Delphi图像处理 -- 图像颜色矩阵调整

本文在《GDI+ ColorMatrix的完全揭秘》的ColorMatrix原理揭秘的基础上，用Delphi代码来完整实现GDI+的ColorMatrix功能。

GDI+中设置ColorMatrix时有2个枚举选项，在实际运用中极少使用，所以代码中以GDI+设置ColorMatrix的缺省方式实现。

先给一个简易的浮点版本，因为该过程没有考虑子图处理，所以称之为简易版本，主要方便阅读者理解ColorMatrix实现原理：

procedure SetColorMatrixF(Data: TImageData; Matrix: TColorMatrix);
var
  I, J, Count: Integer;
  P: PRGBQuad;
  MainValue: Boolean;
  v: Integer;

  procedure SetPixel;
  var
    Pixel: array[0..3] of Byte;
    I, J: Integer;
    ps: PByteArray;
  begin
    ps := Pointer(P);
    // 注意：为使矩阵与ARGB排列顺序一致，以下运算中调整了行列的顺序 
    for I := 0 to 3 do
    begin
      if I < 3 then
        J := 2 - I
      else
        J := I;
      // 如果只存在主对角线数据，只处理颜色缩放 
      if MainValue then
        Pixel[J] := Round(Matrix[I, I] * ps[J])
      // 否则，处理所有颜色变换 
      else
        Pixel[J] := Max(0, Min(255, Round(Matrix[0, I] * ps[2] +
                                          Matrix[1, I] * ps[1] +
                                          Matrix[2, I] * ps[0] +
                                          Matrix[3, I] * ps[3] +
                                          Matrix[4, I] * 255)));
    end;
    for I := 0 to 3 do
      ps[I] := Pixel[I];
  end;

begin
  // 处理矩阵中大与255的值（取模），并判断主对角线外是否存在数据 
  MainValue := True;
  for I := 0 to 4 do
    for J := 0 to 4 do
    begin
      v := Round(Matrix[I, J]) div 256;
      if v > 0 then
        Matrix[I, J] := Matrix[I, J] - 256.0 * v;
      if (I <> J) and (Matrix[I, J] <> 0) then
        MainValue := False;
    end;
  Count := Data.Width * Data.Height;
  P := Data.Scan0;
  for I := 1 to Count do
  begin
    SetPixel;
    Inc(P);
  end;
end;

因代码已经有了注释，而实现原理、公式已经在《GDI+ ColorMatrix的完全揭秘》中进行了详尽的介绍，所以本文不再累述。

该过程代码的特点是简单易读，缺点是效率较低，在我的P4 2.8G计算机上，处理一张千万像素的照片，耗时为1000ms左右（不包括GDI+图像格式转换耗时。千万像素的24位格式图像转换为32位格式，耗时就达650ms）。

下面是一个MMX BASM代码的整数ColorMatrix实现过程：

过程定义：

  // 设置图像颜色矩阵。参数：
  //   Dest输出图，Source原图，Data自身操作图像
  //   Matrix颜色矩阵
  procedure ImageSetColorMatrix(var Data: TImageData; Matrix: TColorMatrix); overload;
    {$IF RTLVersion >= 17.00}inline;{$IFEND}
  procedure ImageSetColorMatrix(var Dest: TImageData;
    const Source: TImageData; Matrix: TColorMatrix); overload;

