【学Rust写CAD】29 Alpha256结构体（alpha256.rs）

源码

#[derive(Clone, Copy)]
pub struct Alpha256(u32);

impl Alpha256{
    #[inline]
    pub fn from(alpha:u32)->Alpha256{
        Alpha256(alpha+1)
    }

    // Calculates 256 - (value * alpha256) / 255 in range [0,256],
    // for [0,255] value and [0,256] alpha256.
    #[inline]
    fn alpha_mul_inv256(self,value: u32) -> u32 {
        let prod = value * self.0;
        256 - ((prod + (prod >> 8)) >> 8)
    }

    // Calculates (value * alpha256) / 255 in range [0,256],
    // for [0,255] value and [0,256] alpha256.
    fn alpha_mul_256(self,value: u32) -> u32 {
        let prod = value * self.0;
        (prod + (prod >> 8)) >> 8
    }
}

源码分析

代码定义了一个名为 Alpha256 的结构体，用于处理与透明度（alpha）相关的计算。以下是对代码的逐步解释：

1. 结构体定义

#[derive(Clone, Copy)]
pub struct Alpha256(u32);

Alpha256 是一个简单的包装类型，内部包含一个 u32 值。

#[derive(Clone, Copy)] 表示该结构体可以自动实现 Clone 和 Copy trait，因此它可以被复制（按位拷贝）而无需移动所有权。

2. 构造函数

#[inline]
pub fn from(alpha: u32) -> Alpha256 {
    Alpha256(alpha + 1)
}

from 是一个构造函数，接受一个 u32 参数 alpha，并返回 Alpha256 实例。

设计意图是将输入的 alpha 范围从 [0, 255] 转换为 [1, 256]（避免除零或无效计算）。

3. 方法：alpha_mul_inv256

#[inline]
fn alpha_mul_inv256(self, value: u32) -> u32 {
    let prod = value * self.0;
    256 - ((prod + (prod >> 8)) >> 8)
}

• 功能：计算 256 - (value * alpha256) / 255，结果范围在 [0, 256]。

• 输入：

  • value：范围 [0, 255] 的像素值。

  • self.0：范围 [1, 256] 的 alpha 值（由构造函数保证）。

计算过程：

1. prod = value * self.0：先计算原始乘积（范围 [0, 255 * 256]）。

2. (prod + (prod >> 8)) >> 8：这是快速近似除以 255 的技巧：

• prod >> 8 等价于 prod / 256。

• prod + (prod >> 8) 近似于 prod * (1 + 1/256)，即 prod * 257/256。

• 右移 8 位（>> 8）相当于除以 256，因此最终结果为 (prod * 257) / 65536 ≈ prod / 254.98（接近 prod / 255）。

3. 256 - …：计算补值，得到反向的 alpha 混合结果。

• 用途：用于“反向混合”计算（如 1 - alpha 的效果）。

4. 方法：alpha_mul_256

fn alpha_mul_256(self, value: u32) -> u32 {
    let prod = value * self.0;
    (prod + (prod >> 8)) >> 8
}

• 功能：计算 (value * alpha256) / 255，结果范围在 [0, 256]。

• 输入：与 alpha_mul_inv256 相同。

• 计算过程：

  • 和 alpha_mul_inv256 的前半部分完全一致，只是没有最后的 256 - … 步骤。

• 用途：直接计算 alpha 混合后的值（例如 value * (alpha / 255)）。

关键点

1. 快速除以 255 的近似：

• 公式 (prod + (prod >> 8)) >> 8 是优化技巧，避免了昂贵的除法操作。

• 误差分析：对于 prod = 255 * 256，真实值为 256，而计算结果为 (65280 + 255) >> 8 = 255（误差 1/256）。

2. Alpha 范围：

• 构造函数将输入 alpha 从 [0, 255] 映射到 [1, 256]，是为了避免 alpha = 0 时的无效计算。

3. 用途：

• 这些方法通常用于图像处理中的透明度混合（如 blend = foreground * alpha + background * (1 - alpha)）。