알파 합성: 컴퓨터 비전의 이미지 구성 기술 익히기

By Fouad Sabry

알파 합성이란?

컴퓨터 그래픽에서 알파 합성 또는 알파 블렌딩은 하나의 이미지를 배경과 결합하여 부분적 또는 전체 투명도를 만드는 프로세스입니다. 별도의 패스나 레이어에서 그림 요소(픽셀)를 렌더링한 다음 결과 2D 이미지를 합성이라고 하는 단일 최종 이미지로 결합하는 것이 유용한 경우가 많습니다. 합성은 컴퓨터로 렌더링된 이미지 요소를 라이브 영상과 결합할 때 영화에서 광범위하게 사용됩니다. 알파 블렌딩은 2D 컴퓨터 그래픽에서도 래스터화된 전경 요소를 배경 위에 배치하는 데 사용됩니다.

당신이 얻을 수 있는 혜택

(I) 다음 주제에 대한 통찰력 및 검증:

1장: 알파 합성

2장: 디지털 합성

3장: 휴대용 네트워크 그래픽

4장: 빨간색, 녹색, 파란색 색상 모델

5장: 감마 보정

6장: 크로마 서브샘플링

7장: 비트맵 이미지 파일 파일 형식

8장: 빨간색, 녹색, 파란색 및 알파 색상 모델

9장: 그레이스케일

10장: 투명성(그래픽)

(II) 알파 합성에 관한 대중의 주요 질문에 답변합니다.

(III) 다양한 분야에서 알파 합성을 사용하는 실제 사례.

이 책은 누구를 위한 책인가

전문가, 학부 및 대학원생, 매니아, 취미생활자, 모든 종류의 알파 합성에 대한 기본 지식이나 정보를 넘어서고 싶은 사람들.

• Language: 한국어
• Publisher: 10 억 지식이 걸립니다 [Korean]
• Release date: May 5, 2024

Book preview

챕터 1: 알파 합성

알파 합성 또는 알파 혼합은 컴퓨터 그래픽의 부분 또는 전체 투명도를 시뮬레이션하기 위해 이미지와 배경을 혼합하는 프로세스입니다. 이미지 구성 요소(픽셀)를 다양한 패스 또는 레이어로 렌더링한 다음 결과 2D 그림을 합성이라고 하는 단일 최종 이미지로 병합하는 것이 유리한 경우가 많습니다. 필름은 컴퓨터로 렌더링된 그래픽 요소를 라이브 영상과 병합할 때 합성을 많이 사용합니다. 알파 블렌딩은 2D 컴퓨터 그래픽의 배경 위에 래스터화된 전경 항목을 배치하는 데에도 사용됩니다.

요소의 색상 외에도 각 이미지 요소를 효과적으로 통합하기 위해 관련 매트를 유지하는 것이 중요합니다. 이 무광택 레이어는 커버리지 정보(그려지는 형상의 모양)를 제공하여 이미지에서 무언가가 그려진 영역과 아무것도 그려지지 않은 영역을 쉽게 구분할 수 있도록 합니다.

두 이미지를 병합하는 가장 기본적인 작업은 하나를 다른 이미지 위에 배치하는 것이지만 여러 가지 다른 프로세스 또는 혼합 모드가 사용됩니다.

1970년대 후반, 앨비 레이 스미스(Alvy Ray Smith)와 에드 캣멀(Ed Catmull)은 뉴욕 공과대학(New York Institute of Technology) 컴퓨터 그래픽 연구소에서 알파 채널의 개념을 소개했습니다. 1981년 Bruce A. Wallace는 물리적 반사율/투과율 모델을 사용하여 동일한 직선 연산자를 도출했습니다.

알파 라는 용어의 사용은 스미스에 의해 다음과 같이 설명된다 : 우리는 {\displaystyle \alpha A+(1-\alpha )B} 그리스 문자 \alpha (알파)를 사용하여 보간량을 제어하는 고전적인 선형 보간 공식으로 인해이 경우 두 개의 묘사 A와 B라고 불렀다.

