Android繪圖機制與處理技巧（二）——Android圖像處理之色彩特效處理

Android對於圖片處理，最常使用到的數據結構是位圖——Bitmap，它包含了一張圖片所有的數據。整個圖片都是由點陣和顏色值組成的，所謂點陣就是一個包含像素的矩陣，每一個元素對應著圖片的一個像素。而顏色值——ARGB，分別對應透明圖、紅、綠、藍這四個通道分量，它們共同決定了每個像素點顯示的顏色。

色彩矩陣分析

在色彩處理中，通常使用以下三個角度來描述一個圖像。

色調——物體傳播的顏色 飽和度——顏色的純度，從0(灰)到100%（飽和）來進行描述 亮度——顏色的相對明暗程度

而在Android中，系統使用一個顏色矩陣——ColorMatrix，來處理圖像的這些色彩效果。Android中顏色矩陣是一個4x5的數字矩陣，它用來對圖片的色彩進行處理。而對於每個像素點，都有一個顏色分量矩陣用來保存顏色的RGBA值，如下圖所示：
?????afkpbglqchmrdinsejot?????顏色矩陣A
????????RGBA1????????顏色分量矩陣C

圖中矩陣A就是一個4x5的顏色矩陣。在Android中，它會以一維數組的形式來存儲[a,b,c,d,e,f,g,h,i,j,k,l,m,n,o,p,q,r,s,t]，而C則是一個顏色分量矩陣。在處理圖像時，使用矩陣乘法運算AC來處理顏色分量矩陣，如下圖所示：
?????R1G1B1A1?????矩陣乘法運算D=AC
其中計算過程如下：

R1 = axR + bxG + cxB + dxA + e；
G1 = fxR + gxG + hxB + ixA + j；
B1 = kxR + lxG + mxB + nxA + o；
A1 = pxR + qxG + rxB + sxA + t；

從這個公式可以發現，對於顏色矩陣A是按以下方式劃分的。

第一行的abcde值決定新的顏色值中的R——紅色 第二行的fghij值決定新的顏色值中的G——綠色 第一行的klmno值決定新的顏色值中的B——藍色 第一行的pqrst值決定新的顏色值中的A——透明度 矩陣A中的第五列——ejot值分別用來決定每個分量中的offset，即偏移量

現在我們重新看一下矩陣變換的計算公式，以R分量為例。如果令a=1，b、c、d、e都等於0，那麼計算結果為R1=R。因此，可以構造出一個矩陣，如下圖所示：
?????10000100001000010000?????初始矩陣
如果把這個矩陣帶入公式D=AC，那麼根據矩陣乘法運算法則，可以得到R1=R。因此這個矩陣通常被用來作為初始的顏色矩陣來使用，它不會對原有顏色值進行任何變化。

當要變換顏色值的時候，通常有兩種方法。一種是直接改變顏色的offset，即偏移量的值來修改顏色分量，另一種方法是直接改變對應RGBA值的系數來調整顏色分量的值。

改變偏移量

要修改R1的值，只要將第五列的值進行修改即可。即改變顏色的偏移量，其他值保持初始矩陣的值，如下圖所示：
?????100001000010000110010000?????改變顏色偏移量
在上面這個矩陣中，修改了R、G所對應的顏色偏移量，那麼最後的處理結果就是圖像的紅色、綠色分量增加了100。而紅色混合綠色會得到黃色，所以最終的顏色處理結果就是讓整個圖像的色調偏黃色。

改變顏色系數

如果修改顏色分量中的某個系數值，而其他值依然保持初始矩陣的值，如下圖所示：
?????10000200001000010000?????改變顏色系數
在上面這個矩陣中，改變了G分量所對應的系數g，這樣在矩陣運算後G分量會變為以前的兩倍，最終結果就是圖像的色調更加偏綠。

改變色光屬性

圖像的色調、飽和度、亮度這三個屬性在圖像處理中的使用非常之多。在Android中，系統封裝了一個類——ColorMatrix，也就是顏色矩陣。通過這個類，可以很方便地通過改變矩陣值來處理顏色效果。創建一個ColorMatrix對象非常簡單，代碼如下：

ColorMatrix colorMatrix = new ColorMatrix();

