怎样把图像灰度化

怎样把图像灰度化

由Delphi中的图像灰度化代码看基本图像处理
　　基础篇]
　　首先看一段实现24位色图像灰度化转换的代码
　　procedure Grayscale(const Bitmap:TBitmap);
　　var
　　X: Integer;
　　Y: Integer;
　　R,G,B,Gray: Byte;
　　Color: TColor;
　　begin
　　for Y := 0 to (Bitmap.Height - 1) do
　　begin
　　for X := 0 to (Bitmap.Width - 1) do
　　begin
　　Color := Bitmap.Canvas.Pixels[X,Y];
　　R := Color and $FF;
　　G := (Color and $FF00) shr 8;
　　B := (Color and $FF0000) shr 16;
　　Gray := Trunc(0.3 * R + 0.59 * G + 0.11 * B);
　　Bitmap.Canvas.Pixels[X,Y] := Gray shl 16 or Gray shl 8 or Gray;
　　end
　　end
　　end;
　　{这段代码效率是非常低的,但可以方便我们理解同时一些问题}
　　Delphi的帮助中对TColor已经有了详细的描述,这可以方便我们理解上面的代码!
　　首先看：
　　R := Color and $FF;
　　G := (Color and $FF00) shr 8;
　　B := (Color and $FF0000) shr 16;
　　这是段常见的从TColor中提取三原色的代码,但它是什么意思呢?
　　首先应该知道and是与(.)运算,0.1=0,0.0=0,1.1=1,以取绿色为例：$FF00实际上就是$00FF00,它与一个TColor类型数按位进行与运算后,表示红色和绿色的位都变为了$00,而表示绿色的部分不变(0,1和1进行与运算值都不变),再右移8位,自然就获得了绿色值的8位表示!
　　再获得三原色的值后,就是计算灰度值,0.3 * Red + 0.59 * Green + 0.11 * Blue 这是求加权平均值的公式.(因为人眼对颜色的敏感度不同,所以权值不同,就像在pf16bit中用了6位表示绿色,其它两种颜色只用了5位,这问题以后另写文章说明)
　　然后就是像素颜色信息的写回,刚才是右移,现在自然就是左移,而或(+)运算就是(0+1=1,0+0=0,1+1=1),举个简单例子就是：($FF shl 16 = $FF0000) or ($FF shl 8 = $FF00) or $FF = $FFFFFF ,其实这里的或运算当然也可以用 + 代替.
　　虽然上面的代码实现了24位色图像的灰度化,但当图像比较大时,速度非常慢,为什么?查看相关VCL代码可知调用Bitmap.Canvas.Pixels获取,写入像素的颜色信息实际上是利用了API GetPixel、SetPixel,这种方法是非常低效的!(唯一的好处是在进行一些和颜色无关的操作,如图像的旋转,翻转时不需要因为PixelFormat的不同而修改代码)所以应该换一种更高效的访问像素点数据的方法,如用API GetDIBits、SetDIBits,但这种方法比较复杂,好在Delphi3以后版本的TBitmap中提供了Scanline.利用Scanline可以快速对像素进行访问!
