Android学习笔记之ColorMatrix、图像处理

1.色彩矩阵

  图片是由点阵和颜色值组成的，点阵是一个包含像素的举证，每个元素对应着图片的一个像素。当我知道颜色和矩阵有关时比较惊讶，大学时学的线性代数在这里用上了。
  在Android中处理图像的色彩效果的类是颜色矩阵ColorMatrix。颜色矩阵是一个4x5的数字矩阵。对于每个像素点，都有一个颜色分量矩阵用来保存颜色的RGBA值。
$$A=\left\{\begin{array}{ccccc}a& b& c& d& e\\ f& g& h& i& j\\ k& l& m& n& o\\ p& q& r& s& t\end{array}\right\}C=\left\{\begin{array}{c}R\\ G\\ B\\ A\\ 1\end{array}\right\}$$
  矩阵A是一个4x5的颜色矩阵，在Android中使用一维数组的形式来存储[a,b,c,d,e,f,g,h,i,j,k,l,m,n,o,p,q,r,s,t]。矩阵C是一个颜色矩阵分量。
  使用矩阵乘法运算AC来处理颜色分量矩阵，矩阵A、C,乘法运算过程，如下。
$$\begin{gathered} R=\left\{\begin{array}{c}R1\\ G1\\ B1\\ A1\end{array}\right\}=AC \\ \left\{\begin{array}{ccccc}a& b& c& d& e\\ f& g& h& i& j\\ k& l& m& n& o\\ p& q& r& s& t\end{array}\right\}\left\{\begin{array}{c}R\\ G\\ B\\ A\\ 1\end{array}\right\}=\left\{\begin{array}{ccccc}aR& bG& cB& dA& e\\ fR& gG& hB& iA& j\\ Rk& Gl& Bm& An& o\\ Rp& Gq& Br& As& t\end{array}\right\}=\left\{\begin{array}{c}R1\\ G1\\ B1\\ A1\end{array}\right\} \end{gathered}$$
R1 = a x R + b x G + c x B + d x A + e;
G1 = f x R + g x G + h x B + i x A + j;
B1 = k x R + l x G + m x B + n x A +o;
A1 = p x R + q x G + r x B + s x A + t;
$$A=\left\{\begin{array}{ccccc}a& b& c& d& e\\ f& g& h& i& j\\ k& l& m& n& o\\ p& q& r& s& t\end{array}\right\}$$

• 第一行的abcde值用来决定新的颜色值中的R——红色
• 第二行的fghij值用来决定新的颜色值中的G——绿色
• 第三行的klmno值用来决定新的颜色值中的B——蓝色
• 第四行的pqrst值用来决定新的颜色值中的A——透明色

第五列ejot值分别用来决定每个分量中的offset，即偏移量

R1 = a x R + b x G + c x B + d x A + e,令a=1，b、c、d、e都等于0，结果为R1 =R。构造一个矩阵，如下。
$$A=\left\{\begin{array}{ccccc}1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0\end{array}\right\}$$
  如果把这个矩阵代入R1=AC,R1=R。这个矩阵通常被用来作为初始颜色矩阵来使用，不会对原有颜色值进行任何变化。
  改变颜色的两种方法：一是直接改变颜色的offset，二是改变对应RGBA的系数。

1.1改变偏移量

$$A=\left\{\begin{array}{ccccc}1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0\end{array}\right\}A=\left\{\begin{array}{ccccc}1& 0& 0& 0& 100\\ 0& 1& 0& 0& 100\\ 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0\end{array}\right\}$$
  红色、绿色分量增加了100，红绿混合会得到黄色，最后图片颜色偏黄。

1.2改变颜色系数

$$A=\left\{\begin{array}{ccccc}1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0\end{array}\right\}A=\left\{\begin{array}{ccccc}1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 2& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0\end{array}\right\}$$
  改变的绿色，图片颜色偏绿，后面会有相应的展示。

2.使用ColorMatrix来改变图片的色光属性

2.1 色调

  setRotate(int axis, float degrees)，axis使用0、1、2来代表R、G、B三种颜色。degrees处理的值。

        ColorMatrix hueMatrix = new ColorMatrix();
        hueMatrix.setRotate(0, hue);
        hueMatrix.setRotate(1, hue);
        hueMatrix.setRotate(2, hue);

2.2 饱和度

  setSaturation(float sat)，当sat为0时，图片就变成黑白图片了。

        ColorMatrix saturationMatrix = new ColorMatrix();
        saturationMatrix.setSaturation(saturation);