下面處理不同的色光屬性。

色調

Android提供了setRotate(int axis, float degrees)來設置顏色的色調。第一個參數，系統分別使用0、1、2來代表Red、Green、Blue三種顏色的處理；而第二個參數，就是需要處理的值，代碼如下：

        ColorMatrix hueMatrix = new ColorMatrix();
        hueMatrix.setRotate(0, hue1);
        hueMatrix.setRotate(1, hue2);
        hueMatrix.setRotate(2, hue3);

通過這樣的方法，可以為RGB三種顏色分量分別重新設置了不同的色調值。

飽和度

Android系統提供了setSaturation(float sat)方法來設置顏色的飽和度值，代碼如下：

        //設置顏色的飽和度
        ColorMatrix saturationMatrix = new ColorMatrix();
        //saturation參數即代表設置顏色的飽和度的值，當飽和度為0時，圖像就變成灰度圖像了
        saturationMatrix.setSaturation(saturation);

亮度

Android系統提供了setScale(float rScale, float gScale, float bScale, float aScale)方法來設置顏色的亮度值。當三原色以相同的比例進行混合時，就會顯示出白色。系統也正是根據這個原理來改變一個圖像的亮度的。當亮度為0時，圖像就變為全黑了，代碼如下所示：

        //設置顏色的亮度
        ColorMatrix lumMatrix = new ColorMatrix();
        lumMatrix.setScale(lum, lum, lum, 1);

除了單獨使用上面三種方式進行顏色效果的處理之外，Android系統還封裝了矩陣的乘法運算。它提供了postConcat(ColorMatrix postmatrix)方法來將矩陣的作用效果混合，從而疊加處理效果，代碼如下所示：

        //將矩陣的作用效果混合，從而疊加處理效果
        ColorMatrix imageMatrix = new ColorMatrix();
        imageMatrix.postConcat(hueMatrix);
        imageMatrix.postConcat(saturationMatrix);
        imageMatrix.postConcat(lumMatrix);

在下面的例子中，通過滑動三個SeekBar來改變不同色光屬性的數值，並將這些數值作用到對應的矩陣中。最後通過postConcat()方法來顯示混合的處理效果。

滑動SeekBar獲取輸入值的代碼如下所示：

package com.huangfei.example;

import android.app.Activity;
import android.graphics.Bitmap;
import android.graphics.BitmapFactory;
import android.os.Bundle;
import android.widget.ImageView;
import android.widget.SeekBar;

/**
 * 通過滑動三個SeekBar來改變不同色光屬性的數值，並將這些數值作用到對應的矩陣中
 */
public class PrimaryColorActivity extends Activity implements SeekBar.OnSeekBarChangeListener {

    private static final int MAX_VALUE = 255;
    private static final int MID_VALUE = 127;

    private ImageView mImageView;
    private float mHue, mSaturation, mLum;
    private Bitmap mBitmap;

    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_primary_color);
        mBitmap = BitmapFactory.decodeResource(getResources(), R.mipmap.test3);

        mImageView = (ImageView) findViewById(R.id.imageview);
        SeekBar seekBarHue = (SeekBar) findViewById(R.id.seekbarHue);
        SeekBar seekBarSaturation = (SeekBar) findViewById(R.id.seekbarSaturation);
        SeekBar seekBarLum = (SeekBar) findViewById(R.id.seekbarLum);

        seekBarHue.setOnSeekBarChangeListener(this);
        seekBarSaturation.setOnSeekBarChangeListener(this);
        seekBarLum.setOnSeekBarChangeListener(this);

        //設置最大值
        seekBarHue.setMax(MAX_VALUE);
        seekBarSaturation.setMax(MAX_VALUE);
        seekBarLum.setMax(MAX_VALUE);

        //設置進度
        seekBarHue.setProgress(MID_VALUE);
        seekBarSaturation.setProgress(MID_VALUE);
        seekBarLum.setProgress(MID_VALUE);

        mImageView.setImageBitmap(mBitmap);
    }


    @Override
    public void onProgressChanged(SeekBar seekBar, int progress, boolean fromUser) {
        switch (seekBar.getId()) {
            case R.id.seekbarHue://色調
                mHue = (progress - MID_VALUE) * 1.0f / MID_VALUE * 180;
                break;
            case R.id.seekbarSaturation://飽和度
                mSaturation = progress * 1.0f / MID_VALUE;
                break;
            case R.id.seekbarLum://亮度
                mLum = progress * 1.0f / MID_VALUE;
                break;
        }
        mImageView.setImageBitmap(ImageHelper.handleImageEffect(mBitmap, mHue, mSaturation, mLum));
    }