즉, 이미지 B 위에 이미지 A를 겹쳐 놓는 동안 \alpha 수식의 값은 A의 알파 채널에서 직접 가져옵니다.

2D 이미지에서는 각 픽셀에 대해 색상 조합이 유지되며 종종 빨간색, 녹색 및 파란색(RGB)이 혼합됩니다. 알파 합성을 사용하는 경우 각 픽셀의 알파 채널에는 0에서 1 사이의 추가 숫자 값이 포함됩니다. 값이 0이면 픽셀이 완전히 투명하여 아래에 있는 픽셀의 색을 볼 수 있습니다. 하나는 픽셀이 완전히 불투명하다는 것을 나타냅니다.

알파 채널이 있으면 합성 대수를 사용하여 이미지 합성 프로세스를 표현할 수 있습니다. 예를 들어, 두 장의 사진 A와 B가 주어졌을 때 가장 빈번한 합성 프로세스는 A가 전면에 나타나고 B가 배경에 나타나도록 이미지를 결합하는 것입니다. 이것은 A 대 B로 설명할 수 있습니다. over 외에도 Porter와 Duff는 커버리지가 개념적으로 직교로 겹쳐질 때 두 픽셀의 색상을 혼합하는 옵션을 고려하여 합성 연산자 in, holdout(종종 축약된 out), atop 및 xor(및 역 연산자 rover, rin, rout 및 ratop)을 정의했습니다.

예를 들어, over 연산자는 각 픽셀에 아래 공식을 적용하여 구현할 수 있습니다.

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

여기서 C_{o} 는 C_{a} C_{b} 결과에서 픽셀의 색상 구성 요소를 나타내고, 이미지 A와 이미지 B는 각 색상 채널(빨강, 녹색, 파랑)에 개별적으로 적용되는 반면, {\displaystyle \alpha _{o}} 는 \alpha _{a} \alpha _{b} 각 픽셀의 알파 값입니다.

본질적으로 over 연산자는 표준 페인팅 작업입니다(Painter의 알고리즘 참조). in 및 out 연산자는 알파 합성의 클리핑과 동일합니다. 두 이미지는 알파 채널만 사용하고 두 번째 이미지의 색상 구성 요소는 무시합니다. 또한 plus는 첨가제 혼합을 정의합니다.

이미지에 알파 채널이 포함된 경우 두 가지 일반적인 표현을 사용할 수 있습니다. 알파는 직선(연결되지 않음) 또는 미리 곱하기(연결됨)일 수 있습니다.

RGB 구성 요소는 직선 알파를 사용할 때 불투명도에 관계없이 개체 또는 픽셀의 색상을 나타냅니다. 이는 이전 섹션의 over 연산자에 내포된 절차입니다.

미리 곱한 알파를 사용하는 경우 RGB 구성 요소는 개체 또는 픽셀의 방출을 나타내고 알파 구성 요소는 폐색을 나타냅니다. 그러면 over 연산자는 다음과 같이 됩니다.

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

미리 곱한 알파의 가장 큰 이점은 정확한 혼합, 보간 및 필터링이 가능하다는 것입니다.

픽셀 색이 직선(미리 곱하지 않은) RGBA 튜플을 사용하여 지정된다고 가정하면 값이 (0, 0.7, 0, 0.5)인 픽셀은 최대 녹색 강도의 70%와 불투명도 50%입니다. 색조가 완전히 녹색이면 RGBA는 (0, 1, 0, 0.5)가 됩니다.

PNG 및 TIFF는 알파 채널을 지원하는 가장 일반적인 이미지 형식입니다. GIF는 알파 채널을 지원하지만 파일 공간과 관련하여 비효율적입니다. QuickTime 포맷의 Animation 및 Apple ProRes 4444 또는 Techsmith 다중 포맷 코덱과 같은 일부 비디오 코덱에는 알파 채널이 포함되어 있습니다.

