GDI+中常见的几个问题(9)
昨天晚上看了Heroes第9集，Eclipse又要来了，激动中。
今天来讲讲上个星期遗留下来的东西：ColorMatrix。
9. Color Matrix
图像的本质是什么？对不同的人来说这是不同的东西。在计算机的世界中，啥东西都是数据，图像也是一种数据。从自然界的光变成计算机的数据，需要通过采样和量化的处理。图像在计算机中，其实是一个二维数组，从数学上来说，这其实是一个矩阵。图像中的每一个点都是个四维向量，也就是(R,G,B,A)， 在RGBA色彩空间中，我们可以使用一个矩阵对每一个点(R,G,B,A)作矩阵乘法运算，这样就可以对图像色彩进行变换。这种做法其实是从三维空间坐标系中的仿射变换类推过来的。具体关于仿射变换，可以参考http://en.wikipedia.org/wiki/Affine_transformation对于仿射变换的介绍。
色彩矩阵就是这个用来对色彩作仿射变换的矩阵。这是一个5*5的矩阵，如图
其实和在空间中的仿射变换完全一样，可以实现缩放，旋转，平移等功能。我看到网上有个人写了一篇深入浅出的文章"GDI+ ColorMatrix的完全揭秘与代码实现" http://blog.csdn.net/maozefa/archive/2008/09/08/2896752.aspx 写得不错，只是没有理解到ColorMatrix应用的精髓。简单套用了一些什么颜色剪切，颜色旋转，颜色平移的概念，这些东西其实在三维空间中很好理解，但是在色彩空间中，就完全不是那么回事情了，什么叫做颜色旋转60度呢？ 这东西忽悠人很有用，只是看完了还是不知道怎么用，有兴趣的同学可以去看看。我下面举几个例子，说明ColorMatrix的具体应用。
a.灰度化
灰度化是指去除图像的彩色信息，讲所有的色调归为0，所有的饱和度也归为零。这个世界上有很多种不同的灰度化的算法，随便写个算法，弄篇paper搞个硕士毕业应该不成问题，比如说所有的颜色替换成R' = G' = B' = (R+B+G)/3。有一种很通用的灰度化算法如下，这其实是NTSC的色彩权重。
R'=B'=G' = 0.299*R + 0.587*G + 0.114*B
那如果我们要使用ColorMatrix, 可以用以下的矩阵：
float [][] ptsArray =
{
new float [] { 0.299f , 0.299f , 0.299f , 0 , 0 },
new float [] { 0.518f , 0.518f , 0.518f , 0 , 0 },
new float [] { 0.114f , 0.114f , 0.114f , 0 , 0 },
new float [] { 0 , 0 , 0 , 1 , 0 },
new float [] { 0 , 0 , 0 , 0 , 1 }
};
再引用一下博客园里的这篇文章http://www.cnblogs.com/sunbingzibo/archive/2008/09/11/1289260.html，如果用他的算法，那么矩阵如下
float [][] ptsArray =
{
new float [] {cr , cr , cr , 0 , 0 },
new float [] {cg , cg, cg , 0 , 0 },
new float [] {cb , cb , cb , 0 , 0 },
new float [] { 0 , 0 , 0 , 1 , 0 },
new float [] { 0 , 0 , 0 , 0 , 1 }
};
b.调整色彩
使用ColorMatrix调整色彩很简单，用m11对红色乘一个系数，用m51对红色加一个值，这样就可以简单地调整红色。其他B,G,A通道以此类推。例如下面这个矩阵可以把增加红色25.5个像素（如果使用24bppArgb)：
float [][] ptsArray =
{
new float [] { 1 , 0 , 0 , 0 , 0 },
new float [] { 0 , 1 , 0 , 0 , 0 },
new float [] { 0 , 0 , 1 , 0 , 0 },
new float [] { 0 , 0 , 0 , 1 , 0 },
new float [] { 0.1f , 0 , 0 , 0 , 1 }
};
c. 调整亮度， 可以用以下矩阵，将每个通道增加25.5的亮度
float [][] ptsArray =
{
new float [] { 1 , 0 , 0 , 0 , 0 },
new float [] { 0 , 1 , 0 , 0 , 0 },
new float [] { 0 , 0 , 1 , 0 , 0 },
new float [] { 0 , 0 , 0 , 1 , 0 },
new float [] { 0.1f , 0.1f , 0.1f , 0 , 1 }
};
d.调整对比度，可以使用以下矩阵，将每个通道升高10%的对比度
float [][] ptsArray =
{
new float [] { 1.1f , 0 , 0 , 0 , 0 },
new float [] { 0 , 1.1f , 0 , 0 , 0 },