    @Override
    public void onStartTrackingTouch(SeekBar seekBar) {

    }

    @Override
    public void onStopTrackingTouch(SeekBar seekBar) {

    }
}

設置圖像矩陣的代碼如下：

    /**
     *改變圖像色光屬性
     * @param bm
     * @param hue 色調
     * @param saturation 飽和度
     * @param lum 亮度
     * @return
     */
    public static Bitmap handleImageEffect(Bitmap bm, float hue, float saturation, float lum) {
        //設置顏色的色調
        ColorMatrix hueMatrix = new ColorMatrix();
        //第一個參數，系統分別使用0、1、2來代表Red、Green、Blue三種顏色的處理；而第二個參數，就是需要處理的值
        hueMatrix.setRotate(0, hue);
        hueMatrix.setRotate(1, hue);
        hueMatrix.setRotate(2, hue);

        //設置顏色的飽和度
        ColorMatrix saturationMatrix = new ColorMatrix();
        //saturation參數即代表設置顏色的飽和度的值，當飽和度為0時，圖像就變成灰度圖像了
        saturationMatrix.setSaturation(saturation);

        //設置顏色的亮度
        ColorMatrix lumMatrix = new ColorMatrix();
        lumMatrix.setScale(lum, lum, lum, 1);

        //將矩陣的作用效果混合，從而疊加處理效果
        ColorMatrix imageMatrix = new ColorMatrix();
        imageMatrix.postConcat(hueMatrix);
        imageMatrix.postConcat(saturationMatrix);
        imageMatrix.postConcat(lumMatrix);

        /**
         * 設置好處理的顏色矩陣後，通過使用Paint類的setColorFilter()方法，將通過imageMatrix構造的
         * ColorMatrixColorFilter對象傳遞進去，並使用這個畫筆來繪制原來的圖像，從而將顏色矩陣作用到原圖中
         */
        Paint paint = new Paint();
        paint.setColorFilter(new ColorMatrixColorFilter(imageMatrix));
        /**
         * Android系統也不允許直接修改原圖，類似Photoshop中的鎖定，必須通過原圖創建一個同樣大小的Bitmap，並將
         * 原圖繪制到該Bitmap中，以一個副本的形式來修改圖像。
         */
        Bitmap bitmap = Bitmap.createBitmap(bm.getWidth(), bm.getHeight(), Bitmap.Config.ARGB_8888);
        Canvas canvas = new Canvas(bitmap);
        canvas.drawBitmap(bm, 0, 0 ,paint);
        return bitmap;
    }

效果圖如下：

Android顏色矩陣——ColorMatrix

通過調整顏色矩陣可以改變一副圖像的色彩效果，圖像處理很大程度上就是在尋找處理圖像的顏色矩陣。不僅僅可以通過Android系統提供的API來進行ColorMatrix的修改，同樣可以精確地修改矩陣的值來實現顏色效果的改變。下面模擬一個4x5的顏色矩陣，通過修改矩陣中的值，來觀察圖片的效果，程序運行後的效果如下圖：

通過GridLayout來進行布局，動態添加20個EditText來創建4x5的矩陣，GridLayout布局代碼如下：

動態創建EditText，添加到GridLayout並初始化矩陣的代碼如下所示：

package com.huangfei.example;

import android.app.Activity;
import android.graphics.Bitmap;
import android.graphics.BitmapFactory;
import android.graphics.Canvas;
import android.graphics.ColorMatrix;
import android.graphics.ColorMatrixColorFilter;
import android.graphics.Paint;
import android.os.Bundle;
import android.view.View;
import android.widget.EditText;
import android.widget.GridLayout;
import android.widget.ImageView;

/**
 * Created by Administrator on 2016/5/26.
 * 模擬一個4x5的顏色矩陣
 */
public class ColorMatrixActivity extends Activity {
    private ImageView mImageView;
    private GridLayout mGroup;
    private Bitmap bitmap;
    private int mEtWidth, mEtHeight;
    private EditText[] mEts = new EditText[20];
    private float[] mColorMatrix = new float[20];