일반적으로 BMP 파일 형식은 이 채널을 지원하지 않습니다. 그럼에도 불구하고 알파 채널을 32 비트 (888-8) 또는 16 비트 (444-4)와 같은 다른 형식으로 저장할 수 있지만 모든 컴퓨터나 프로그램에서 읽을 수 있는 것은 아닙니다. 비디오 게임에서 주로 사용되는 이러한 BMP의 생성을 위해 특정 프로그램도 개발되었습니다.

일반적인 디지털 사진의 RGB 값은 물리적 조명 강도를 직접 반사하지 않고 감마 보정 메커니즘에 의해 압축됩니다.

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

이 변환은 광도에 대한 비선형 인간의 인식과 더 잘 일치하는 것을 \gamma 선택하여 인코딩된 이미지의 제한된 비트 수를 더 잘 활용 합니다.

따라서 이러한 이미지를 조작하는 컴퓨터 프로그램은 RGB 값을 선형 공간으로 디코딩하고(감마 압축을 제거하여) 선형 조명 강도를 혼합한 다음 결과 이미지에 감마 압축을 다시 적용해야 합니다.

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

감마 압축 이전에는 미리 곱한 알파와 쌍을 이룰 때 선형 공간에서 사전 곱셈이 수행됩니다. 그 결과 아래와 같은 공식이 생성됩니다.

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

감마 보정은 색상 채널에만 적용됩니다. 알파 채널은 항상 선형입니다.

비슷한 이유로 사용되지만 투명 색상과 이미지 마스크는 겹쳐진 이미지 픽셀과 배경 픽셀의 원활한 혼합을 방지합니다(전체 이미지 픽셀 또는 전체 배경 픽셀만 허용됨).

Truevision TGA 그림 파일 형식의 16비트 RGBA 하이 컬러 모드와 해당 TARGA 및 AT-Vista/NU-Vista 디스플레이 어댑터의 하이 컬러 그래픽 모드에서 볼 수 있듯이 1비트 알파 채널에서도 유사한 효과를 얻을 수 있습니다. 이 모드는 3개의 기본 RGB 색상(15비트 RGB) 각각에 5비트를 할당하고 알파 채널에 1비트를 할당합니다.

1비트 알파만 사용할 수 있는 경우 스크린도어 투명도가 부분 폐색을 모방할 수 있습니다.

일부 응용 프로그램에서는 단일 알파 채널이 충분하지 않습니다. 예를 들어, 스테인드글라스 창의 경우 빨강, 녹색 및 파랑 투명도를 독립적으로 시뮬레이션하기 위해 각 RGB 채널에 대해 고유한 투명도 채널이 필요합니다. 정밀한 스펙트럼 색상 여과 응용 분야의 경우 알파 채널을 추가할 수 있습니다.

일부 차수 독립적 투명도 방법은 over 연산자를 교환 가능한 근사치로 대체합니다.

{챕터 1 종료}

챕터 2: 디지털 컴포지팅

디지털 합성은 수많은 이미지를 디지털 방식으로 통합하여 완성된 이미지를 만드는 기술로, 종종 인쇄, 필름 또는 화면에 투사하기 위한 것입니다. 이 공정은 광학 필름 합성과 동일한 디지털 프로세스입니다.

알파 블렌딩은 디지털 합성에 사용되는 기본 절차로, 불투명도 값 'α'가 단일 출력 픽셀을 생성하는 두 입력 픽셀 값 간의 비율을 제어하는 경우입니다.

간단한 예로, 합성을 위해 동일한 크기의 사진 두 장이 제공되었다고 가정합니다. 입력 이미지는 각각 전경 이미지와 배경 이미지라고 합니다. 모든 이미지에는 동일한 양의 픽셀이 포함되어 있습니다. 합성된 이미지는 두 입력 이미지의 일치하는 픽셀에서 정보를 수학적으로 병합하고 결과를 세 번째 이미지로 캡처한 결과입니다.

3개의 픽셀을 생각해 보십시오. f는 전경 픽셀을 나타냅니다.

배경 픽셀, b 전경