PS 色彩平衡之算法公式原理详解及 Python 实现

本文介绍了 PS 中色阶的实现原理及公式，并用 Python 实现，自测与 PS 的色阶调整效果基本完全一样。
PS 中色彩平衡可以对高光、中间调、阴影三个色调进行调整，每个色调中有可以对 RGB 三个通道调整，每个通道的调整区间范围是 [-100, 100]

色彩平衡之高光

高光各色条的现象及规律如下：

a. 对于正向的调整，只增加输入图像中该通道的值，其他两个通道不变，比如只调整蓝色 +100，那么原图中蓝色通道值会增加，红色通道和绿色通道不变，如下图；
b. 对于负向的调整，该通道值不变，其他两个通道值增加，比如同样只调整蓝色 -100，那么原图中蓝色通道值不变，红色通道和绿色通道值增加，如下图；
c. 此外如果将三个调整滑杆都拖动相同的数值，那么原图没有变化。如 RGB 三个滑杆值每个通道都加或减相同数值，效果一样，如 (+10, +20, +30)的效果等价于 (-10, 0, 10) 的效果（RGB 三个滑杆都减 20），也等价于 (20, 30, 40) 的效果（RGB 三个滑杆都加 10）可通过 PS 验证。
d. 生成一张 255x255 的图，其从左到右每个像素点 RGB 每个通道的颜色值从 0~255，然后将该图通过 PS 做色彩平衡处理并存处理后的图片，下图中横轴是取的 0~255，纵轴是取的通过 PS 处理后的 RGB 各个通道的值并画线

e. 通过设置不同的参数值导出多张图，然后拟合出调整系数（上图中变化直线斜率）与滑杆调整值[0, 100]的关系(见上图高光下加不同蓝色值对应的输出曲线)，只测正值即可，负值相当于其另外两个通道做正向调整（公式如下，Vin 为输入图像的 RGB，a 为固定系数，X 为各通道的正向调节值 [0, 100]；

色彩平衡-高光映射公式：
Vout=255∗Vin255−XVout = \frac{255 * Vin}{255 - X} Vout=255−X255∗Vin

Vout={0if Vout<0255if Vout>255Vout = \left\{ \begin{array}{ll} 0 & \textrm{if $Vout<0$}\\ 255 & \textrm{if $Vout>255$}\\ \end{array} \right. Vout={0255if Vout<0if Vout>255

色彩平衡之阴影调整

阴影各色条的现象及规律如下：

a. 对于正向的调整，该通道值不变，其他两个通道值减小，比如同样只调整蓝色 +100，那么原图中蓝色通道值不变，红色通道和绿色通道值减小，如下图；
b. 对于负向的调整，只减少输入图像中该通道的值，其他两个通道不变，比如只调整蓝色 -100，那么原图中蓝色通道值会减小，红色通道和绿色通道不变，如下图；
c. 此外如果将三个调整滑杆都拖动相同的数值，那么原图没有变化。如果 RGB 三个滑杆值每个通道都加或减相同数值，效果一样。
d. 生成一张 255x255 的图，其从左到右每个像素点 RGB 每个通道的颜色值从 0~255，然后将该图通过 PS 做色彩平衡处理并存处理后的图片，下图中横轴是取的 0~255，纵轴是取的通过 PS 处理后的 RGB 各个通道的值并画线

e. 通过设置不同的参数值导出多张图，然后拟合出直线斜率、截距与滑杆调整值[0, 100]的关系(见上图阴影下加不同蓝色值对应的输出曲线)，只测负值即可，正值相当于其另外两个通道做负向调整（公式如下，Vin 为输入图像的 RGB，X 为各通道的正向调节值 [0, 100]）

色彩平衡-阴影映射公式：
Vout=255∗(Vin−X)255−XVout = \frac{255 * (Vin - X)}{255 - X} Vout=255−X255∗(Vin−X)

Vout={0if Vout<0255if Vout>255Vout = \left\{ \begin{array}{ll} 0 & \textrm{if $Vout<0$}\\ 255 & \textrm{if $Vout>255$}\\ \end{array} \right. Vout={0255if Vout<0if Vout>255