实现代码：

procedure ImageSetColorMatrix(var Dest: TImageData;
  const Source: TImageData; Matrix: TColorMatrix);
asm
    push        esi
    push        edi
    push        ebx
    call        IsValid32
    jc          @@Exit
    mov         ebx, eax
    mov         eax, edx
    call        IsValid32
    jc          @@Exit
    mov         edi, ecx        // edi = matrix
    mov         esi, 4          // for (i = 4; i >= 0; i --)
    fldz                        // {
@@iLoop:
    mov         ecx, 4          //   for (j = 4; j >= 0; j --)
@@jLoop:                        //   {
    cmp         ecx, esi
    je          @@1
    mov         eax, esi
    imul        eax, 5
    add         eax, ecx
    fcom        dword ptr [edi+eax*4]
    fstsw       ax
    sahf
    je          @@1
    fstp        st(0)           //     if (i != j && matrix[i, j] != 0)
    jmp         @@TransformAll  //       goto TransformAll
@@1:
    dec         ecx
    jns         @@jLoop         //   }
    dec         esi
    jns         @@iLoop         // }
    fstp        st(0)
    fwait

    // 处理颜色缩放(主对角线的数据)

    sub         esp, 8+2
    mov         dword ptr [esp], 256
    fild        dword ptr [esp]
    fld         st(0)
    fmul        dword ptr [edi+(2*5+2)*4]
    fistp       dword ptr [esp]     // matrixI[0, 0] = matrix[2, 2] * 256
    fld         st(0)
    fmul        dword ptr [edi+(1*5+1)*4]
    fistp       dword ptr [esp+2]   // matrixI[0, 1] = matrix[1, 1] * 256
    fld         st(0)               
    fmul        dword ptr [edi+(0*5+0)*4]
    fistp       dword ptr [esp+4]   // matrixI[0, 2] = matrix[0, 0] * 256
    fmul        dword ptr [edi+(3*5+3)*4]
    fistp       dword ptr [esp+6]   // matrixI[0, 3] = matrix[3, 3] * 256
    mov         eax, ebx
    call        SetCopyRegs32
    pxor        mm7, mm7
    movq        mm1, [esp]      // mm1 = m44  m11  m22  m33
@@yLoop:
    push        ecx
@@xLoop:
    movd        mm0, [esi]
    punpcklbw   mm0, mm7        // mm0 = 00  A 00  R 00  G 00  B
    pmullw      mm0, mm1        // mm0 = A*m44 R*m11 G*m22 B*m33
    psrlw       mm0, 8          // mm0 = A*m44/256 R*m11/256 G*m22/256 B*m33/256
    packuswb    mm0, mm0        // mm0 = 00 00 00 00 An Rn Gn Bn
    movd        [edi], mm0
    add         esi, 4
    add         edi, 4
    loop        @@xLoop
    add         esi, eax
    add         edi, ebx
    pop         ecx
    dec         edx
    jnz         @@yLoop
    add         esp, 8+2
    jmp         @@end