2.3 亮度

  setScale(float rScale, float gScale, float bScale,float aScale)，当三原色以相同比例进行混合时，就会显示出白色，系统正是使用这个原理来改变一个图像的亮度。当亮度为0时，图片就变为黑色了。

        ColorMatrix lumMatrix = new ColorMatrix();
        lumMatrix.setScale(lum, lum, lum, 1);

2.4 效果混合postConcat

  将上面三种ColorMatrix 叠加，需要通过ColorMatrix 的postConcat方法。

        ColorMatrix imageMatrix = new ColorMatrix();
        imageMatrix.postConcat(hueMatrix);
        imageMatrix.postConcat(saturationMatrix);
        imageMatrix.postConcat(lumMatrix);

2.5 示例

  通过三个seekbar来控制图片效果的变化。
seekbar的监听事件

//MID_VALUE =127        seekbar最大值255
// float mHue = 0;
// float mStauration = 1.0f;
// float mLum = 1.0f;	
    @Override
    public void onProgressChanged(SeekBar seekBar, int progress, boolean fromUser) {

        int id = seekBar.getId();
        switch (id) {
            case R.id.sb_1:

                mHue = (progress - MID_VALUE) * 1.0F / MID_VALUE * 180;
                break;

            case R.id.sb_2:

                mStauration = progress * 1.0F / MID_VALUE;
                break;

            case R.id.sb_3:
                mLum = progress * 1.0F / MID_VALUE;
                break;
        }

        iv.setImageBitmap(handleImageEffect(bm, mHue, mStauration, mLum));
    }

设置图像矩阵的代码

    public Bitmap handleImageEffect(Bitmap bm,
                                    float hue,
                                    float saturation,
                                    float lum) {
        Bitmap bmp = Bitmap.createBitmap(
                bm.getWidth(), bm.getHeight(), Bitmap.Config.ARGB_8888);
        Canvas canvas = new Canvas(bmp);
        Paint paint = new Paint();

        ColorMatrix hueMatrix = new ColorMatrix();
        hueMatrix.setRotate(0, hue);
        hueMatrix.setRotate(1, hue);
        hueMatrix.setRotate(2, hue);

        ColorMatrix saturationMatrix = new ColorMatrix();
        saturationMatrix.setSaturation(saturation);

        ColorMatrix lumMatrix = new ColorMatrix();
        lumMatrix.setScale(lum, lum, lum, 1);

        ColorMatrix imageMatrix = new ColorMatrix();
        imageMatrix.postConcat(hueMatrix);
        imageMatrix.postConcat(saturationMatrix);
        imageMatrix.postConcat(lumMatrix);

        paint.setColorFilter(new ColorMatrixColorFilter(imageMatrix));
        canvas.drawBitmap(bm, 0, 0, paint);
        return bmp;
    }

  设置好颜色矩阵后，需要使用paint类的setColorFilter方法，将imageMatrix构造的ColorMatrixColorFilter对象传递进去。
  Android系统不允许直接修改原图，必须通过原图创建一个同样大小的Bitmap，并将原图绘制到新的bitmap中。直接修改原图会报错java.lang.IllegalStateException: Immutable bitmap passed to Canvas constructor。

3.使用颜色矩阵来改变图片

  接下来我们通过直接修改矩阵中的值来改变图片的显示效果。
布局文件xml

<LinearLayout xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
    android:layout_width="match_parent"
    android:layout_height="match_parent"
    android:orientation="vertical">


    <ImageView
        android:id="@+id/mm_iv"
        android:layout_width="match_parent"
        android:layout_height="0dp"
        android:layout_weight="2" />

    <GridLayout
        android:id="@+id/mm_gl"
        android:layout_width="match_parent"
        android:layout_height="0dp"
        android:layout_weight="3"
        android:columnCount="5"
        android:rowCount="4" />


    <LinearLayout
        android:layout_width="match_parent"
        android:layout_height="wrap_content"
        android:layout_marginStart="10dp"
        android:layout_marginEnd="10dp"
        android:orientation="horizontal">

        <Button
            android:id="@+id/mm_but_change"
            android:layout_width="0dp"
            android:layout_height="wrap_content"
            android:layout_weight="1"
            android:text="改变" />

        <Button
            android:id="@+id/mm_but_reset"
            android:layout_width="0dp"
            android:layout_height="wrap_content"
            android:layout_marginStart="20dp"
            android:layout_weight="1"
            android:text="重置" />


