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1.2 图像处理预备知识
图像处理过程中,有很多需要我们掌握或者注意的方方面面。这里我先简单介绍一些比较基础的、重要的知识。
1、 图像处理系统框架
一个基本的图像处理系统包含有4个子系统:图像输入系统、图像输出系统(显示)、图像存储系统、图像处理与分析系统。
图 1-1
2、 图像的构成
图像给我们的第一直观感觉就是一些五颜六色的点,在计算机语言中,这些点被称为像素。正是这些像素汇集在一起就构成了一副副美丽的图片。那么如何把这种直观的认识和我们的计算机程序结合起来呢?如何在计算机中表示这些五颜六色的点?理解了这2个问题对我们后面的图像处理有很多的帮助。图像可以是矩阵,在计算机程序语言中,最好的表示方法就是数组,二维数组。把图像每个像素点保存在数组的一个元素中。这一过程也称为数字图像采样:把二维坐标空间表示的图像数字化。
3、 图像处理的速度
在图像处理的过程中,有大量的数学计算和循环。如何处理好这些过程对图像处理的速度有非常重要的影响。处理函数内部变量的定义也需要注意:比如对常用的变量,可以在函数内部用静态或者全局变量保存,加快速度。但是,在大型的项目中,过多的静态、局部变量会占用更多的内存,同时影响程序的启动速度。所以这需要我们根据实际的情况进行权衡。
数学计算时有浮点和整数,浮点运算非常精确;但是计算速度稍慢,整数运算不会有误差,计算速度快。所以在图像处理过程中,尽量使用整数运算,浮点运算会因为计算机的处理器表示方式有一定的误差。
在遍历图像的像素点时,会有大量的循环过程,在循环过程中,尽量减少可能的代码如变量定义,多用处理器支持更好的加法和移位运算,减少乘法运算。甚至,如果可能对一些常用函数可以采用汇编语言。
4、 贴图的效率
很多初学图像编程的朋友几乎都遇到贴图闪烁的问题。我们最常用的方法就是双缓冲贴图。基本的代码片断:
//pDC是最后图像显示的目标窗口DC,pMemDC是内存中的临时DC
CDC *pMemDC = CreateCompatibleDC(pDC);
CBitmap Bitmap;
//Width、Height是图像最后显示的目标窗口高度和宽度
Bitmap. CreateCompatibleBitmap(pDC, Width, Height);
pMemDC->SelectObject(&Bitmap);