    // 处理全部颜色变换

@@TransformAll:
    sub         esp, 5*8+2      // 浮点颜色矩阵行列交换转换为128倍整数
    mov         dword ptr [esp], 128
    fild        dword ptr [esp]
    mov         esi, esp        // esi = matrixI
    mov         eax, edi
    mov         ecx, 4          // for (i = 0; i < 4; i ++)
@@cvtLoop:                      // {
    fld         st(0)
    fmul        dword ptr [edi]
    fistp       dword ptr [esi]     // matrixI[i, 0] = matrix[0, i] * 128
    fld         st(0)
    fmul        dword ptr [edi+1*5*4]
    fistp       dword ptr [esi+2]   // matrixI[i, 1] = matrix[1, i] * 128
    fld         st(0)
    fmul        dword ptr [edi+2*5*4]
    fistp       dword ptr [esi+4]   // matrixI[i, 2] = matrix[2, i] * 128
    fld         st(0)
    fmul        dword ptr [edi+3*5*4]
    fistp       dword ptr [esi+6]   // matrixI[i, 3] = matrix[3, i] * 128
    add         esi, 8
    add         edi, 4
    loop        @@cvtLoop       // }
    fstp        st(0)
    add         eax, 4*5*4      // 浮点数平移量转换为255倍整数
    mov         dword ptr [esi], 255
    fild        dword ptr [esi]
    mov         ecx, 4          // for (j = 0; j < 4; j ++)
@@tLoop:
    fld         st(0)
    fmul        dword ptr [eax]
    fistp       dword ptr [esi]     // matrixI[4, j] = matrix[4, j] * 255
    add         esi, 2
    add         eax, 4
    loop        @@tLoop
    fstp        st(0)
    mov         esi, esp        // 红蓝(0、2列)交换
    mov         ecx, 5          // for (i = 0; i < 5; i ++)
@@swapLoop:                     //   matrixI[i, 0] <--> matrixI[i, 2]
    mov         ax, [esi].TARGBQuadW.wBlue 
    xchg        ax, [esi].TARGBQuadW.wRed
    mov         [esi].TARGBQuadW.wBlue, ax
    add         esi, 8
    loop        @@swapLoop
    mov         eax, ebx
    call        SetCopyRegs32
    pxor        mm7, mm7
    pcmpeqb     mm4, mm4        // mm4 = FF FF FF FF FF FF FF FF
    psrlw       mm4, 15         // mm4 = 00 01 00 01 00 01 00 01
@@yLoopA:
    push        ecx
@@xLoopA:
    movd        mm0, [esi]
    punpcklbw   mm0, mm7        // mm0 = 00  A 00  R 00  G 00  B
    movq        mm1, mm0
    movq        mm2, mm0
    movq        mm3, mm0
    // esp+4: ecx push stack
    pmaddwd     mm0, [esp+16+4] // mm0 = A*m43+R*m13  G*m23+B*m33  蓝色行
    pmaddwd     mm1, [esp+8+4]  // mm1 = A*m42+R*m12  G*m22+B*m32  绿色行
    pmaddwd     mm2, [esp+4]    // mm2 = A*m41+R*m11  G*m21+B*m31  红色行
    pmaddwd     mm3, [esp+24+4] // mm3 = A*m44+R*m14  G*m24+B*m34  Alpha行
    psrad       mm0, 7          // mm0 = A*m43+R*m13/128  G*m23+B*m33/128
    psrad       mm1, 7          // mm1 = A*m42+R*m12/128  G*m22+B*m32/128
    psrad       mm2, 7          // mm2 = A*m41+R*m11/128  G*m21+B*m31/128
    psrad       mm3, 7          // mm3 = A*m44+R*m14/128  G*m24+B*m34/128
    packssdw    mm0, mm1        // mm0 = Ag+Rg  Gg+Bg  Ab+Rb  Gb+Bb
    packssdw    mm2, mm3        // mm2 = Aa+Ra  Ga+Ba  Ar+Rr  Gr+Br
    pmaddwd     mm0, mm4        // mm0 = Ag+Rg+Gg+Bg=Gn  Ab+Rb+Gb+Bb=Bn
    pmaddwd     mm2, mm4        // mm2 = Aa+Ra+Ga+Ba=An  Ar+Rr+Gr+Br=Rn
    packssdw    mm0, mm2        // mm0 = 00 An 00 Rn 00 Gn 00 Bn   
    paddd       mm0, [esp+32+4] // mm0 = An+At Rn+Rt Gn+Gt Bn+Bt   平移行
    packuswb    mm0, mm0        // mm0 = 00 00 00 00 An Rn Gn Bn
    movd        [edi], mm0
    add         esi, 4
    add         edi, 4
    loop        @@xLoopA
    add         esi, eax
    add         edi, ebx
    pop         ecx
    dec         edx
    jnz         @@yLoopA
    add         esp, 5*8+2
@@end:
    emms
@@Exit:
    pop         ebx
    pop         edi
    pop         esi
end;

procedure ImageSetColorMatrix(var Data: TImageData; Matrix: TColorMatrix);
begin
  ImageSetColorMatrix(Data, Data, Matrix);
end;

该过程中作了更详细的注释，其特点是处理速度较快。在我的机器上，不包括图像格式转换耗时，处理千万像素图片主对角线数据耗时不到50ms，而处理全部变换耗时350-400ms。