    LinearLayout>


LinearLayout>

  动态创建edittext，添加到gridlayout

    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_mmactivity);

        mm_but_change = findViewById(R.id.mm_but_change);
        mm_but_reset = findViewById(R.id.mm_but_reset);
        mm_iv = findViewById(R.id.mm_iv);
        mm_gl = findViewById(R.id.mm_gl);

        bm = BitmapFactory.decodeResource(getResources(), R.mipmap.dgdfg);
        mm_iv.setImageBitmap(bm);

        mm_gl.post(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {

                etWidth = mm_gl.getWidth() / 5;
                etHeight = mm_gl.getHeight() / 4;
                addEts();
                initMatrix();
            }
        });
  }
      /**
     * 添加edittext
     */
    private void addEts() {

        for (int i = 0; i < ets.length; i++) {

            EditText editText = new EditText(this);
            editText.setGravity(Gravity.CENTER);
            ets[i] = editText;
            mm_gl.addView(editText, etWidth, etHeight);
        }

    }
        /**
     * 设置edittext的值
     */
    private void initMatrix() {

        for (int i = 0; i < ets.length; i++) {

            if (i % 6 == 0) {

                ets[i].setText(1 + "");
            } else {

                ets[i].setText(0 + "");
            }
        }
    }

  获得修改后的EditText值，将矩阵值设置给颜色矩阵。

    private void getMatrix() {

        for (int i = 0; i < 20; i++) {

            colorM[i] = Float.valueOf(ets[i].getText().toString());
        }
    }

    private void setImageMatrix() {

        Bitmap bitmap = Bitmap.createBitmap(bm.getWidth(), bm.getHeight(), Bitmap.Config.ARGB_8888);
        ColorMatrix colorMatrix = new ColorMatrix();
        colorMatrix.set(colorM);
        Canvas canvas = new Canvas(bitmap);
        Paint paint = new Paint();
        paint.setColorFilter(new ColorMatrixColorFilter(colorMatrix));
        canvas.drawBitmap(bm, 0, 0, paint);
        mm_iv.setImageBitmap(bitmap);
    }

  最后，设置点击事件，重置是将图片还原，改变是将现有的矩阵作用到图片。

        mm_but_change.setOnClickListener(new View.OnClickListener() {
            @Override
            public void onClick(View v) {

                getMatrix();
                setImageMatrix();
            }
        });
        mm_but_reset.setOnClickListener(new View.OnClickListener() {
            @Override
            public void onClick(View v) {

                initMatrix();
                getMatrix();
                setImageMatrix();
            }
        });

3.1几种图片颜色矩阵处理效果

3.1.1 灰度效果

$$\left\{\begin{array}{ccccc}0.33& 0.59& 0.11& 0& 0\\ 0.33& 0.59& 0.11& 0& 0\\ 0.33& 0.59& 0.11& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0\end{array}\right\}$$

3.1.2 图像颜色反转

$$\left\{\begin{array}{ccccc}-1& 0& 0& 1& 1\\ 0& -1& 0& 1& 1\\ 0& 0& -1& 1& 1\\ 0& 0& 0& 1& 0\end{array}\right\}$$

3.1.3 怀旧效果

$$\left\{\begin{array}{ccccc}0.393& 0.769& 0.189& 0& 0\\ 0.349& 0.686& 0.168& 0& 0\\ 0.272& 0.534& 0.131& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0\end{array}\right\}$$

3.1.4 去色效果

$$\left\{\begin{array}{ccccc}1.5& 1.5& 1.5& 0& -1\\ 1.5& 1.5& 1.5& 0& -1\\ 1.5& 1.5& 1.5& 0& -1\\ 0& 0& 0& 1& 0\end{array}\right\}$$

3.1.5 高饱和度

$$\left\{\begin{array}{ccccc}1.438& -0.112& -0.016& 0& -0.03\\ -0.062& 1.378& -0.016& 0& 0.05\\ -0.062& -0.122& 1.483& 0& -0.02\\ 0& 0& 0& 1& 0\end{array}\right\}$$

4.像素点分析

  通过改变每个像素点argb值，来达到修改图片。android系统提供了Bitmap.getPixels（）方法来获取这个bitmap的像素点。

bm.getPixels(int[] pixels, int offset, int stride,
                          int x, int y, int width, int height)
pixels：接收每个点的颜色
offset：写入到pixels中的第一个像素索引值
stride：pixels中的行间距
x:从位图中读取的第一个像素的X坐标值
y：从位图中读取的第一个像素的y坐标值
width：从每一行中读取的像素宽度
height：读取的行数