然后我们就可以在pMemDC上进行任何需要的画图操作,画完后再贴到目标窗口DC
pDC->BitBlt(0, 0, Width, Height, pMemDC, 0, 0, SRCCOPY);
pMemDC->DeleteDC();
在有的时候我们需要进行大量的贴图,贴很多不同的小的图片时,需要注意SelectObject函数的调用,频繁的调用这个函数选入不同的各种画图属性会大大降低程序的速度。
避免一些不必要的重画,在完成自己的画图后,可以禁止系统的画图过程来避免闪烁:在WM_ERASEBKGND消息函数里直接返回TRUE,不再继续调用基类的消息处理函数。需要重画时进行精确的更新,而不是盲目的将所有的内容都重画,如调用InvalidateRect来代替过渡的Invalidate调用过程。因为计算Rect的时间比重画那些不需要重画的内容所消耗的时间要少得多。
在图像处理过程中,还有许多方面需要我们特别注意,我会在后面的部分做进一步的讨论。
5、 颜色空间(Color Space)及转换
5.1、颜色空间介绍
颜色空间就是把我们表示颜色的各个组件映射到笛卡儿的二维或者三维坐标系中。简单一点就是我们如何用几个颜色组合来表示自然界所有的颜色。
(1)、RGB颜色空间
用R(Red)、G(Green)、B(Blue)三种颜色组合可以表示自然界所有的颜色,也称为加色系统。因为我们把RGB范围类的值相加可以产生任何的颜色。假设图像没有其他颜色都是黑色(RGB=0),然后我们往图片上加上不同的RGB值颜色,就可以产生不同的色彩,下面的图1-2表示了RGB系统是如何相加混合颜色的。
图 1-2 图1-3
(2)、CMY(CMYK)颜色空间
CMY是用RGB的补色来表示色彩的。所谓的补色就是用白色减去RGB后得到的颜色。白色减去绿色是洋红(Magenta),减去红色是青色(Cyan),减去蓝色是黄色(Yellow)。
上面的图1-3演示了CMY是如何相减混合颜色的。
CMYK是CMY的扩展,消除了CMY表示法中存在的理论和实际的差别。因为单独使用CMY无法合成真正的黑色,所以为了避免这个问题,CMYK就直接在CMY的基础添加了黑色的表示部分。
(2)、HSV颜色空间
色彩有三个属性:色相、彩度与明度。
1) 色相(Hue)又称为色调,是指色彩的相貌,或是区别色彩的名称或色彩的种类,
而色相与色彩明暗无关。