　　还是以24位色(PixelFormats=pf24bit)为例,可改写为：
　　procedure Grayscale(const Bitmap:TBitmap);
　　const
　　PixelCountMax = 32768;
　　type
　　pRGBTripleArray = ^TRGBTripleArray;
　　TRGBTripleArray = ARRAY[0..PixelCountMax-1] OF TRGBTriple;
　　var
　　Row: pRGBTripleArray;
　　X: Integer;
　　Y: Integer;
　　Gray: Byte;
　　begin
　　for Y := 0 to (Bitmap.Height - 1) do
　　begin
　　Row := Bitmap.ScanLine[Y];
　　for X := 0 to (Bitmap.Width - 1) do
　　begin
　　Gray := Trunc(0.3 * Row^[X].rgbtRed + 0.59 * Row^[X].rgbtGreen + 0.11 * Row^[X].rgbtBlue);
　　Row^[X].rgbtRed:=Gray;
　　Row^[X].rgbtGreen:=Gray;
　　Row^[X].rgbtBlue:=Gray;
　　end;
　　end;
　　end;
　　上面的例子用了一个TRGBTriple数组
　　PRGBTriple = ^TRGBTriple;
　　tagRGBTRIPLE = packed record
　　rgbtBlue: Byte;
　　rgbtGreen: Byte;
　　rgbtRed: Byte;
　　end;
　　TRGBTriple = tagRGBTRIPLE;
　　这种方法会限制位图的大小,但一般不用理会,直接用TBitmap可处理不了那么大的位图
　　当然也可用指针的移动实现,实测结果这样更快～～～
　　procedure Grayscale(const Bitmap:TBitmap);
　　var
　　X: Integer;
　　Y: Integer;
　　PRGB: pRGBTriple;
　　Gray: Byte;
　　begin
　　for Y := 0 to (Bitmap.Height - 1) do
　　begin
　　PRGB := Bitmap.ScanLine[Y];
　　for X := 0 to (Bitmap.Width - 1) do
　　begin
　　Gray := Trunc(0.3 * PRGB^.rgbtRed + 0.59 * PRGB^.rgbtGreen + 0.11 * PRGB^.rgbtBlue);
　　PRGB^.rgbtRed:=Gray;
　　PRGB^.rgbtGreen:=Gray;
　　PRGB^.rgbtBlue:=Gray;
　　Inc(PRGB);
　　end;
　　end;
　　end;
　　[颜色篇]
　　在上面提到了,那灰度化代码只能适用于24位色(PixelFormats=pf24bit),为什么?看看记录类型tagRGBTRIPLE,正好24位,所以这样只能处理24位色图!
　　那怎么处理其他的位图呢?
　　先对这各种类型的位图做些简单的介绍～～～
　　pf1bit:
　　每个像素只需要用一位表示,如调色板定义的是黑白两种颜色(0为黑,1为白),这时只能用位操作访问像素信息!如定义
　　var P:PByte
　　for Y := 0 to (Bitmap.Height - 1) do
　　begin
　　p := Bitmap.ScanLine[Y];
　　for X := 0 to (Bitmap.width - 1) DIV 8 + 1 do
　　begin
　　p^:=1 or 2 or 4 or 8 or 16 or 32 or 64 or 128;
　　Inc(PRGB,3);
　　end;
　　end;
　　p^:=1 or 2 or 4 or 8 or 16 or 32 or 64 or 128;
　　这行代码什么意思呢?1=1(二进制),2=10(二进制),4=100(二进制),8=1000(二进制)...
　　结合上篇中解释了的或运算,很容易理解就以八个字位为单位,给其赋上颜色信息!
　　pf4bit:
　　和pf1bit位图一样,操作pf4bit位图也需要用位操作.
　　pf8bit:
　　可直接利用Byte、TByteArray,但用Scanline取的值表示的只是调色板上颜色的索引.
　　pf15bit和pf16bit:
　　这两种位图都是16位的,pf15bit是第一位为0,后15位的每5位分别表示红、绿、蓝.而pf16bit中绿色占6位,其它两种颜色占用5位(人眼对绿色比较敏感)!
　　pf24bit位图转pf15bit位图代码
　　var
　　Row24:pRGBTriple;
　　Row15:PWord;
　　for j := 0 TO Bitmap.Height-1 DO
　　begin
　　Row15 := Bitmap15.Scanline[j];
　　Row24 := Bitmap24.Scanline[j];
　　for i := 0 TO Bitmap.Width-1 DO
　　begin
　　with Row24^ do
　　Row15^ := (rgbtRed Shr 3) Shl 10 or (rgbtGreen Shr 3) Shl 5 or (rgbtBlue Shr 3);
　　Inc(Row24);
　　Inc(Row15);
　　end
　　end;
　　pf24bit和pf32bit:
　　pf24bit上面的已多次用到,就不多说了.而pf32bit和pf24bit一样,用24位(前24位)来记录三原色的颜色信息!
