关于携带完整 alpha 通道图标的技术研究

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      【声明】由于网友提醒，GDI+支持png图片的alpha绘制了。所以不再发布到首页了。感谢“斯克迪亚”网友的提醒。 

                  -- hoodlum1980  @ 2009年8月6日

　　　　　　补充： WINDOWS 从 XP 系统已经支持带有 alpha 通道的图标，即具有“反锯齿”效果的图标，要求这种图标必须提供大概九副图像。

　　　　　　具体细节可参考MSDN文档中的相关说明。

　　　　　　-- hoodlum1980 @ 2009年12月24日

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     随着计算机硬件和操作系统的发展，用户，开发者都对用户界面的美化追求逐渐提高。我们可以看到每一代操作系统都对图形界面进行提升，图标也经历和见证了这个发展过程。目前的图标是随图像携带遮罩（mask）图像的多文件格式，但发展到目前为止，这种遮罩图像还是二值图形，也就是仅有“显示”或“不显示”两种截然分明的选择，而不存在中间选择（也就是和屏幕底色的alpha合成）。
      对图标的显示方式我们简要回顾以下：一个图标有下面的XOR和AND两种图像组成，其中前者可以是从16色 到真彩色图像，后者则是二值图像；      
            
      在系统绘制 icon 时，先把AND二值 图像用“与”合成模式（SRCAND）复制到屏幕，可以从上图中看出，这时屏幕上图标透明像素（mask中的白色部分）所在部分不受影响，而不透明部分都变成0（黑色），然后再用XOR真彩色图像用“异或”（SRCINVERT）操作复制到屏幕，异或的特点是相同为0，相异为1：
      0 ^ 0 =0；      0 ^ 1 =1；      1 ^ 1 =0
      因此，XOR 真彩图像的黑色部分屏幕颜色保持不变，而图标不透明部分和 0 异或，因此这部分XOR图像被覆盖方式复制到屏幕。这样就实现了图标绘制后的效果。可见图标文件定义后的绘制非常简洁方便。
      但是我忽然产生一个想法，由于现在的图标在贴图时非0即1，从不透明到完全透明是一个跳跃性的转变，而没有中间介于二者之间的模糊状态，因此我为什么不尝试把遮罩图像从二值图扩充为一个完整的 Alpha 通道呢。在 Photoshop 里面，alpha 通道是用户极其熟悉的概念，它本质上是一个和原图大小相同的灰度图像（位深度=8），用于表述选区，图层合成，蒙版等等。这样，图标在贴图时，就可以和屏幕进行更加“柔和”的 alpha 合成效果，实现和 photoshop 中多个图层合成相同的效果，可以减少图标的突兀和锯齿感等等。我们知道，随着GDI发展，可能也开始逐渐支持 alpha 合成，但是通常仅仅是携带一个统一的alpha参数，应用到全图。而我们设想的是，alpha信息实际上是属于像素的一个属性，和具体图形相关，因此它应该由图标图形文件本身携带才合理。因此一个图标图像中每一个像素点可以具有自己独立的 alpha 值，这正是 photoshop 图像处理中的特征。

      （补记：正是因为GDI+支持绘制 PNG 格式的透明位图，因此本文实际意义已经失去。）

      为了简单期间，我们对所有的图标都采用格式明确的 BMP 格式，这有利于我们的代码实现。考虑一个 普通 RGB图像，位深度（bpp）为24，我们的方法是，在这个文件的结尾追加alpha通道，也就是再补充一个和原图尺寸相同的灰度图像，使图像的位深在逻辑上增加到 32。当然，改写后的文件站在原来角度上来看，它依然是一个普通的 bmp 文件，只是结尾多了一些内容而已。
      设计的合成效果如下图所示：
      

      下面我采用了VC来做功能实现，最开始我选择VC6，但是忽然想到可能很多人不会装VC6，为了免却项目升级的麻烦，我马上改成了VS2005，但我想这个Demo的代码可以等效的转换成C#，采用 VC 来实现主要是首要基于效率的考虑。
      在项目中我增加了一个类： CAlphaIcon, 它具有以下的一些函数：
      

//合成像素
#define BLEND(c1,c2,a)    ((((c1)*(255-(a))+(c2)*(a)))/255)

typedef struct _BITMAP_PRIVATE_DATA
{
    BYTE *pPixels;    /*指向位图数据的指针 RGB图像！原始数据！*/
    BYTE *pAlpha;    /*指向Alpha数据的指针（灰度图像）*/
    BYTE *lpDIBData;//DIB文件的位图数据块内存起始地址（Scan0，可以直接修改DIB）
    BYTE bpp;        //位深度（=24）
    unsigned int stride;        /*扫描行宽度*/
    unsigned int strideAlpha;    /*Alpha通道的扫描行宽度*/
    unsigned int width;            /*图片高度*/
    unsigned int height;        /*图片宽度*/
    HANDLE    hSection;            /*DIB Section 的内存映射文件句柄*/
    
