer 1

混合应该在线性颜色空间中正确完成，因此混合sRGB像素的过程应该是：

1. 转换为线性
2. 混合
3. 转换回sRGB。

请注意，在黑色或白色像素中，步骤（1）和（3）不起作用，可以省略。

请参见PNG规范的alpha通道处理部分。特别是，请注意以下内容：

计算组合样本值的方程式为

output = alpha * foreground + (1-alpha) * background

其中alpha值和输入输出样本值均表示为0到1范围内的分数。此计算应使用强度样本（而非伽马编码样本）执行

该部分包含有关alpha通道处理的示例C代码。

在这个问题被提出的时候，HWND渲染目标（绘制到屏幕上）不支持线性像素格式。然而，Direct-2D HwndRender目标现在已经被接口ID2D1DeviceContext所取代。这些是通过IDXGIFactory2::CreateSwapChainForHwnd()创建的，并支持更多的像素格式，如DXGI_FORMAT_B8G8R8A8_UNORM_SRGB，当进行混合时会自动执行正确的颜色空间转换（由@Jeff McClintock提供的信息）。

- Glenn Randers-Pehrson

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谢谢，这很有道理（在线性颜色空间中执行混合），但如何在Direct2D中实现呢？（也许需要将渲染目标和位图设置为特定的像素格式？） - Jeff McClintock

我做了一些研究。据我所知，Direct2D HWND渲染目标（绘制到屏幕）不支持线性像素格式，如果将位图转换为线性格式，则不再支持硬件加速（Direct2D的主要优势）。Direct3D（Direct2D基于此）确实支持对位图进行操作，其中像素在混合操作期间转换为线性颜色空间并返回。可惜Direct2D不支持此功能。 - Jeff McClintock

更新：Direct-2D HwndRender 目标已被 ID2D1DeviceContext 接口取代。这些通过 IDXGIFactory2::CreateSwapChainForHwnd() 创建，并支持更多的像素格式，如 DXGI_FORMAT_B8G8R8A8_UNORM_SRGB，在混合时会自动执行正确的颜色空间转换。 - Jeff McClintock

谢谢，@Jeff McClintock，我已经将您的更新纳入答案中。 - Glenn Randers-Pehrson

Answer 2

Direct-2D 1.0 HwndRenderTarget 在像素值上直接执行混合计算。这会导致使用 alpha 通道合成标准 sRGB 图像时出现错误。错误是因为 Direct 2D 将伽马压缩的强度值视为线性强度值。

忽略伽马会导致合成质量差、几何抗锯齿、图像调整大小和文本呈现效果差。

有一个解决方法，即“预扭曲”位图的 alpha 值来补偿混合计算引入的错误。

示例： 左侧图像通过在线性色彩空间中执行混合处理进行正确合成，中心图像是 Direct 2D（阴影太暗且对比度太高），右侧图像是在预扭曲 alpha 通道后的 Direct2D。

请见：https://bel.fi/alankila/lcd/alpcor.html

更新！：Direct-2D的新版本（1.1）支持SRGB后缓冲区，可以正确执行混合。使用IDXGIFactory2 :: CreateSwapChainForHwnd()来使用改进的颜色深度选项。

- Jeff McClintock