灰度位图的定义和转换

    袁智勇 刘文林

    摘? 要：该文首先介绍了灰度位图的背景知识，包括灰度位图的定义、特点、应用范围。接着介绍了全彩色和灰度色彩转换的算法。最后演示了基于GDI+的，将全彩色位图转换为灰度位图的核心代码。该代码使用了GDI+的Bitmap类，并通过其成员函数ConvertFormat进行位图格式转换。特点是代码高度简单，程序员无须了解位图格式转换，颜色转换等的细节，大大降低了编码难度和复杂度。

    关键词：灰度位图;转换;GDI+

    中图分类号：TP391? ? ? ? ? ? ? 文献标志码：A

    0 引言

    网上关于灰度位图（grayscale bitmap）的介绍虽然不少，但大多数都只是触及点皮毛，没有交代清楚其原理，使初学者一知半解。该文对灰度位图做了一个原理性的介绍，使初学者彻底弄明白灰度图像的原理。同样的，网上关于彩色图像转换为灰度图像的代码也很多，但过于烦琐，该文也介绍了1种简便的转换方法。

    1 灰度位图的定义

    顾名思义，灰度位图的所有像素都是灰色的。灰色是一类特殊的颜色，其R（红色），G（绿色），B（蓝色）三原色分量的值都是一样的。如果以（R，G，B）的格式表示颜色，那么（0，0，0），（1，1，1），（2，2，2），……，（254，254，254），（255，255，255），总共256种颜色都是灰色。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，因此各种灰色的差别在于其亮度不同。

    因为颜色仅限于256种灰色（这256种灰色构成灰度位图的颜色表），为了减少存储空间，灰度位图统一使用索引位图的格式来存储。也就是说，灰度位图的像素值不是直接存储为24 bit的（R，G，B）颜色，而是存储为颜色表的索引号。例如如果某个灰度位图的像素值是1，那么它对应的实际颜色是颜色表中编号为1的颜色，也就是（1，1，1）。可以看出，索引号同时代表了对应灰度颜色的亮度。例如，当索引号为0时，对应的颜色是黑色（0，0，0），亮度为0;当索引号为255时，对应的颜色时白色（255，255，255），亮度为255。表达256种索引号只需8 bit（1字节）数据，而直接表达（R，G，B）颜色需要24 bit（3字节）数据，所以使用索引位图格式能大大节省存储空间。

    将有16 777 216（224）种颜色的24 bit全彩色位图转换为只有256（28）种灰色的灰度位图无疑会丢失图像的细节，尽管如此，灰度位图的应用却非常广泛。

    首先，这种转换能将彩色图像转换为黑白图像，这是一种非常有用的特效。

    其次，这种转换在丢失细节的同时，往往能使图像中物体的轮廓变得更明显。就像黑白证件照的底片，虽然细节很模糊，但人物的轮廓却很明显。这使得灰度位图在文字识别、图像识别中得到了广泛的应用。

    2 颜色转换

    将24bit全彩色位图转换为8bit灰色位图的原则是将彩色转换为与之最接近的灰色。关于什么是最接近，在不同的场合下，解读是不同的。对于灰度图像转换，我们是依据全彩色图像的亮度，将其转换为同等亮度的灰度颜色。其公式为：

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

    I代表索引号。前面提到过，索引号同时代表了对应灰度颜色的亮度。所以上面的公式实际上按照全彩色R、G、B颜色分量的亮度，将其映射到对应亮度的灰度颜色。0.299、0.587 、0.114分别代表了R、G、B颜色分量的权重。可以看出，绿色分量的权重最大，这是因为人类对绿色亮度的变化更敏感。

    3 关于GDI+

    GDI+是微软针对传统的GDI（Graphic Device Interface，图形设备界面）技术的改进。和GDI不同，GDI+的编程接口是面向对象的，将底层代码封装于各种类中，这使得编程难度大大降低。其次，在图像格式转换、图像变换等方面引入了很多新的类成员函数，程序员简单调用这些函数就可以完成以前通过GDI无法直接完成的工作。

    举个例子，在GDI+中位图被封装为Bitmap类，以下C++代码可以读取硬盘上的位图文件test.bmp（假定其为24 bit全彩色位图），轻松构造一个Bitmap类：

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

    下一步，我们可以通过Bitmap的类成员函数操作test.bmp，例如将其转换为灰度位图。对应的函数如下：

    ConvertFormat（PixelFormat format，

    DitherType dithertype，PaletteType palettetype，

    ColorPalette *palette，REAL alphaThresholdPercent）;

    format参数指定转换后的位图的格式，须设置为PixelFormat8bppIndexed（8bit索引位图）。

    dithertype参数指定抖动颜色采用的方法，须设置为DitherTypeSolid（抖动到实体颜色）。

    palettetype参数指定灰度位图使用的颜色表（在GDI+中称为调色板）的类型，须设置为PaletteTypeCustom（自定义调色板）。

    palette为指向灰度位图的颜色表数据结构指针，调用这个函数的关键一步是构造颜色表。如何构造灰度图像的颜色表请参考下一节中的核心代码。

    alphaThresholdPercent参数和像素透明化处理有关，一般转换不涉及像素透明化处理，须设置为0。

    4 核心代码

    代码使用visual C++开发，因为仅为演示代码，其他不重要的代码都已经略去。

    void GrayScale（Bitmap* bmp）{

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

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

    for（int i=0;iEntries[i]=Color：：MakeARGB（0，i，i，i）;//構造颜色表

    cpal->Flags=PaletteFlagsGrayScale;

    cpal->Count=256;

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

    free（p）;}

    颜色表数据结构包含2个部分：头和数据。头部有2个字段Flags和Count。Flags设置为PaletteFlagsGrayScale，表示颜色表是灰度位图颜色表。Count设置为256，表示有256中灰度颜色。数据部分是256种灰度颜色，从（0，0，0）一直到（255，255，255）。要注意的是，在标准颜色表中，每种颜色占用32 bit空间，所以要通过宏MakeARGB扩充到32 bit。

    5 结语

    通过GDI+将全彩色图像转化为灰度图像是非常简单的，无须和位图格式细节打交道，也无须直接用公式进行色彩转换，非常简便高效。

    参考文献

    [1]周鸣扬，赵景亮.精通GDI+编程[M].北京：清华大学出版社，2004.

    [2]Ivor Horton.Visual C++2010入门经典（第5版）[M].北京：清华大学出版社，2010.