} BITMAP_PRIVATE_DATA, *LPBITMAP_PRIVATE_DATA;


//带有全Alpha信息通道的图标
class CAlphaIcon
{
private:
    BITMAP_PRIVATE_DATA m_data;
    BITMAPINFO m_bminfo; //DIB信息


public:
    bool Load(TCHAR *filename);
    void DeleteBitmap();
    void Draw(HDC hDC, int nXDest, int nYDest);
    void GetSize(SIZE* sz);
    bool WriteIconFile(TCHAR* bmfile, TCHAR* alfile);
    bool IsNull(); //用于判断已经是否加载了图片
};

      这个类主要负责对我们所设想的全alpha信息图标的绘制，加载，以及根据一个位图和一个alpha灰度图生成这种图标。这里的函数是以我以前写过的一篇文章《用C语言读取 bmp 位图》的代码为基础的。
      下面我们主要介绍以下这种全alpha通道图标的绘制过程。我主要考虑以下几点，一是不可能再使用传统图标的那种BitBlt 块传送方式去简单完成，因为每一个像素都需要到和屏幕进行一个自己的合成。二是尽管使用 GetPixel， SetPixel函数读写像素非常方便简单，但是这样做每个像素都需要从HDC走，考虑到绘制效率，我们不能这样去做。而是要通过直接操作内存中的位图数据块去做alpha合成，然后再一次性 bitblt 到屏幕。

      绘制步骤简要如下：
      （1）先把图标的数据和alpha通道数据加载到内存。并得到位图的扫描行宽度（stride），图像尺寸等信息。
      （2）创建了一个内存映射文件句柄 hSection；并得到该内存文件一个视图内存指针： lpDIBData。
      （3）从HDC 创建一个 DIB 位图： CreateDIBSection，把已经创建的内存文件句柄传递进去，这时 lpDIBData 设置为指向文件起始处。
      （4）创建一个内存DC，并选入DIB位图，然后把屏幕数据 bitblt 传送到内存DC。此时 lpDIBData 指向屏幕位图数据块。
      （5）这时我们改写 lpDIBData 指向的内存数据，用加载到内存中的图标数据和alpha通道数据进行逐一alpha合成。
      （6）再把内存DC bitblt 拷贝送回到 HDC 即可。

      这里把 AlphaIcon.cpp的主体代码展示如下，注意，代码中的以“t_”为前缀的函数是我在 AlphaIcon.h 中的函数名宏定义，是为了同时适用于 unicode 和多字节字符串环境。具体可以参见 AlphaIcon.h中的代码。
      

#include "StdAfx.h"
#include "AlphaIcon.h"

/*加载位图，注意，只能加载bpp=24的位图*/
bool CAlphaIcon::Load(TCHAR *filename)
{
    FILE* stream;
    int i,j;
    size_t bytesRead=0, stride=0;
    /*必须是long型（即int32）*/
    long offset;
    BITMAPFILEHEADER fileHeader;
    BITMAPINFOHEADER infoHeader;
    
    //是否加载过图片
    if(this->m_data.pPixels != NULL)
        this->DeleteBitmap();

    stream=t_fopen(filename,_T("rb"));
    if(stream==NULL)
    {
        //open file failed
        return false;
    }
    fseek(stream,0,0);
    fread(&fileHeader,sizeof(fileHeader),1,stream);
    fread(&infoHeader,sizeof(infoHeader),1,stream);

    /*设置图片的宽度和高度信息*/
    this->m_data.width=(unsigned int)(infoHeader.biWidth);
    this->m_data.height=(unsigned int)(infoHeader.biHeight);
    this->m_data.bpp = (BYTE)infoHeader.biBitCount;//位深度

    /* stride: scan line bytes count. padding for 4 bytes */
    /* stride：扫描行宽度 */
    this->m_data.stride=(infoHeader.biBitCount * infoHeader.biWidth+31)/32*4;
    this->m_data.strideAlpha = (8* infoHeader.biWidth + 31)/32*4;

    /*分配数据空间！*/
    this->m_data.pPixels=(BYTE*)malloc( this->m_data.stride * infoHeader.biHeight );
    if(this->m_data.pPixels==NULL) /*检测内存是否分配成功！*/
    {
        fclose(stream);
        return false;
    }

    this->m_data.pAlpha = (BYTE*)malloc(this->m_data.strideAlpha * infoHeader.biHeight );
    if(this->m_data.pAlpha==NULL) /*检测内存是否分配成功！*/
    {
        free(this->m_data.pPixels);
        fclose(stream);
        return false;
    }
    