　　PRGBQuad = ^TRGBQuad;
　　tagRGBQUAD = packed record
　　rgbBlue: Byte;
　　rgbGreen: Byte;
　　rgbRed: Byte;
　　rgbReserved: Byte;
　　end;
　　TRGBQuad = tagRGBQUAD;
　　如果要修改上面的程序,就是简单的PRGBQuad替换PRGBTriple,TRGBQuad替换TRGBTriple的过程～
　　测试表明在pf32bit中利用Scanline处理图像要比pf24bit快.
　　所以除了单色图(PixelFormats=pf1bit)外(没必要),其它都可转外32位色实现灰度化.这也是一种比较可行的方法!
　　[优化篇]
　　还以上篇中给出的灰度化代码为例
　　procedure Grayscale(const Bitmap:TBitmap);
　　var
　　X: Integer;
　　Y: Integer;
　　PRGB: pRGBTriple;
　　Gray: Byte;
　　begin
　　for Y := 0 to (Bitmap.Height - 1) do
　　begin
　　PRGB := Bitmap.ScanLine[Y];
　　for X := 0 to (Bitmap.Width - 1) do
　　begin
　　Gray := Trunc(0.3 * PRGB^.rgbtRed + 0.59 * PRGB^.rgbtGreen + 0.11 * PRGB^.rgbtBlue);
　　PRGB^.rgbtRed:=Gray;
　　PRGB^.rgbtGreen:=Gray;
　　PRGB^.rgbtBlue:=Gray;
　　Inc(PRGB);
　　end;
　　end;
　　end;
　　实际应用中,这种方法已经很快了,但实际上还存在可以优化的余地,什么呢?
　　Gray := Trunc(0.3 * Red + 0.59 * Green + 0.11 * Blue);//这句用的是浮点运算
　　在图像处理中,速度就是生命,能不用浮点运算,就最好不要用!
　　Gray := (30 * Red + 59 * Green + 11 * Blue) div 100;
　　虽然这样一改,运算次数多了一次,但在我的雷鸟1.1G上,处理速度大概能提高5%左右!而同主频下(或略低,如Athlon 1600+相当于P4 1.6G)AMD的CPU浮点运算能力比Intel的较强,整数运算能力较弱,所以用Intel的CPU在这里更能体现出优势!
　　注：x div 100 和 Trunc(x/100)的效果是相同的,但查看其汇编代码可知一个用的指令是div,而另一个是fdiv(即进行浮点运算),还要调用函数Trunc,其处理速度差距非常大,所以能用 x div 100 的时候就不要用 Trunc(x/100).
　　但这还不是最快的,再看一个：
　　Gray := HiByte(77 * Red + 151 * Green + 28 * Blue);
　　即
　　Gray := (77 * Red + 151 * Green + 28 * Blue) shr 8;
　　(建议用后一种,不要调用函数)
　　这种方法比最原始的方法快了近3/4!
　　什么意思呢?用77,151,28分别除以256试试～～～
　　移位是什么意思呢,和10进制的进位,退位联系一下,是不是可以近似的理解为乘除2的n次方呢?当然这和真正意义的乘除法是不一样的!比如shr(右移),和真正的除法相比,比如shr 1,只有最后一个字位为0时(既为2的倍数),它才等于除2!如二进制数110(6)右移1位变为11(3),和6/2=3结果相同.
　　当然这和一开始的灰度化效果有了些误差!
　　如果允许存在更大的误差,还可以考虑另一种方法：
　　Gray := (Red shr 2) + (Red shr 4) + (Green shr 1) + (Green shr 4) + (Blue shr 3);
　　连乘法都没用,完全用移位实现,结合上面的解释,用除法来理解该表达式,其值只是约等于(0.3125 * Red + 0.5625 * Green + 0.125 * Blue),和一开始的加权平均值有了比较大的误差!但如果对速度有苛刻的要求的话,可以怎么用!这比上一种方法还能再快5%!