2) 彩度(Chroma)指色彩的强弱,也称色彩的饱和度(Saturation),色彩纯与不纯的分别。
3) 明度(Value)是指色彩的明暗程度, 光度的高低, 要看其接近白色或灰色的程度而定,越接近白色明度越高,越接近灰色或黑色,其明度越低。
HSV颜色空间就是用这三个属性描述不同颜色的。当Saturation为0时,Hue不存在。图像为灰度图。明度的Value也可以用亮度表示(Brightness)。Hue为0时颜色是红色。
(4) HLS颜色空间
HLS的基本意义和HSV相同,颜色的范围值一样:Hue(0-360),L(0-1),S(0-1),V(0-1)。
只是在表示相同颜色时值不同了,Hue为0颜色是蓝色。增加L的值相当于向Hue添加白色的比例,减少就是增加黑色的比例。
在现实生活中,还有其他很多的颜色空间如YIQ、YUV、YCrCb。我们这里不全部介绍,有兴趣的朋友可参考相关的书籍。
5.2 不同颜色空间的转换
图像处理中进行图像调整时,采用不同的颜色空间能更好的帮助我们实现对不同的颜色值进行调整。比如调整色调和饱和度时就把图像重RGB转为HSV调整HS的值,然后转回到RGB系统中。具体的转换方法在后续的图像处理库中,我会提供一个完整的类。婵犵數濮烽弫鍛婃叏閻戣棄鏋侀柛娑橈攻閸欏繘鏌i幋婵愭綗闁逞屽墮閸婂湱绮嬮幒鏂哄亾閿濆簼绨介柛鏃撶畱椤啴濡堕崱妤€娼戦梺绋款儐閹瑰洭寮诲☉銏″亜闂佸灝顑呮禒鎾⒑缁洘鏉归柛瀣尭椤啴濡堕崱妤€娼戦梺绋款儐閹稿墽妲愰幘鎰佸悑闁告粌鍟抽崥顐⑽旈悩闈涗粶闁哥噥鍋夐悘鎺楁煟閻樺弶绌块悘蹇旂懅缁綁鎮欓悜妯锋嫼閻熸粎澧楃敮鎺撶娴煎瓨鐓曢柟鎯ь嚟濞叉挳鏌熼钘夊姢閻撱倖銇勮箛鎾村櫝闁归攱妞藉濠氬磼濮樺崬顤€闂佸憡顨嗗ú鐔风暦婵傜ǹ唯闁靛/鍕弰濠电姷鏁告慨鎾晝閵堝洠鍋撳鐓庡籍鐎规洩缍€缁犳盯寮崒婊呮濠电姷鏁告慨鎾磹缂佹ɑ娅犳繛鎴欏灪閻撴洟鎮楅敐鍐ㄥ濠碘€茬矙閺屾洟宕惰椤忣厾鈧鍠曠划娆愪繆濮濆矈妲归梺閫炲苯澧悽顖ょ節瀵鎮㈤崗鐓庣檮婵犮垼娉涢敃銉モ枔婵犳碍鈷戦柛婵嗗閻忛亶鏌涢悩宕囧⒌妤犵偛鍟オ浼村醇濠靛牆骞愰梻浣呵归張顒傜矙閹惧箍浜归悗锝庡枟閻撶喖骞栧ǎ顒€鈧倕岣块幇顓犵闁告瑥顥㈤鍫熷仼婵犻潧鐗忛惌娆撴偣閹帒濡芥繛鍫ョ畺濮婃椽宕滈幓鎺嶇凹濠电偛寮堕悧鐘诲箖閳ユ枼妲堥柕蹇ョ磿閸橀亶鏌h箛鏇炰粶濠⒀傜矙閹瞼鈧綆鍋嗙粻楣冩煕椤愩倕鏋戦柛濠冨姈閹便劍绻濋崟顓炵闂佺懓鍢查幊鎰垝閻㈢鍋撻敐搴濈凹闁伙絼鍗冲缁樻媴鐟欏嫬浠╅梺鍛婃煥椤戝鐣烽敓鐘茬闁肩⒈鍓氬▓楣冩⒑闂堟稓绠為