代码如下：

# -*- coding: utf-8 -*-
# @Time    : 2021-03-09 11:05
# @Author  : AlanWang4523
# @FileName: ps_color_balance_test.pyimport os
import sys
import cv2
import numpy as npTONE_SHADOWS   = 0
TONE_MIDTONE   = 1
TONE_HIGHLIGHT = 2
SH_COEFFICIENTS = 0.0039216 # 1.0/255
MID_COEFFICIENTS = 0.0033944class ColorBalance:"""色彩平衡调整"""def __init__(self):self.tone = TONE_SHADOWSself.tone_arguments = np.zeros([3,3], dtype=np.int)self.tone_coefficients = np.zeros([3,3])self.sh_coef_self = np.array([[1, 0, 0], [0, 1, 0], [0, 0, 1]])self.sh_coef_other = np.array([[0, 1, 1], [1, 0, 1], [1, 1, 0]])self.mid_coef_self = np.array([[1, -1, -1], [-1, 1, -1], [-1, -1, 1]])def update_tones(self, x):self.tone = x;def update_cyan_red(self, x):self.tone_arguments[self.tone, 0] = xdef update_magenta_green(self, x):self.tone_arguments[self.tone, 1] = xdef update_yellow_blue(self, x):self.tone_arguments[self.tone, 2] = xdef adjust_image(self, img):print("ColorBalance Params:")print("   Shadows: ", self.tone_arguments[TONE_SHADOWS][:])print("  Midtones: ", self.tone_arguments[TONE_MIDTONE][:])print("Highlights: ", self.tone_arguments[TONE_HIGHLIGHT][:])# print("   Shadows: %d, %d, %d" % (self.tone_arguments[TONE_SHADOWS, 0], self.tone_arguments[TONE_SHADOWS, 1], self.tone_arguments[TONE_SHADOWS, 2]))# print("  Midtones: %d, %d, %d" % (self.tone_arguments[TONE_MIDTONE, 0], self.tone_arguments[TONE_MIDTONE, 1], self.tone_arguments[TONE_MIDTONE, 2]))# print("Highlights: %d, %d, %d" % (self.tone_arguments[TONE_HIGHLIGHT, 0], self.tone_arguments[TONE_HIGHLIGHT, 1], self.tone_arguments[TONE_HIGHLIGHT, 2]))temp = np.sort(self.tone_arguments[TONE_SHADOWS][:])self.tone_coefficients[TONE_SHADOWS][:] = (self.tone_arguments[TONE_SHADOWS][:] - temp[1]) * SH_COEFFICIENTStemp = np.sort(self.tone_arguments[TONE_MIDTONE][:])self.tone_coefficients[TONE_MIDTONE][:] = (self.tone_arguments[TONE_MIDTONE][:] - temp[1]) * MID_COEFFICIENTStemp = np.sort(self.tone_arguments[TONE_HIGHLIGHT][:])self.tone_coefficients[TONE_HIGHLIGHT][:] = (self.tone_arguments[TONE_HIGHLIGHT][:] - temp[1]) * SH_COEFFICIENTSprint("tone_coefficients:")print("   Shadows: ", self.tone_coefficients[TONE_SHADOWS][:])print("  Midtones: ", self.tone_coefficients[TONE_MIDTONE][:])print("Highlights: ", self.tone_coefficients[TONE_HIGHLIGHT][:])test_array = self.tone_coefficients[TONE_HIGHLIGHT][:]self.tone_coefficients[TONE_HIGHLIGHT][:] = np.dot(np.where(test_array > 0, test_array, 0), self.sh_coef_self) +\np.dot((-1) * np.where(test_array < 0, test_array, 0), self.sh_coef_other)test_array = self.tone_coefficients[TONE_SHADOWS][:]self.tone_coefficients[TONE_SHADOWS][:] = np.dot(np.where(test_array > 0, test_array, 0), self.sh_coef_other) +\np.dot((-1) * np.where(test_array < 0, test_array, 0), self.sh_coef_self)  # test_array = self.tone_coefficients[TONE_MIDTONE][:]# self.tone_coefficients[TONE_MIDTONE][:] = np.dot(test_array, self.mid_coef_self)# self.tone_coefficients[TONE_MIDTONE][:] = np.power(e, np.dot(test_array, self.mid_coef_self))print("after_tone_coefficients:")print("   Shadows: ", self.tone_coefficients[TONE_SHADOWS][:])print("  Midtones: ", self.tone_coefficients[TONE_MIDTONE][:])print("Highlights: ", self.tone_coefficients[TONE_HIGHLIGHT][:])# r, g, b = img = img.astype(np.float)b, g ,r =cv2.split(img)r = r / (1.0 - self.tone_coefficients[TONE_HIGHLIGHT, 0])g = g / (1.0 - self.tone_coefficients[TONE_HIGHLIGHT, 1])b = b / (1.0 - self.tone_coefficients[TONE_HIGHLIGHT, 2])r[r > 255] = 255g[g > 255] = 255b[b > 255] = 255r = (r - 255.0 * self.tone_coefficients[TONE_SHADOWS, 0]) / (1.0 - self.tone_coefficients[TONE_SHADOWS, 0])g = (g - 255.0 * self.tone_coefficients[TONE_SHADOWS, 1]) / (1.0 - self.tone_coefficients[TONE_SHADOWS, 1])b = (b - 255.0 * self.tone_coefficients[TONE_SHADOWS, 2]) / (1.0 - self.tone_coefficients[TONE_SHADOWS, 2])r[r < 0] = 0g[g < 0] = 0b[b < 0] = 0img = cv2.merge([b, g, r])img = img.astype(np.uint8)return img    def color_balance_adjust(path):"""色彩平衡调整"""origin_image = cv2.imread(path)cloorBalance = ColorBalance()title = "ColorBalance"# 阴影cloorBalance.update_tones(0)cloorBalance.update_cyan_red(0)cloorBalance.update_magenta_green(-100)cloorBalance.update_yellow_blue(0)# 中间调cloorBalance.update_tones(1)cloorBalance.update_cyan_red(-30)cloorBalance.update_magenta_green(-50)cloorBalance.update_yellow_blue(-50)# 高光cloorBalance.update_tones(2)cloorBalance.update_cyan_red(100)cloorBalance.update_magenta_green(0)cloorBalance.update_yellow_blue(0)image = cloorBalance.adjust_image(origin_image)    cv2.namedWindow(title, cv2.WINDOW_NORMAL)   cv2.resizeWindow(title, 800, 600)cv2.moveWindow(title, 0, 0)while True:cv2.imshow(title, image)if cv2.waitKey(1) == ord('q'):breakcv2.destroyAllWindows()        if __name__ == '__main__':'''运行环境：Python 3执行：python3 ps_color_balance_test.py <图片路径>如：python3 ps_color_balance_test.py test.jpg'''if len(sys.argv) == 1:print("参数错误：未传入图片路径！")sys.exit(-1)img_path = sys.argv[1]print("img_path Params:", img_path)color_balance_adjust(img_path)

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