new float [] { 0 , 0 , 1.1f , 0 , 0 },
new float [] { 0 , 0 , 0 , 1 , 0 },
new float [] {0 , 0 , 0 , 0 , 1 }
};
很不幸，这是错的。这个算法里面有个关键的问题是Overflow,如果我们直接使用这个矩阵，你会看到图像上会有溢出，导致你的图像惨不忍睹。我在网上查到有个很发指的做法可以解决这个问题，虽然发指，但是能解决！就是把最下面的项修正一点点，这样图像就不溢出了。看下面这个矩阵。
float [][] ptsArray =
{
new float [] { 1.5f , 0 , 0 , 0 , 0 },
new float [] { 0 , 1.5f , 0 , 0 , 0 },
new float [] { 0 , 0 , 1.5f , 0 , 0 },
new float [] { 0 , 0 , 0 , 1 , 0 },
new float [] { 0.001f , 0.001f , 0.001f , 0 , 1 }
};
e.调整饱和度
这个矩阵比较复杂，饱和度需要通过不同的色彩权值来修正。我这里只提供一个能用的矩阵，具体可以参考这篇paper:http://www.graficaobscura.com/matrix/index.html
float gwgt = 0.6094f ;
float bwgt = 0.0820f ;
float s = 1.2f ;
float [][] ptsArray =
{
new float [] {(1f - s) * rwgt + s, (1f - s) * rwgt, (1f - s) * rwgt, 0 , 0 },
new float [] {(1f - s) * gwgt, (1f - s) * gwgt + s, (1f - s) * gwgt, 0 , 0 },
new float [] {(1f - s) * bwgt, (1f - s) * bwgt, (1f - s) * bwgt + s, 0 , 0 },
new float [] { 0 , 0 , 0 , 1 , 0 },
new float [] { 0 , 0 , 0 , 0 , 1 }
};
讲了那么多个矩阵，最后让我们来看看在GDI+里面ColorMatrix这个类到底怎么用：
Image img = Image.FromStream(fs, false , false );
Bitmap bmp = new Bitmap(img);
img.Dispose();
fs.Close();
Graphics g = this .CreateGraphics();
float rwgt = 0.3086f ;
float gwgt = 0.6094f ;
float bwgt = 0.0820f ;
float s = 1.2f ;
float [][] ptsArray =
{
new float [] {(1f - s) * rwgt + s, (1f - s) * rwgt, (1f - s) * rwgt, 0 , 0 },
new float [] {(1f - s) * gwgt, (1f - s) * gwgt + s, (1f - s) * gwgt, 0 , 0 },
new float [] {(1f - s) * bwgt, (1f - s) * bwgt, (1f - s) * bwgt + s, 0 , 0 },
new float [] { 0 , 0 , 0 , 1 , 0 },
new float [] { 0 , 0 , 0 , 0 , 1 }
};
// Create a ColorMatrix
ColorMatrix matrix = new ColorMatrix(ptsArray);
ImageAttributes attr = new ImageAttributes();
// Set color matrix
attr.SetColorMatrix(matrix,
ColorMatrixFlag.Default,
ColorAdjustType.Default);
// Draw image with no affects
g.DrawImage(bmp, 0 , 0 , 200 , 150 );
// Draw image with ImageAttributes
g.DrawImage(bmp,
new Rectangle( 205 , 0 , 200 , 150 ),
0 , 0 , bmp.Width, bmp.Height,
GraphicsUnit.Pixel, attr);
// Dispose
bmp.Dispose();
g.Dispose();
多少博士大牛在研究这些不同的矩阵以期获得更强悍的效果。此外还有好多人申请了各种各样的专利来保护这个色彩变换，所以如果大家想混一篇简单的paper好毕业，这是个很好的方向。随便改两个数字，一个新的矩阵就出来了，然后版面费一交，就可以发表了。当然，这也是个蛮有意思的题目，可以做很多比较和研究，这些就不是我这种IT民工该讲的东西了。