下面是一个测试程序代码，该程序代码中，没有使用GDI+，用TJPEGImage对象装入图像转换为TImageData类型后，有上面的ImageSetColorMatrix过程进行处理。该测试代码界面与《GDI+ for VCL基础 -- 颜色调整矩阵ColorMatrix详解》是一样的。有兴趣的朋友可以同里面的测试代码作一下比较。

unit Main;

interface

uses
  Windows, Messages, SysUtils, Variants, Classes, Graphics, Controls, Forms,
  Dialogs, ExtCtrls, StdCtrls, Buttons, Grids, ImageUtils;

type
  TMainForm = class(TForm)
    Label1: TLabel;
    PaintBox1: TPaintBox;
    SpeedButton1: TSpeedButton;
    SpeedButton2: TSpeedButton;
    SpeedButton3: TSpeedButton;
    SpeedButton4: TSpeedButton;
    StringGrid1: TStringGrid;
    BitBtn1: TBitBtn;
    BitBtn3: TBitBtn;
    BitBtn2: TBitBtn;
    procedure FormCreate(Sender: TObject);
    procedure BitBtn1Click(Sender: TObject);
    procedure StringGrid1DrawCell(Sender: TObject; ACol, ARow: Integer;
      Rect: TRect; State: TGridDrawState);
    procedure StringGrid1GetEditText(Sender: TObject; ACol, ARow: Integer;
      var Value: String);
    procedure PaintBox1Paint(Sender: TObject);
    procedure FormDestroy(Sender: TObject);
    procedure BitBtn2Click(Sender: TObject);
    procedure SpeedButton2Click(Sender: TObject);
    procedure SpeedButton1Click(Sender: TObject);
    procedure SpeedButton4Click(Sender: TObject);
    procedure SpeedButton3Click(Sender: TObject);
    procedure BitBtn3Click(Sender: TObject);
  private
    { Private declarations }
    Matrix: TColorMatrix;
    Source: TImageData;
    procedure SetMatrix;
    procedure GetMatrix;
  public
    { Public declarations }
  end;

var
  MainForm: TMainForm;

implementation

uses JPEG;

{$R *.dfm}

const
  ColorMatrix: TColorMatrix =
  (
    (1.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0),
    (0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 0.0),
    (0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0),
    (0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0),
    (0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0)
  );

procedure TMainForm.GetMatrix;
var
  i, j: Integer;
begin
  for i := 0 to 4 do
    for j := 0 to 4 do
      Matrix[i, j] := StrToFloat(StringGrid1.Cells[j, i]);
end;

procedure TMainForm.SetMatrix;
var
  i, j: Integer;
begin
  for i := 0 to 4 do
    for j := 0 to 4 do
      StringGrid1.Cells[j, i] := Format('%.2f', [Matrix[i, j]]);
end;

procedure TMainForm.FormCreate(Sender: TObject);
var
  jpg: TJPEGImage;
begin
  jpg := TJPEGImage.Create;
  jpg.LoadFromFile('..\..\Media\100_0349.jpg');
  Source := GetImageData(jpg);
  jpg.Free;
  BitBtn2.Click;
end;

procedure TMainForm.FormDestroy(Sender: TObject);
begin
  FreeImageData(Source);
end;