柛濠冩礋瀹曟﹢鍩€椤掆偓椤啴濡堕崱妤€顫囬梺绋块瀹曨剟鎯冮鍕拻闁稿本鐟ч崝宥夋倵缁楁稑鎳愰惌娆撴煙鐎电ǹ袥闁稿鎸搁~婵嬫偂鎼达紕鐫勯柣搴ゎ潐濞叉垿宕¢崘鑼殾闁告鍊i悢鍏尖拹闁归偊鍠氬▔鍧楁⒒閸屾瑧绐旀繛浣冲洦鍋嬮柛鈩冪☉缁犵娀骞栧ǎ顒€鐏柛娆忕箲閵囧嫰骞掗崱妞惧闂備礁鐤囬~澶愬垂閸ф鏄ラ柕澶嗘櫅楠炪垺淇婇悙鎻掆挃闁告垼顫夌换婵嬫偨闂堟刀鐐烘煕閵婏附銇濋柡浣割儔閺屟囨嚒閵堝懍娌繛锝呮搐閿曨亝淇婇崼鏇炲窛妞ゆ柨鍚嬮锟犳⒒娴e懙褰掝敄閸涙潙纾归柛锔诲幗瀹曞弶绻涢幋娆忕仼妤犵偑鍨烘穱濠囶敍濠垫劕娈紒鐐緲缁夊綊寮婚敐鍡樺劅闁靛骏绲介ˉ婵嗩渻閵堝繐顩柡浣筋嚙椤曪絿鎷犲顔兼倯闂佸壊鍋掗崑鍛搭敁閸ヮ剚鈷掑ù锝呮啞閸熺偤鏌熼幖浣虹暫鐎规洜澧楅幆鏃堚€﹂幋鐐存珨闂備焦瀵х换鍌炈囨禒瀣瀬闁糕剝銇滈埀顒佸笒椤繈顢楁繝鍌氼潬闂備焦妞块崢浠嬨€冮崱娆愬床婵炴垯鍨圭粻濠氭煛婢跺鐏╅柛鏂惧嵆濮婅櫣绮欏▎鎯у壉闂佸湱鎳撳ú顓烆嚕婵犳碍鏅查柛娑变簼椤秴鈹戦悙鍙夘棡闁告梹娲滄竟鏇㈠箮閼恒儮鎷洪梺鍛婄箓鐎氼厼锕㈤幍顔剧<閻庯綆鍋勯悘鎾煕閳哄啫浠辨鐐差儔閺佸啴鍩€椤掆偓椤斿繐鈹戦崶銉ょ盎闂佸搫娲ㄩ崑鐐哄闯濞差亝鐓冮悹鍥嚋閸旂喓绱掓潏銊﹀磳鐎规洘甯掗埢搴ㄥ箣濠靛棭鐎村┑锛勫亼閸婃垿宕濆畝鍕疇婵せ鍋撴鐐叉閻f繈宕熼銈忕床闂備胶绮崝娆忈缚瑜忕划濠囨晝閸屾稓鍘甸梺绋跨箺閸嬫劙寮冲鈧弻娑㈠棘鐠恒劎鍔梺璇″枤閸嬨倕鐣疯ぐ鎺濇晝闁绘ǹ浜惄搴ㄦ⒒娴e憡璐¢柛搴涘€濆畷褰掓偨閸撳弶鏅滈梺鍐叉惈閹冲繘宕愰崹顐e弿婵妫楁晶缁樹繆閹绘帞绉洪柡灞炬礋瀹曟儼顦叉い蹇e幘閳ь剚顔栭崰鏇犲垝濞嗘劒绻嗘慨婵嗙焾濡插ジ姊洪棃鈺冪シ闁稿骸纾Σ鎰板箻鐎涙ê顎撶紓浣圭☉椤戝懎鈻撻鐐╂斀闁宠棄妫楁禍婵堢磼鐠囪尙澧曟い鏇稻缁绘繂顫濋鐐扮盎缂備胶鍋撴刊鑺ャ仈閹间礁鐤鹃柨婵嗩槹閸嬧剝绻濇繝鍌氭殶閺佸牓姊虹拠鈥虫灍闁挎洏鍨介獮濠囨偐濞茬粯鏅㈤梺绋挎湰缁絿妲愰弻銉︹拺闁告繂瀚峰Σ鎼佹煟濡も偓鐎氭澘鐣峰┑鍥ㄥ劅闁挎繂娲g粭澶愭⒑缂佹ê濮夐柛搴涘€濋幃鈥斥槈閵忊€斥偓鍫曟煟閹邦垱纭剧悮姘舵⒑閸濄儱校闁挎洏鍨藉濠氬焺閸愨晛顎撻梺鑽ゅ枑濠㈡﹢锝為幒妤佸€甸悷娆忓缁€鍫ユ煕閻樺磭澧甸柕鍡曠椤粓鍩€椤掑嫬绠栭柍鍝勬噺閹偞銇勯幇鈺佲偓婵嬪箯婵犳碍鈷掗柛灞捐壘閳ь剙鍢查湁闁搞儜鍛闂佸壊鐓堥崑鍛村矗韫囨稒鐓欓柟顖涙緲琚氶梺鎶芥敱濮婂鍩€椤掆偓缁犲秹宕曢柆宓ュ洭顢涢悙鎻掔€梺绋跨灱閸嬬偤鎮¢姀鈥茬箚妞ゆ牗绮岄惃鎴犵磼鏉堛劌鍝洪柡灞诲妼閳规垿宕遍埡鍌傦