    //加载位图数据
    fseek(stream, fileHeader.bfOffBits, SEEK_SET);
    bytesRead = fread(this->m_data.pPixels, 1, this->m_data.stride * this->m_data.height, stream);

    //加载alpha通道
    bytesRead = fread(this->m_data.pAlpha, 1, this->m_data.strideAlpha * this->m_data.height, stream);

    fclose(stream);    /* close the bitmap file */

    //设置bminfo
    memcpy(&this->m_bminfo.bmiHeader, &infoHeader, sizeof(BITMAPINFOHEADER));

    //打开内存映射
    this->m_data.hSection = CreateFileMapping(
        INVALID_HANDLE_VALUE,    // use paging file
        NULL,                    // default security 
        PAGE_READWRITE,          // read/write access
        0,                       // max. object size 
        this->m_data.stride * this->m_data.height,// buffer size  
        NULL);       // name of mapping object

    this->m_data.lpDIBData = (BYTE*)MapViewOfFile(
        this->m_data.hSection,
        FILE_MAP_ALL_ACCESS,
        0,
        0,    //文件偏移地址
        0); //If dwNumberOfBytesToMap is zero, the entire file is mapped. 

    return true;/*加载成功！返回*/
}

/*释放位图数据占用的内存*/
void CAlphaIcon::DeleteBitmap()
{
    /*释放内存！*/
    if(this->m_data.pPixels != NULL)
        free(this->m_data.pPixels);

    if(this->m_data.pAlpha != NULL)
        free(this->m_data.pAlpha);    

    //关闭内存映射
    if(this->m_data.lpDIBData!=NULL)
        UnmapViewOfFile(this->m_data.lpDIBData);

    if(this->m_data.hSection != NULL)
        CloseHandle(this->m_data.hSection);

    this->m_data.pPixels = NULL;
    this->m_data.pAlpha = NULL;
    this->m_data.lpDIBData = NULL;
    this->m_data.hSection = NULL;
    return;    
}


//把图片绘制到HDC
void CAlphaIcon::Draw(HDC hDC, int nXDest, int nYDest)
{
    int i,j;
    //是否已经分配了空间
    if(this->m_data.pPixels == NULL) return;

    LPVOID lpBits;//接收数据起始地址
    HBITMAP hDIB = CreateDIBSection(hDC, &this->m_bminfo, DIB_PAL_COLORS, &lpBits, this->m_data.hSection, 0);


    HDC hmemdc = CreateCompatibleDC(hDC);
    HGDIOBJ hOldBm = SelectObject(hmemdc, hDIB);
    //贴图
    BitBlt(hmemdc, 0, 0, this->m_data.width, this->m_data.height, hDC, nXDest, nYDest, SRCCOPY);


    //依次对每个像素进行alpha合成
    for(i=0; i< this->m_data.stride * this->m_data.height; i++)
    {
        this->m_data.lpDIBData[i] = BLEND(
                this->m_data.lpDIBData[i],    //背景像素值
                this->m_data.pPixels[i],    //上层像素值
                this->m_data.pAlpha[i/3]    //alpha
                );
    }

    BitBlt(hDC, nXDest, nYDest, this->m_data.width, this->m_data.height, hmemdc, 0, 0, SRCCOPY);    
    //清理
    SelectObject(hmemdc, hOldBm);
    DeleteDC(hmemdc);
    DeleteObject(hDIB);
}



// 获取位图尺寸
void CAlphaIcon::GetSize(SIZE* sz)
{
    if(this->m_data.pPixels == NULL || sz==NULL)
    {
        return;
    }

    sz->cx = this->m_data.width;
    sz->cy = this->m_data.height;
    return;
}

//生成一个特殊图标文件，注意文件bmfile就会被改写！
//bmfile: 普通位图文件
//alfile: alpha通道位图
bool CAlphaIcon::WriteIconFile(TCHAR* bmfile, TCHAR* alfile)
{
    TCHAR path[_MAX_PATH];
    TCHAR drive[_MAX_DRIVE];
    TCHAR dir[_MAX_DIR];
    TCHAR fname[_MAX_FNAME], backupfname[_MAX_FNAME];
    TCHAR ext[_MAX_EXT];

    FILE *stream1, *stream2;
    int i,j;
    size_t bytesRead=0, stride=0;
    /*必须是long型（即int32）*/
    long offset;
    BITMAPFILEHEADER fileHeader;
    BITMAPINFOHEADER infoHeader;
    
    //是否加载过图片
    if(this->m_data.pPixels != NULL)
        this->DeleteBitmap();