// 灰度化
procedure TMainForm.SpeedButton1Click(Sender: TObject);
var
  I: Integer;
begin
  Move(ColorMatrix, Matrix, Sizeof(Matrix));
  for I := 0 to 2 do
  begin
    Matrix[0, I] := 0.3;
    Matrix[1, I] := 0.59;
    Matrix[2, I] := 0.11;
  end;
  SetMatrix;
  PaintBox1.Invalidate;
end;
// 调整亮度0.1(25.5)
procedure TMainForm.SpeedButton2Click(Sender: TObject);
var
  I: Integer;
begin
  Move(ColorMatrix, Matrix, Sizeof(Matrix));
  for I := 0 to 2 do
    Matrix[4, I] := 0.1;
  SetMatrix;
  PaintBox1.Invalidate;
end;
// 反色
procedure TMainForm.SpeedButton3Click(Sender: TObject);
begin
  Move(ColorMatrix, Matrix, Sizeof(Matrix));
  Matrix[0, 0] := -1;
  Matrix[1, 1] := -1;
  Matrix[2, 2] := -1;
  SetMatrix;
  PaintBox1.Invalidate;
end;
// 半透明显示
procedure TMainForm.SpeedButton4Click(Sender: TObject);
begin
  Move(ColorMatrix, Matrix, Sizeof(Matrix));
  Matrix[3, 3] := 0.5;
  SetMatrix;
  PaintBox1.Invalidate;
end;

procedure TMainForm.StringGrid1DrawCell(Sender: TObject; ACol,
  ARow: Integer; Rect: TRect; State: TGridDrawState);
var
  r: TRect;
  Text: string;
  x: Integer;
begin
  with StringGrid1 do
  begin
    Text := Cells[ACol, ARow];
    if Text = '' then Text := '0.00'
    else
    begin
      x := Pos('.', Text);
      if x < 1 then Text := Text + '.00'
      else if x = 1 then Text := '0' + Text;
    end;
    r := TRect(Rect);
    Canvas.FillRect(r);
    Canvas.Pen.Color := clBtnShadow;
    Canvas.Rectangle(r);
    InflateRect(r, -2, -2);
    DrawText(Canvas.Handle, PChar(Text), Length(Text), r, DT_RIGHT);
  end;
end;

procedure TMainForm.StringGrid1GetEditText(Sender: TObject; ACol,
  ARow: Integer; var Value: String);
var
  v: Double;
begin
  if Value = '' then v := 0.0
  else v := StrToFloat(Value);
  Value := Format('%.2f', [v]);
end;

procedure TMainForm.PaintBox1Paint(Sender: TObject);
var
  Data: TImageData;
begin
  Data := NewImageData(Source.Width, Source.Height, 0);
  try
    ImageSetColorMatrix(Data, Source, Matrix);
    DrawImage(PaintBox1.Canvas, 10, 10, Source);
    DrawImage(PaintBox1.Canvas, Data.Width + 20, 10, Data);
  finally
    FreeImageData(Data);
  end;
end;

procedure TMainForm.BitBtn1Click(Sender: TObject);
begin
  GetMatrix;
  SetMatrix;
  PaintBox1.Invalidate;
end;

procedure TMainForm.BitBtn2Click(Sender: TObject);
begin
  Move(ColorMatrix, Matrix, Sizeof(Matrix));
  SetMatrix;
  PaintBox1.Invalidate;
end;

procedure TMainForm.BitBtn3Click(Sender: TObject);
begin
  Close();
end;

end.

例子代码中的图像显示过程DrawImage见《Delphi图像处理 -- 图像显示》。

下面是运行效果图：

该效果图是个处理-1矩阵实现图像取反的画面，仔细观察右边的取反图，不难发现其中有不少黑色的点，尤其是画面右上角“圣亚”2个字下面，更是出现一些难看的色斑，这些问题在《GDI+ ColorMatrix的完全揭秘》中已经作了详细的解说。其实这个问题完全可以进行改进，但本文的目的是揭秘和完整实现，改进后，一些非主要效果肯定会与“正版”不一样。^_^

文章中所用数据类型及一些过程见《Delphi图像处理 -- 数据类型及内部过程》和《Delphi图像处理 -- 图像像素结构与图像数据转换》。

尽管我十分努力，但水平有限，错误在所难免，欢迎指正和指导。邮箱地址：

[e-mail]

说明：本文代码于2010.5.20重新修订过，增加了拷贝形式的处理过程。