c#中实现图片灰度化技术详解

什么是图片灰度化？

在计算机图形学中，灰度化是一种将图片从彩色图转化为灰度图的处理过程。灰度图不同于彩色图，它只有黑白两色，其颜色是通过将红色、绿色和蓝色通道加权平均得到的。

实现灰度化的方法

像素级操作法

像素级操作法是一种对图片进行遍历，针对每个像素点单独处理的方法。具体实现是将每个像素点的 R、G、B 通道值按一定权重进行加权平均，从而得到该像素点的灰度值。

例如将红色、绿色、蓝色通道所占权值分别设置为 0.3、0.59、0.11，则某个像素点的灰度值计算公式如下：

灰度值 = R * 0.3 + G * 0.59 + B * 0.11

矩阵法

矩阵法是一种利用数字矩阵对图像进行卷积运算的灰度化方法。它采用 3 x 3 的卷积核对图片进行卷积操作，从而得到灰度图。

卷积核一般采用下面这种方式来设置：

| -1 | -1 | -1 |
| -1 | 8 | -1 |
| -1 | -1 | -1 |

采用上述卷积核时，处理的方式如下：

1. 将待处理的图片按照矩阵方式放置；
2. 对每个像素进行卷积操作，得到一个新的像素值，并将新的像素值赋值给该像素点。

经过矩阵卷积后，得到的结果是一个灰度图。

实现代码示例

像素级操作法

Bitmap bmp = new Bitmap("image.jpg");

for (int i = 0; i < bmp.Width; i++)
{
    for (int j = 0; j < bmp.Height; j++)
    {
        Color color = bmp.GetPixel(i, j);

        int grayValue = (int)(color.R * 0.3 + color.G * 0.59 + color.B * 0.11);
        Color newColor = Color.FromArgb(color.A, grayValue, grayValue, grayValue);
        bmp.SetPixel(i, j, newColor);
    }
}

bmp.Save("grayImage.jpg");

上述代码使用像素级操作法实现了图片的灰度化。

矩阵法

Bitmap bmp = new Bitmap("image.jpg");

int[,] matrix = new int[3, 3]{
    {-1, -1, -1},
    {-1,  8, -1},
    {-1, -1, -1}
};

BitmapData bmData = bmp.LockBits(new Rectangle(0, 0, bmp.Width, bmp.Height), ImageLockMode.ReadWrite, PixelFormat.Format24bppRgb);
int stride = bmData.Stride;
System.IntPtr Scan0 = bmData.Scan0;

unsafe
{
    byte* p = (byte*)(void*)Scan0;

    int nOffset = stride - bmp.Width * 3;

    for (int y = 0; y < bmp.Height - 2; ++y)
    {
        for (int x = 0; x < bmp.Width - 2; ++x)
        {
            int grayValue =
                matrix[0, 0] * (p + y * stride + x * 3)[0] +
                matrix[0, 1] * (p + y * stride + x * 3 + 3)[0] +
                matrix[0, 2] * (p + y * stride + x * 3 + 6)[0] +
                matrix[1, 0] * (p + (y + 1) * stride + x * 3)[0] +
                matrix[1, 1] * (p + (y + 1) * stride + x * 3 + 3)[0] +
                matrix[1, 2] * (p + (y + 1) * stride + x * 3 + 6)[0] +
                matrix[2, 0] * (p + (y + 2) * stride + x * 3)[0] +
                matrix[2, 1] * (p + (y + 2) * stride + x * 3 + 3)[0] +
                matrix[2, 2] * (p + (y + 2) * stride + x * 3 + 6)[0];

            if (grayValue > 255)
            {
                grayValue = 255;
            }

            if (grayValue < 0)
            {
                grayValue = 0;
            }

            (p + (y + 1) * stride + x * 3 + 1)[0] = (byte)grayValue;
            (p + (y + 1) * stride + x * 3 + 2)[0] = (byte)grayValue;
            (p + (y + 1) * stride + x * 3)[0] = (byte)grayValue;
        }
    }
}
bmp.UnlockBits(bmData);
bmp.Save("grayImage.jpg");

上述代码使用矩阵法实现了图片的灰度化。

总结

实现图片灰度化主要有两种方法：像素级操作法和矩阵法。像素级操作法的代码相对简单，但是速度较慢；矩阵法的代码相对复杂，但是速度较快。针对不同的应用场景选择不同的方法。