XRender 扩展的设计和实现（Design and Implementation of the X Rendering Extension）

原文地址：https://keithp.com/~keithp/talks/usenix2001/xrender/，本文仅做翻译。

     X Rendering Extension（或者说render，XRender）是X11核心协议的扩展，用于在X Server中实现图像合成。

一、摘要

    在2000年的Usenix技术大会，介绍了X渲染环境以及将X呈现出来所需的能力。 在过去的一年中，新的扩展，作为标准XFree86发行版的一部分，已经被设计和实现。
    X渲染扩展解决了核心X渲染架构中的许多问题，并且没有显著地增加协议解释或是增加服务器负担。通过借用Plan 9窗口系统的基本图像合成概念并提供复杂和可扩展的字体渲染，XFree86可以更好地支持现有应用程序，同时鼓励用户界面的新发展。在精确的多边形光栅化和图像变换领域仍然有很多工作有待我们去完成。

二、简介

    在2000年的Usenix会议上，学者提交了一篇论文，讨论了核心X渲染架构中存在的问题以及可能的解决方案。根本问题是：渲染系统的编码实践，事后很快就会被废弃。急于发布原始的X11标准，没有时间留给技术问题的解决。最重要的问题是那个时代的硬件不能支持复杂的交互式窗口系统。

    去年的一些论文 - alpha合成，抗锯齿，亚像素定位和梯形 - 都包含在这个新的扩展中。扩展的其他部分，如客户端字体管理是在扩展设计期间开发的。

    扩展版本的开发以开放的方式进行，并且从窗口系统社区的各处获得输入。参与XFree86，KDE，Qt，Gdk，Gnome和OpenGL的人都为最终架构的形成作出了贡献。

    但是规范的某些方面仍然不够完善。工具包和应用程序开发从XRender中收益，因此它已经成为XFree86发行版的重要部分。它还传达出了一个强烈的信号：XFree86已准备就绪并能够将X Window系统的开发推向未来。

三、渲染模型

    XRender 与核心X 渲染系统不同，用RGB模型替换基于像素值的模型。虽然客户端仍然可以看到像素值，但每个像素值（即使存储在像素图中的像素值）都有一个与之关联的颜色值。这样就可以提供基于颜色的自然成像，同时仍允许应用程序在必要时查看像素值。

    这种改变带来的一个问题是伪彩色视觉效果。最好的方法是动态分配颜色以最接近地匹配显示的颜色。但是，伪彩色桌面的数量正在减少，取代它的是静态颜色模型。这样可以大幅减少执行时的负担，同时仍然允许应用程序在伪彩色硬件上运行。 （事实上​​，目前的XFree86实现甚至没有这种简化的支持，但迄今为止还没有提交错误报告。）

    除了将图像数据呈现为颜色值之外，Render还使用由Porter和Duff两人在1984年正式提出的图像合成操作取代核心协议中的光栅化操作。这些操作指令通过引入透明度和允许当图像一层一层的叠加时颜色数据混合的方式来获得颜色数据。

    Porter-Duff混合模型统一了半透明的概念：像素完全被非不透明值（non-opaque value）覆盖，具有局部覆盖的概念，其中一部分像素被覆盖而剩余部分未被覆盖。渲染使用部分覆盖来近似抗锯齿；沿着几何对象边缘的部分覆盖的像素被渲染为好像它们是半透明的。

    Render中的所有操作都是根据原始运算操作合成的，产生一致的模型同时支持最简单的实现。渲染模型的设计宗旨是：通过尽可能简单的方式提供必要的服务操作，使其与现代工具包和应用程序配合良好。

3.1图像合成

    从物理学上来说，半透明物体会吸收一些照射在它身上的光但不是全部。物体的颜色会影响哪些波长吸收最多。在视觉上，半透明物体似乎会影响其他物体的颜色和亮度。

    部分遮挡视野的和半透明物体的效果是相似的；在足够精细的分辨率下，在对象边缘附近的点处采样的颜色将显示为上层和下层颜色的混合。Porter和Duff使用此属性将部分覆盖转换为半透明。

    光对半透明对象的影响可以通过将半透明对象的颜色与旁边对象的颜色混合来模拟。当处理计算机图像时，半透明度可以描述为对图像集合颜色数据的数学运算。Porter和Duff利用颜色数据和称为“alpha”的每像素不透明度值组成的公式建立模型。利用这些公式，可以执行许多直观的图像处理。

3.1.1图像合成运算

    由Porter和Duff定义的运算独立地在每个像素的每个颜色通道上操作。为了显示每个像素点的每个通道上的操作方程式被缩写。

    常见的合成操作是将一个图像放在另一个图像上。上层图像的透明区域中可以显示底层图像，不透明区域隐藏底层图像，而半透明区域将两个图像混合在一起。将像素的“alpha”定义为0到1之间的数来衡量不透明度，那么可以用一个简单的等式将两个像素颜色组合在一起：

                                                         

 

    Porter和Duff称之为“over”运算。

    另一个常见的操作是用另一个图像掩盖本图像；透明区域从图像中移除，而不透明区域使得图像可见。

                                                            

    这是“in”运算。 他们提出了完整的合成代数和其他操作，但是此扩展中只需要这两个。

    这个模型的一个重要方面是它创建了一个新的图像描述——为每个像素附加了一个值“alpha”。该值测量像素的“不透明度”，并且可以通过渲染函数和颜色分量进行操作。

3.1.2目标Alpha

     有时，创建本身半透明的合成图像很有用，换句话说，包含alpha值。这种效果可以通过增加操作来实现，该操作可以产生复合α值和颜色值。 对于“over”运算操作，复合alpha值定义为：

                                                

“in”运算符复合alpha值是：