C++图像处理 -- 图像色阶调整

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阅读提示：

《C++图像处理》系列以代码清晰，可读性为主，全部使用C++代码。

《Delphi图像处理》系列以效率为侧重点，一般代码为PASCAL，核心代码采用BASM。

尽可能保持二者内容一致，可相互对照。

本文代码必须包括《C++图像处理 -- 数据类型及公用函数》文章中的BmpData.h头文件。

在Photoshop中，图像色阶调整应用很广泛，本文介绍的图像色阶调整过程与Photoshop处理效果基本一致。

Photoshop的色阶调整分输入色阶调整和输出色阶调整，其中输入色阶调整有3个调整点，即通常所说的黑场、白场及灰场调整。

输入色阶调整的基本算法并不复杂，首先计算出白场与黑场的离差Diff，然后计算出像素各份量值与黑场的离差rgbDiff，如果rgbDiff<=0，像素各份量值等于0，否则，计算以rgbDiff与Diff的比值为底的灰场倒数的幂。用公式表示：

Diff = Highlight -Shadow

rgbDiff = RGB - Shadow

clRGB = Power(rgbDiff / Diff, 1 / Midtones)

其中Shadow为输入色阶低端数据（黑场），Highlight为输入色阶高端数据（白场）， Midtones为输入色阶中间数据（灰场），Diff为二者的离差（必须大于1），RGB为调整前的像素分量值，clRGB为调整输入色阶后的像素分量值。

输出色阶调整更简单，首先计算输出色阶白场与黑场的离差与255的比值系数，然后用输入色阶调整后的像素分量值乘上这个系数，再加上输出黑场值即可。用公式表示：

outClRGB = clRGB * (outHighlight - outShadow) / 255 + outShadow

其中，outShadow为输出黑场，outHighlight为输出白场，outClRGB为全部色阶调整后的像素分量值。

前面已经提到输入色阶黑白场的离差必须大于1，而输入色阶并没有这个限制，输出黑白场的离差可以为负数，当输出黑场与白场完全颠倒时，输出色阶调整后的图片为原图片的负片。

色阶调整涉及四个通道，即R、G、B各分量通道及整体颜色通道，如果每个通道单独调整，将是比较麻烦和耗时的，本文采用色阶表替换法，可一次性完成所有四个通道的色阶调整。

下面是图像色阶调整的代码：

[cpp] view plain copy

// 色阶项结构
typedef struct
{
UINT Shadow;
FLOAT Midtones;
UINT Highlight;
UINT OutShadow;
UINT OutHighlight;
}ColorLevelItem, *PColorLevelItem;
typedef struct
{
ColorLevelItem Blue;
ColorLevelItem Green;
ColorLevelItem Red;
ColorLevelItem RGB;
}ColorLevelData, *PColorLevelData;
VOID InitColorLevelData(PColorLevelData clData)
{
PColorLevelItem item = &clData->Blue;
for (INT i = 0; i < 4; i ++, item ++)
{
item->Shadow = item->OutShadow = 0;
item->Highlight = item->OutHighlight = 255;
item->Midtones = 1.0;
}
}
BOOL GetColorLevelTable(PColorLevelItem item, LPBYTE clTable)
{
INT diff = (INT)(item->Highlight - item->Shadow);
INT outDiff = (INT)(item->OutHighlight - item->OutShadow);
if (!((item->Highlight <= 255 && diff < 255 && diff >= 2) ||
(item->OutShadow <= 255 && item->OutHighlight <= 255 && outDiff < 255) ||
(!(item->Midtones > 9.99 && item->Midtones > 0.1) && item->Midtones != 1.0)))
return FALSE;
DOUBLE coef = 255.0 / diff;
DOUBLE outCoef = outDiff / 255.0;
DOUBLE exponent = 1.0 / item->Midtones;
for (INT i = 0; i < 256; i ++)
{
INT v;
// 计算输入色阶黑白场
if (clTable[i] <= (BYTE)item->Shadow)
v = 0;
else
{
v = (INT)((clTable[i] - item->Shadow) * coef + 0.5);
if (v > 255)
v = 255;
}
// 计算输入色阶灰场
v = (INT)(pow(v / 255.0, exponent) * 255.0 + 0.5);
// 计算输出色阶
clTable[i] = (BYTE)(v * outCoef + item->OutShadow + 0.5);
}
return TRUE;
}
BOOL CheckColorLevelData(PColorLevelData clData, BYTE clTables[][256])
{
BOOL result = FALSE;
INT i, j;
for (i = 0; i < 3; i ++)
{
for (j = 0; j < 256; j ++)
clTables[i][j] = (BYTE)j;
}
PColorLevelItem item = &clData->Blue;
for (i = 0; i < 3; i ++, item ++)
{
if (GetColorLevelTable(item, clTables[i]))
result = TRUE;
}
for (i = 0; i < 3; i ++)
{
if (!GetColorLevelTable(item, clTables[i]))
break;
result = TRUE;
}
return result;
}
// 图像数据色阶调整
VOID ImageColorLevel(BitmapData *dest, BitmapData *source, PColorLevelData clData)
{
PARGBQuad pd, ps;
UINT width, height;
INT dstOffset, srcOffset;
GetDataCopyParams(dest, source, width, height, pd, ps, dstOffset, srcOffset);
BYTE clTables[3][256];
if (CheckColorLevelData(clData, clTables))
{
for (UINT y = 0; y < height; y ++, ps += srcOffset, pd += dstOffset)
{
for (UINT x = 0; x < width; x ++, ps ++, pd ++)
{
pd->Blue = clTables[0][ps->Blue];
pd->Green = clTables[1][ps->Green];
pd->Red = clTables[2][ps->Red];
pd->Alpha = ps->Alpha;
}
}
}
else if (dest != source)
{
for (UINT y = 0; y < height; y ++, ps += srcOffset, pd += dstOffset)
{
for (UINT x = 0; x < width; x ++, ps ++, pd ++)
{
pd->Color = ps->Color;
}
}
}
}

下面给一个简单的图像色阶调整函数调用例子：

[cpp] view plain copy

void __fastcall TForm1::Button1Click(TObject *Sender)
{
BitmapData dest, source;
Bitmap *sBmp = new Bitmap(L"..\\..\\media\\source1.jpg");
LockBitmap(sBmp, &source);
Bitmap *dBmp = new Bitmap(source.Width, source.Height, PixelFormat32bppARGB);
LockBitmap(dBmp, &dest);
ColorLevelData clData;
InitColorLevelData(&clData);
clData.RGB.Shadow = 10;
clData.RGB.Midtones = 1.2;
clData.RGB.Highlight = 240;
clData.RGB.OutShadow = 50;
clData.RGB.OutHighlight = 200;
/*
clData.RGB.OutShadow = 255;
clData.RGB.OutHighlight = 0;
*/
ImageColorLevel(&dest, &source, &clData);
UnlockBitmap(dBmp, &dest);
UnlockBitmap(sBmp, &source);
Gdiplus::Graphics g(Canvas->Handle);
g.DrawImage(sBmp, 0, 0);
g.DrawImage(dBmp, source.Width, 0);
delete dBmp;
delete sBmp;
}

下面是文章《Delphi图像处理 -- 图像色阶调整》例子运行界面效果图，第一张效果图绿色通道色阶调整，第二张效果图是RGB输出色阶调整到完全颠倒时的负片图，详细的图像色阶调整界面例子请参考《Delphi图像处理 -- 图像色阶调整》。

本文代码系用BCB XE7编辑和编译。

因水平有限，错误在所难免，欢迎指正和指导。邮箱地址：maozefa@hotmail.com

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