妇绱撴担鎻掍壕闁诲函缍嗛崑浣圭濠婂牊鐓涚€广儱鍟俊鍧楁煃閽樺妲圭紒缁樼洴瀹曞ジ鎮㈤搹鍦帨婵犳鍠栭敃銊モ枍閿濆應妲堥柣銏⑶瑰婵囥亜閺傛儳瀚庨柍褜鍓氶崝鏇⑩€旈崘顔嘉ч幖绮光偓鑼嚬婵犵數鍋犵亸娆撳窗閺嵮呮殾婵炲樊浜滈悞鍨亜閹哄秹妾峰ù婊勭矒閺岀喖宕崟顒夋婵炲瓨绮撶粻鏍ь潖濞差亜绠伴幖娣灮閳规稒绻濈喊妯峰亾閾忣偅鎮欓柛妤呬憾閺岀喖鎮ч崼鐔哄嚒缂備緡鍋勭粔褰掑蓟濞戙埄鏁冮柨婵嗘川閻g厧顪冮妶鍡樺鞍婵$偠妫勯~蹇涙惞閸︻厾锛滃┑鈽嗗灠閹碱偊锝炲畝鍕€垫繛鍫濈仢濞呮﹢鏌涢幘瀵告噯闁诲繐鍟村娲川婵犱胶绻侀梺鍝ュУ瀹€绋跨暦閵忋倕绠瑰ù锝呭帨閹锋椽姊洪崨濠冨鞍鐟滄澘鍟粋宥嗙鐎n偆鍘遍柣搴秵娴滄粓顢旈銏$厵妞ゆ梹鏋婚懓鍧楁煛娴gǹ鏆g€规洘甯掗埥澶婎潩椤掆偓缁犵偤姊绘担绛嬪殭闁告垹鏅槐鐐哄幢濞戞ḿ锛涢梺绯曞墲钃辨繛鍛У閵囧嫰骞掗幋婵冨亾閼姐倕顥氬┑鍌氭啞閻撴洟鎮橀悙鎻掆挃闁宠棄顦辩槐鎺戭渻閿曗偓濞诧箓鎮″▎鎾寸厽闁绘柨鎲$欢鍙夈亜韫囷絽寮柡宀€鍠栭幃鈩冩償閵忥絿顢呴梻浣烘嚀瀵爼骞愰崘鑼殾闁绘柨鍚嬮ˉ鍫熺箾閹寸偟鎳勯柣婵撶節濮婂宕掑顑藉亾閹间礁纾瑰瀣捣閻棗銆掑锝呬壕濡ょ姷鍋為悧鐘汇€侀弴銏犖ч柛灞剧煯婢规洖鈹戦鐭亜鐣烽鍕偍閻庣數纭堕崑鎾舵喆閸曨剛顦ョ紓鍌氱Т閿曨亜顕f繝姘耿婵°倕锕ら幃鎴︽⒑閸涘﹣绶遍柛銊ф櫕濡叉劙鏌嗗鍡欏幗闁硅壈鎻槐鏇㈡偩椤撱垺鐓曢幖娣妺閹查箖鎸婂┑鍠㈠綊宕楅崗鑲╃▏缂佺偓宕樺▔鏇㈠焵椤掆偓缁犲秹宕曢柆宓ュ洦瀵肩€涙ê浜楅梺鍝勬储閸ㄦ椽鎮″☉銏$厱闁靛绲介崝姘攽閿涘嫬甯舵い顓″劵椤т線鏌涢妸銈呭祮婵犫偓娓氣偓濮婅櫣绱掑Ο鎾虫贡缁棃顢氶埀顒勩€侀弮鍫濋唶闁绘棁娅i弳銏ゆ⒒閸屾艾鈧兘鎮為敂閿亾缁楁稑鎳忓畷鏌ユ煕鐏炵虎鍤ゆ繛鎴烆焸閺冨牆宸濇い鎾跺Т楠炴帡姊绘担鍛婃儓婵炲眰鍨藉畷鐟懊洪鍛簵闂佸憡鍔︽禍婵嬪窗閹邦厾绡€濠电姴鍊绘晶鏇犵磼閳ь剟宕奸悢绋垮伎濠碘槅鍨辩€笛呮兜妤e啯鐓㈤柛鎰典簻閺嬫盯鏌$仦鐐缂佺粯绋栭ˇ鏌ユ倵濮樺崬鍘寸€规洘鍨挎俊鎼佸煛閸屾瀚肩紓鍌氬€烽悞锕傛晪婵犳鍠栧ú锕傚Φ閸曨垰鍗抽柕濞垮劚缁秹姊虹化鏇熸澓闁搞劏妫勯锝夊箻椤旂⒈娼婇梺鐐藉劜閺嬪ジ宕戦幘缁樺仺闁告稑锕﹂崣鍡椻攽閻樼粯娑ф俊顐n殜閸┾偓妞ゆ帒鍊归崵鈧梺瀹狀嚙缁夌懓鐣烽崼鏇炍╅柨婵嗗閻╁酣姊绘繝搴′簻婵炶濡囩划娆撳箛閺夎法鐤呮俊銈忕到閸燁垶鎮″☉銏″€堕柣鎰版涧娴滃墽绱掗埀顒傗偓锝庡厴閸嬫挾鎲撮崟顒傤槹婵炲瓨绮岄悥濂稿Υ娴e壊娼ㄩ柍褜鍓熼獮鍐閿涘嫰妾繝銏f硾椤﹁鲸寰勯敓锟