C++图像处理 -- 图像色阶调整

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：

// 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：

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。

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