一般使用

bm.getPixels(oldPx, 0, bm.getWidth(), 0, 0, width, height);

具体代码

 public Bitmap handleImagePixelsOldPhoto(Bitmap bm) {
 		//由于不能修改原始图片，需要创建一个图片的副本bmp 
        Bitmap bmp = Bitmap.createBitmap(bm.getWidth(), bm.getHeight(),
                Bitmap.Config.ARGB_8888);
        int width = bm.getWidth();
        int height = bm.getHeight();
        int color = 0;
        int r, g, b, a, r1, g1, b1;
		//初始化像素数组的大小
        int[] oldPx = new int[width * height];
        int[] newPx = new int[width * height];
		//获取像素点
        bm.getPixels(oldPx, 0, bm.getWidth(), 0, 0, width, height);
        for (int i = 0; i < width * height; i++) {
            color = oldPx[i];
            a = Color.alpha(color);
            r = Color.red(color);
            g = Color.green(color);
            b = Color.blue(color);
			//效果的公式，用来改变像素点的颜色
            r1 = (int) (0.393 * r + 0.769 * g + 0.189 * b);
            g1 = (int) (0.349 * r + 0.686 * g + 0.168 * b);
            b1 = (int) (0.272 * r + 0.534 * g + 0.131 * b);
			//最大值255
            if (r1 > 255) {
                r1 = 255;
            }
            if (g1 > 255) {
                g1 = 255;
            }
            if (b1 > 255) {
                b1 = 255;
            }

            newPx[i] = Color.argb(a, r1, g1, b1);
        }
        bmp.setPixels(newPx, 0, width, 0, 0, width, height);
        return bmp;
    }

4.1常用图像像素点处理效果

4.1.1 底片效果

处理方法都是前辈们研究出来的，这里我们只是使用。贴出代码和效果图。

    public static Bitmap handleImageNegative(Bitmap bm) {
        int width = bm.getWidth();
        int height = bm.getHeight();
        int color;
        int r, g, b, a;

        Bitmap bmp = Bitmap.createBitmap(width, height
                , Bitmap.Config.ARGB_8888);

        int[] oldPx = new int[width * height];
        int[] newPx = new int[width * height];
        bm.getPixels(oldPx, 0, width, 0, 0, width, height);

        for (int i = 0; i < width * height; i++) {
            color = oldPx[i];
            r = Color.red(color);
            g = Color.green(color);
            b = Color.blue(color);
            a = Color.alpha(color);

            r = 255 - r;
            g = 255 - g;
            b = 255 - b;

            if (r > 255) {
                r = 255;
            } else if (r < 0) {
                r = 0;
            }
            if (g > 255) {
                g = 255;
            } else if (g < 0) {
                g = 0;
            }
            if (b > 255) {
                b = 255;
            } else if (b < 0) {
                b = 0;
            }
            newPx[i] = Color.argb(a, r, g, b);
        }
        bmp.setPixels(newPx, 0, width, 0, 0, width, height);
        return bmp;
    }

4.1.2 浮雕效果

直接贴代码。

 public static Bitmap handleImagePixelsRelief(Bitmap bm) {
        Bitmap bmp = Bitmap.createBitmap(bm.getWidth(), bm.getHeight(),
                Bitmap.Config.ARGB_8888);
        int width = bm.getWidth();
        int height = bm.getHeight();
        int color = 0, colorBefore = 0;
        int a, r, g, b;
        int r1, g1, b1;

        int[] oldPx = new int[width * height];
        int[] newPx = new int[width * height];

        bm.getPixels(oldPx, 0, bm.getWidth(), 0, 0, width, height);
        for (int i = 1; i < width * height; i++) {
            colorBefore = oldPx[i - 1];
            a = Color.alpha(colorBefore);
            r = Color.red(colorBefore);
            g = Color.green(colorBefore);
            b = Color.blue(colorBefore);

            color = oldPx[i];
            r1 = Color.red(color);
            g1 = Color.green(color);
            b1 = Color.blue(color);

            r = (r - r1 + 127);
            g = (g - g1 + 127);
            b = (b - b1 + 127);
            if (r > 255) {
                r = 255;
            }
            if (g > 255) {
                g = 255;
            }
            if (b > 255) {
                b = 255;
            }
            newPx[i] = Color.argb(a, r, g, b);
        }
        bmp.setPixels(newPx, 0, width, 0, 0, width, height);
        return bmp;
    }