灰度位圖的定義和轉(zhuǎn)換

袁智勇 劉文林

摘? 要：該文首先介紹了灰度位圖的背景知識(shí)，包括灰度位圖的定義、特點(diǎn)、應(yīng)用范圍。接著介紹了全彩色和灰度色彩轉(zhuǎn)換的算法。最后演示了基于GDI+的，將全彩色位圖轉(zhuǎn)換為灰度位圖的核心代碼。該代碼使用了GDI+的Bitmap類，并通過(guò)其成員函數(shù)ConvertFormat進(jìn)行位圖格式轉(zhuǎn)換。特點(diǎn)是代碼高度簡(jiǎn)單，程序員無(wú)須了解位圖格式轉(zhuǎn)換，顏色轉(zhuǎn)換等的細(xì)節(jié)，大大降低了編碼難度和復(fù)雜度。

關(guān)鍵詞：灰度位圖;轉(zhuǎn)換;GDI+

中圖分類號(hào)：TP391? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

網(wǎng)上關(guān)于灰度位圖（grayscale bitmap）的介紹雖然不少，但大多數(shù)都只是觸及點(diǎn)皮毛，沒(méi)有交代清楚其原理，使初學(xué)者一知半解。該文對(duì)灰度位圖做了一個(gè)原理性的介紹，使初學(xué)者徹底弄明白灰度圖像的原理。同樣的，網(wǎng)上關(guān)于彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像的代碼也很多，但過(guò)于煩瑣，該文也介紹了1種簡(jiǎn)便的轉(zhuǎn)換方法。

1 灰度位圖的定義

顧名思義，灰度位圖的所有像素都是灰色的。灰色是一類特殊的顏色，其R（紅色），G（綠色），B（藍(lán)色）三原色分量的值都是一樣的。如果以（R，G，B）的格式表示顏色，那么（0，0，0），（1，1，1），（2，2，2），……，（254，254，254），（255，255，255），總共256種顏色都是灰色。全0的黑色和全255的白色都是灰色的特例，其中黑色最暗，白色最亮。R，G，B三原色分量的大小代表了三原色的亮度，因此各種灰色的差別在于其亮度不同。

因?yàn)轭伾珒H限于256種灰色（這256種灰色構(gòu)成灰度位圖的顏色表），為了減少存儲(chǔ)空間，灰度位圖統(tǒng)一使用索引位圖的格式來(lái)存儲(chǔ)。也就是說(shuō)，灰度位圖的像素值不是直接存儲(chǔ)為24 bit的（R，G，B）顏色，而是存儲(chǔ)為顏色表的索引號(hào)。例如如果某個(gè)灰度位圖的像素值是1，那么它對(duì)應(yīng)的實(shí)際顏色是顏色表中編號(hào)為1的顏色，也就是（1，1，1）?？梢钥闯?，索引號(hào)同時(shí)代表了對(duì)應(yīng)灰度顏色的亮度。例如，當(dāng)索引號(hào)為0時(shí)，對(duì)應(yīng)的顏色是黑色（0，0，0），亮度為0;當(dāng)索引號(hào)為255時(shí)，對(duì)應(yīng)的顏色時(shí)白色（255，255，255），亮度為255。表達(dá)256種索引號(hào)只需8 bit（1字節(jié)）數(shù)據(jù)，而直接表達(dá)（R，G，B）顏色需要24 bit（3字節(jié)）數(shù)據(jù)，所以使用索引位圖格式能大大節(jié)省存儲(chǔ)空間。

將有16 777 216（224）種顏色的24 bit全彩色位圖轉(zhuǎn)換為只有256（28）種灰色的灰度位圖無(wú)疑會(huì)丟失圖像的細(xì)節(jié)，盡管如此，灰度位圖的應(yīng)用卻非常廣泛。

首先，這種轉(zhuǎn)換能將彩色圖像轉(zhuǎn)換為黑白圖像，這是一種非常有用的特效。

其次，這種轉(zhuǎn)換在丟失細(xì)節(jié)的同時(shí)，往往能使圖像中物體的輪廓變得更明顯。就像黑白證件照的底片，雖然細(xì)節(jié)很模糊，但人物的輪廓卻很明顯。這使得灰度位圖在文字識(shí)別、圖像識(shí)別中得到了廣泛的應(yīng)用。

2 顏色轉(zhuǎn)換

將24bit全彩色位圖轉(zhuǎn)換為8bit灰色位圖的原則是將彩色轉(zhuǎn)換為與之最接近的灰色。關(guān)于什么是最接近，在不同的場(chǎng)合下，解讀是不同的。對(duì)于灰度圖像轉(zhuǎn)換，我們是依據(jù)全彩色圖像的亮度，將其轉(zhuǎn)換為同等亮度的灰度顏色。其公式為：

