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三、曲線調整( Curves Adjustment )

曲線調整是Photoshop的最常用的重要功能之一。

網上關於曲線技術原理的材料都不完整。經過一個多月的探索、不斷實驗，我用OpenCV實現了曲線功能，基本算是揭開了“曲線之謎“。

（一）曲線原理

對於一個RGB影象,  可以對R,  G,  B 通道進行獨立的曲線調整，即，對三個通道分別使用三條曲線（Curve）。還可以再增加一條曲線對 三個通道進行整體調整。 因此，對一個影象，可以用四條曲線調整。最終的結果，是四條曲線調整後合併產生的結果。

我們先來分析對單通道一條曲線的原理，比如：對紅色通道定義一條曲線如下：

圖中，橫軸是輸入，比左到右分別表示0到255.  縱軸是輸出，從下到上分別表示0到255.

該曲線由三個點定義，座標分別為：  點1（0，0），  點2（127，154），點3（255，255）

點1和點3是預設產生的，  點2是我們新增加的。在這三個點中畫出一條曲線（Spline）.

調整的實現：    當輸入（紅色通道值）為X1時，將輸出值（新的紅色通道值）設為曲線對應的值  Y1.

程式碼實現： 對圖片的所有畫素點進行掃描， 取紅色值 X1,   換為 對應的 Y1.  其它兩個通道值（綠藍）不變。

         比如：  畫素點的RGB= (127,  230, 220),  其中紅色值為 X1 = 127,    對應曲線上的值Y1 = 154, 則對該通道曲線調整後 畫素點的RGB= (154,  230, 220)

如果曲線僅是一條由左下角到右上角的45度斜線，則 X1 總是等於 Y1, 則曲線調整後 圖片不變。

對紅、綠、藍三個獨立通道調整方式都與上述演算法相同。各通道調整是互不相關的。

然後，我們再來分析對RGB通道進行整體調整的原理。

 比如：  畫素點的RGB= (127,  230, 220),  對RGB通道進行整體調整, 則根據該曲線同時對R， G， B三個值進行調整。

     R ＝ 127 作為輸入值，  計算曲線上的 對應輸出值  R1 

     G = 230作為輸入值,   計算曲線上的 對應輸出值  G1 

     B = 220作為輸入值, 計算曲線上的 對應輸出值  B1 

     則新的畫素點的RGB ＝（R1， G1， B1）

用幾條曲線同時調整時，先對紅、綠、藍三個獨立通道分別進行調整，最後對RGB總通道進行調整。

由於曲線調整僅僅是數值替換，可以用一個轉換表進行快速運算， 因此，曲線調整的速度是很快的。

（二）曲線的生成

Photoshop使用的曲線是一種SPline 曲線。這種曲線表現力很強，特點是：僅需要定義幾個控制點，就可以定義一條平滑的曲線，且曲線同時通過所有控制點。生成曲線時，只需要給出幾個控制點，呼叫曲線生成函式即可。

SPline的具體數學原理我就不講了，生成函式可以看下面的原始碼Curves.cpp中的spline()函式

（三）曲線調整的OpenCV實現

我用opencv寫了兩個 C++ 類： Curves類實現了多通道的曲線的定義、繪製、實施調整。  Curve類是一個通道的曲線定義類。

原始碼共兩個檔案：    Curves.hpp,  Curves.cpp,    原始碼及使用例程可在這裡下載： 曲線演算法原始碼

原始碼有一定的長度，不具體解釋了，請見註釋。補充說明幾點：

1， Curves類中定義了四個Curve物件(即四個通道)，分別是RedChannel, GreenChannel, BlueChannel 和 RGBChannel.

2，  Curves類支援用滑鼠生成曲線，使用方法見例程。

2， Curves.cpp中的spline()函式是生成曲線數值的，即輸入一串控制點，通過插值運算，生成一系列的輸出值。  

3， 除了用滑鼠生成曲線以外， 也可以用程式程式碼直接生成曲線：

     先使用Curve類的clearPoints()方法清除所有控制點，再呼叫addPoint()方法逐個新增控制點即可。

（四）例程

寫一個例程，使用Curves類，實現曲線調整。

程式中定義了兩個視窗，一個是圖片視窗，一個是曲線視窗。

/*
 * test_Curves.cpp
 *
 *  Created on: 2016年9月11日
 *      Author: Administrator
 */


#include <cstdio>
#include <iostream>
#include "opencv2/core.hpp"
#include "opencv2/imgproc.hpp"
#include "opencv2/highgui.hpp"
#include "Curves.hpp"

using namespace std;
using namespace cv;

static string window_name = "Photo";
static Mat src;

static string curves_window = "Adjust Curves";
static Mat curves_mat;
static int channel = 0;
Curves  curves;

static void invalidate()
{
	curves.draw(curves_mat);
	imshow(curves_window, curves_mat);

	Mat dst;
	curves.adjust(src, dst);
	imshow(window_name, dst);

	int y, x;
	uchar *p;

	y = 150; x = 50;
	p = dst.ptr<uchar>(y) + x * 3;
	cout << "(" << int(p[2]) << ", " << int(p[1]) << ", " << int(p[0]) << ")  ";

	y = 150; x = 220;
	p = dst.ptr<uchar>(y) + x * 3;
	cout << "(" << int(p[2]) << ", " << int(p[1]) << ", " << int(p[0]) << ")  ";

	y = 150; x = 400;
	p = dst.ptr<uchar>(y) + x * 3;
	cout << "(" << int(p[2]) << ", " << int(p[1]) << ", " << int(p[0]) << ")  " << endl;
}

static void callbackAdjustChannel(int , void *)
{
	switch (channel) {
	case 3:
		curves.CurrentChannel = &curves.BlueChannel;
		break;
	case 2:
		curves.CurrentChannel = &curves.GreenChannel;
		break;
	case 1:
		curves.CurrentChannel = &curves.RedChannel;
		break;
	default:
		curves.CurrentChannel = &curves.RGBChannel;
		break;
	}


	invalidate();
}

static void callbackMouseEvent(int mouseEvent, int x, int y, int flags, void* param)
{
	switch(mouseEvent) {
	case CV_EVENT_LBUTTONDOWN:
		curves.mouseDown(x, y);
		invalidate();
		break;
	case CV_EVENT_MOUSEMOVE:
		if ( curves.mouseMove(x, y) )
			invalidate();
		break;
	case CV_EVENT_LBUTTONUP:
		curves.mouseUp(x, y);
		invalidate();
		break;
	}
	return;
}


int main()
{
	//read image file
	src = imread("building.jpg");
	if ( !src.data ) {
		cout << "error read image" << endl;
		return -1;
	}

	//create window
	namedWindow(window_name);
	imshow(window_name, src);

	//create Mat for curves
	curves_mat = Mat::ones(256, 256, CV_8UC3);

	//create window for curves
	namedWindow(curves_window);
	setMouseCallback(curves_window, callbackMouseEvent, NULL );
	createTrackbar("Channel", curves_window, &channel,  3, callbackAdjustChannel);


// 範例：用程式程式碼在RedChannel中定義一條曲線
//	curves.RedChannel.clearPoints();
//	curves.RedChannel.addPoint( Point(10,  10) );
//	curves.RedChannel.addPoint( Point(240, 240) );
//	curves.RedChannel.addPoint( Point(127, 127) );

	invalidate();

	waitKey();

	return 0;
}

原圖：

對紅色通道（Channel 1）進行曲線調整

然後，對RGB通道（Channel 0）來一個經典的S型曲線調整

呵呵，有點味道了