    //对bmp文件进行追加alpha通道的内容
    stream1=t_fopen(bmfile, _T("ab+"));
    if(stream1==NULL)
    {
        //open file failed
        return false;
    }

    stream2=t_fopen(alfile,_T("rb"));
    if(stream2==NULL)
    {
        //open file failed
        fclose(stream1);
        return false;
    }

    //此时，对原来的位图进行以下备份，原位图拷贝到 FILENAME_backup.bmp
    t_splitpath(bmfile, drive, dir, fname, ext);
    t_sprintf(backupfname, _T("%s_backup"), fname);
    t_makepath(path, drive, dir, backupfname, ext);
    CopyFile(bmfile, path, FALSE);    //覆盖写

    fread(&fileHeader,sizeof(fileHeader),1,stream2);
    fread(&infoHeader,sizeof(infoHeader),1,stream2);


    /* stride: scan line bytes count. padding for 4 bytes */
    /* stride：扫描行宽度 */
    stride =(infoHeader.biBitCount * infoHeader.biWidth+31)/32*4;

    /*分配数据空间！*/
    BYTE *buffer = (BYTE*)malloc(stride * infoHeader.biHeight);
    if(buffer==NULL) /*检测内存是否分配成功！*/
    {
        fclose(stream1);
        fclose(stream2);
        return false;
    }

    //加载alpha通道数据
    fseek(stream2, fileHeader.bfOffBits, SEEK_SET);
    bytesRead = fread(buffer, 1, stride * infoHeader.biHeight, stream2);
    //追加到文件1尾部
    fwrite(buffer, 1, stride * infoHeader.biHeight, stream1);
    
    //清理
    fclose(stream1);
    fclose(stream2);    /* close the bitmap file */
    free(buffer);


    //把追加好的文件拷走成为 FILENAME_ICON.bmp
    t_sprintf(backupfname, _T("%s_ICON"), fname);
    t_makepath(path, drive, dir, backupfname, ext);
    CopyFile(bmfile, path, FALSE);    //覆盖写

    //把备份文件拷回成原来的文件名 FILENAME_backup.bmp -> FILENAME.bmp
    t_sprintf(backupfname, _T("%s_backup"), fname);
    t_makepath(path, drive, dir, backupfname, ext);
    CopyFile(path, bmfile, FALSE);    //覆盖写

    return true;/*成功！返回*/
}

 //用于判断已经是否加载了图片
bool CAlphaIcon::IsNull()
{
    return (this->m_data.pPixels == NULL);
}

      
      这样我们在绘制图标时，先通过加载方法从文件中读取图像数据，然后在绘制时，把 HDC 参数和起始位置信息传递给 这个类的 Draw 方法即可完成 alpha 合成。由于这种图标文件在现实中不可能存在，所以我还在关于对话框上做了一些简单功能，用于生成这样的携带alpha 通道数据的位图文件。我在项目的“关于对话框”修改如下所示：

      

      在上面半部分是原本的项目框架生成的关于对话框，在下半部分，主要是用于选择用于制作图标的文件。第一个文件是用于显示的原始 RGB 图像，第二个文件是用于追加到文件尾部去的alpha 通道位图文件，它应该是一个普通的灰度图像，和第一个图像的大小完全相同。选择后点击“改写BMP文件”按钮，即可生成一个带有alpha 通道的图标文件。点击后弹出是否成功的提示消息框。如果两个文件都是存在的，则通常是成功的，我并没有对文件本身内容采取更多的校验。
      例如，输入的文件名分别是 icon01.bmp, icon01_alpha.bmp; 则生成的图标文件命名是 icon01_ICON.bmp，同时我还拷贝了一个原图的备份文件（icon01_backup.bmp）。
      由于编写匆忙，demo程序的提示信息并不明确，因此这里简单再介绍以下：
      （1）在demo 程序中，通过帮助->关于打开“关于对话框”去制作 带有alpha通道的图标。
      （2）在文件->选择背景位图菜单，可以打开一个图像文件，作为程序窗口的背景图。通过选择“特殊图标”菜单，可以打开一个由步骤（1）生成的图标文件。同时，可以用鼠标按下去拖曳图标，可以看到图标在背景图上不同位置的合成效果。由于实时刷新会有很强烈的闪烁感，所以为了避免闪烁，我把实时刷新的方式改为了通过绘制焦点矩形的反馈方式。
      下面是这个程序的截图：
      
      

      结论：
      和现在图标的绘制方式相比，应当说处理量是增大的。对于对效率要求更高的场合比如游戏等，需要适当兼顾性能和视觉效果的平衡。

      最后，这里是相关范例的源代码压缩包：
      https://files.cnblogs.com/hoodlum1980/JRL_AlphaIconDemo.rar