GDI+中常見的幾個問題(9)

今天來講講上個星期遺留下來的東西：ColorMatrix。

9. Color Matrix

圖像的本質是什麼？對不同的人來說這是不同的東西。在計算機的世界中，啥東西都是數 據，圖像也是一種數據。從自然界的光變成計算機的數據，需要通過采樣和量化的處理。圖 像在計算機中，其實是一個二維數組，從數學上來說，這其實是一個矩陣。圖像中的每一個 點都是個四維向量，也就是(R,G,B,A)， 在RGBA色彩空間中，我們可以使用一個矩陣對每一 個點(R,G,B,A)作矩陣乘法運算，這樣就可以對圖像色彩進行變換。這種做法其實是從三維空 間坐標系中的仿射變換類推過來的。具體關於仿射變換，可以參考 http://en.wikipedia.org/wiki/Affine_transformation對於仿射變換的介紹。

色彩矩陣就是這個用來對色彩作仿射變換的矩陣。這是一個5*5的矩陣，如圖

其實和在空間中的仿射變換完全一樣，可以實現縮放，旋轉，平移等功能。我看到網上有 個人寫了一篇深入淺出的文章"GDI+ ColorMatrix的完全揭秘與代碼實現" http://blog.csdn.net/maozefa/archive/2008/09/08/2896752.aspx　寫得不錯，只是沒有 理解到ColorMatrix應用的精髓。簡單套用了一些什麼顏色剪切，顏色旋轉，顏色平移的概念 ，這些東西其實在三維空間中很好理解，但是在色彩空間中，就完全不是那麼回事情了，什 麼叫做顏色旋轉60度呢？ 這東西忽悠人很有用，只是看完了還是不知道怎麼用，有興趣的同 學可以去看看。我下面舉幾個例子，說明ColorMatrix的具體應用。

a.灰度化

灰度化是指去除圖像的彩色信息，講所有的色調歸為0，所有的飽和度也歸為零。這個世 界上有很多種不同的灰度化的算法，隨便寫個算法，弄篇paper搞個碩士畢業應該不成問題， 比如說所有的顏色替換成R' = G' = B' = (R+B+G)/3。有一種很通用的灰度化算法如下，這 其實是NTSC的色彩權重。

R'=B'=G' = 0.299*R + 0.587*G + 0.114*B

那如果我們要使用ColorMatrix, 可以用以下的矩陣：

//　ColorMatrix　elements
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}
};

再引用一下博客園裡的這篇文章 http://www.cnblogs.com/sunbingzibo/archive/2008/09/11/1289260.html，如果用他的算 法，那麼矩陣如下　　

//　ColorMatrix　elements
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.調整色彩

使用ColorMatrix調整色彩很簡單，用m11對紅色乘一個系數，用m51對紅色加一個值，這 樣就可以簡單地調整紅色。其他B,G,A通道以此類推。例如下面這個矩陣可以把增加紅色25.5 個像素（如果使用24bppArgb)：

//　ColorMatrix　elements
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. 調整 亮度， 可以用以下矩陣，將每個通道增加25.5的亮度

//　ColorMatrix　 elements
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.調整 對比度，可以使用以下矩陣，將每個通道升高10%的對比度

//　ColorMatrix　 elements
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 ，這是錯的。這個算法裡面有個關鍵的問題是Overflow,如果我們直接使用這個矩陣，你會看 到圖像上會有溢出，導致你的圖像慘不忍睹。我在網上查到有個很發指的做法可以解決這個 問題，雖然發指，但是能解決！就是把最下面的項修正一點點，這樣圖像就不溢出了。看下 面這個矩陣。

//　ColorMatrix　elements
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.調整 飽和度

這個矩陣比較復雜，飽和度需要通過不同的色彩權值來修正。我這裡只提供一 個能用的矩陣，具體可以參考這篇 paper:http://www.graficaobscura.com/matrix/index.html

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}
};

講了那 麼多個矩陣，最後讓我們來看看在GDI+裡面ColorMatrix這個類到底怎麼用：

FileStream　fs　=　new　FileStream(image,　FileMode.Open,　 FileAccess.Read);
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這些不同的矩陣以期獲得更強悍的效果。此外還有好多人申請了各種 各樣的專利來保護這個色彩變換，所以如果大家想混一篇簡單的paper好畢業，這是個很好的 方向。隨便改兩個數字，一個新的矩陣就出來了，然後版面費一交，就可以發表了。當然， 這也是個蠻有意思的題目，可以做很多比較和研究，這些就不是我這種IT民工該講的東西了 。