I= R× 0.299 + G×0.587 + B×0.114 ? ? ? ? ? ? ? （1）

I代表索引號(hào)。前面提到過(guò)，索引號(hào)同時(shí)代表了對(duì)應(yīng)灰度顏色的亮度。所以上面的公式實(shí)際上按照全彩色R、G、B顏色分量的亮度，將其映射到對(duì)應(yīng)亮度的灰度顏色。0.299、0.587 、0.114分別代表了R、G、B顏色分量的權(quán)重?？梢钥闯觯G色分量的權(quán)重最大，這是因?yàn)槿祟悓?duì)綠色亮度的變化更敏感。

3 關(guān)于GDI+

GDI+是微軟針對(duì)傳統(tǒng)的GDI（Graphic Device Interface，圖形設(shè)備界面）技術(shù)的改進(jìn)。和GDI不同，GDI+的編程接口是面向?qū)ο蟮?，將底層代碼封裝于各種類中，這使得編程難度大大降低。其次，在圖像格式轉(zhuǎn)換、圖像變換等方面引入了很多新的類成員函數(shù)，程序員簡(jiǎn)單調(diào)用這些函數(shù)就可以完成以前通過(guò)GDI無(wú)法直接完成的工作。

舉個(gè)例子，在GDI+中位圖被封裝為Bitmap類，以下C++代碼可以讀取硬盤上的位圖文件test.bmp（假定其為24 bit全彩色位圖），輕松構(gòu)造一個(gè)Bitmap類：

Bitmap bmp=new Bitmap（L”C：＼＼test.bmp”）;

下一步，我們可以通過(guò)Bitmap的類成員函數(shù)操作test.bmp，例如將其轉(zhuǎn)換為灰度位圖。對(duì)應(yīng)的函數(shù)如下：

ConvertFormat（PixelFormat format，

DitherType dithertype，PaletteType palettetype，

ColorPalette *palette，REAL alphaThresholdPercent）;

format參數(shù)指定轉(zhuǎn)換后的位圖的格式，須設(shè)置為PixelFormat8bppIndexed（8bit索引位圖）。

dithertype參數(shù)指定抖動(dòng)顏色采用的方法，須設(shè)置為DitherTypeSolid（抖動(dòng)到實(shí)體顏色）。

palettetype參數(shù)指定灰度位圖使用的顏色表（在GDI+中稱為調(diào)色板）的類型，須設(shè)置為PaletteTypeCustom（自定義調(diào)色板）。

palette為指向灰度位圖的顏色表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)指針，調(diào)用這個(gè)函數(shù)的關(guān)鍵一步是構(gòu)造顏色表。如何構(gòu)造灰度圖像的顏色表請(qǐng)參考下一節(jié)中的核心代碼。

alphaThresholdPercent參數(shù)和像素透明化處理有關(guān)，一般轉(zhuǎn)換不涉及像素透明化處理，須設(shè)置為0。

4 核心代碼

代碼使用visual C++開發(fā)，因?yàn)閮H為演示代碼，其他不重要的代碼都已經(jīng)略去。

void GrayScale（Bitmap* bmp）{

void* p=malloc（sizeof（Gdiplus：：ColorPalette）+255*sizeof（ARGB））;

Gdiplus：：ColorPalette*cpal=（Gdiplus：：ColorPalette*）p;

for（int i=0;i<256;i++）cpal->Entries[i]=Color：：MakeARGB（0，i，i，i）;//構(gòu)造顏色表

cpal->Flags=PaletteFlagsGrayScale;

cpal->Count=256;

bmp->ConvertFormat（PixelFormat8bppIndexed，DitherTypeSolid，PaletteTypeCustom，cpal，0）;

free（p）;}

顏色表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含2個(gè)部分：頭和數(shù)據(jù)。頭部有2個(gè)字段Flags和Count。Flags設(shè)置為PaletteFlagsGrayScale，表示顏色表是灰度位圖顏色表。Count設(shè)置為256，表示有256中灰度顏色。數(shù)據(jù)部分是256種灰度顏色，從（0，0，0）一直到（255，255，255）。要注意的是，在標(biāo)準(zhǔn)顏色表中，每種顏色占用32 bit空間，所以要通過(guò)宏MakeARGB擴(kuò)充到32 bit。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)GDI+將全彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像是非常簡(jiǎn)單的，無(wú)須和位圖格式細(xì)節(jié)打交道，也無(wú)須直接用公式進(jìn)行色彩轉(zhuǎn)換，非常簡(jiǎn)便高效。

參考文獻(xiàn)

[1]周鳴揚(yáng)，趙景亮.精通GDI+編程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[2]Ivor Horton.Visual C++2010入門經(jīng)典（第5版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.