    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_color_matrix);
        bitmap = BitmapFactory.decodeResource(getResources(), R.mipmap.test1);
        mImageView = (ImageView) findViewById(R.id.imageview);
        mGroup = (GridLayout) findViewById(R.id.group);
        mImageView.setImageBitmap(bitmap);

        mGroup.post(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                // 獲取寬高信息
                mEtWidth = mGroup.getWidth() / 5;
                mEtHeight = mGroup.getHeight() / 4;
                addEts();
                initMatrix();
            }
        });
    }

    // 初始化顏色矩陣為初始狀態
    private void initMatrix() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            if (i % 6 == 0)
                mEts[i].setText(String.valueOf(1));
            else
                mEts[i].setText(String.valueOf(0));
        }
    }

    // 添加EditText
    private void addEts() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            mEts[i] = new EditText(this);
            mGroup.addView(mEts[i], mEtWidth, mEtHeight);
        }
    }

    // 獲取矩陣值
    private void getMatrix() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            mColorMatrix[i] = Float.valueOf(mEts[i].getText().toString());
        }
    }

    // 將矩陣值設置到圖像
    private void setImageMatrix() {
        Bitmap bmp = Bitmap.createBitmap(bitmap.getWidth(), bitmap.getHeight(), Bitmap.Config.ARGB_8888);
        ColorMatrix colorMatrix = new ColorMatrix();
        colorMatrix.set(mColorMatrix);
        Canvas canvas = new Canvas(bmp);
        Paint paint = new Paint();
        paint.setColorFilter(new ColorMatrixColorFilter(colorMatrix));
        canvas.drawBitmap(bitmap, 0, 0, paint);
        mImageView.setImageBitmap(bmp);
    }

    // 作用矩陣效果
    public void btnChange(View view) {
        getMatrix();
        setImageMatrix();
    }

    // 重置矩陣效果
    public void btnReset(View view) {
        initMatrix();
        getMatrix();
        setImageMatrix();
    }
}

常用圖像顏色矩陣處理效果

灰度效果

顏色矩陣如下所示：
?????0.330.330.3300.590.590.5900.110.110.11000010000?????灰度效果
處理效果如下所示：

圖像反轉

顏色矩陣如下所示：
??????10000?10000?1011111110?????圖像反轉
處理效果如下所示：

懷舊效果

顏色矩陣如下所示：
?????0.3930.3490.27200.7690.6860.53400.1890.1680.131000010000?????懷舊效果
處理效果如下所示：

去色效果

顏色矩陣如下所示：
?????1.51.51.501.51.51.501.51.51.500001?1?1?10?????去色效果
處理效果如下所示：

高飽和度

顏色矩陣如下所示：
?????1.438?0.062?0.0620?0.1221.378?0.1220?0.016?0.0161.48300001?0.03?0.05?0.020?????高飽和度
處理效果如下所示：

像素點分析

可以通過改變每個像素點的具體ARGB值，來達到處理一張圖像效果的目的。但要注意的是，傳遞進來的原始圖片是不能修改的，一般根據原始圖片生成一張新的圖片來修改。

在Android中，系統提供了Bitmap.getPixels()方法來幫我們提取整個Bitmap中的像素點，並保存到一個數組中，該方法如下所示：

getPixels(int[] pixels, int offset, int stride, int x, int y, int width, int height)

參數含義如下：

pixels——接收位圖顏色值的數組 offset——寫入到pixels[]中的第一個像素索引值 stride——用來表示pixels[]數組中每行的像素個數，用於行與行之間區分，絕對值必須大於參數width，但不必大於所要讀取圖片的寬度w（在width < w 時成立）．(stride負數有何作用不知，存疑)．另，pixels.length >= stride * height,否則會拋出ArrayIndexOutOfBoundsException異常。 stride > width時，可以在pixels[]數組中添加每行的附加信息，可做它用． x——從位圖中讀取的第一個像素的x坐標值 y——從位圖中讀取的第一個像素的y坐標值 width——從每一行中讀取的像素寬度 height——讀取的行數

通常情況下，可以使用如下代碼：

        int width = bm.getWidth();
        int height = bm.getHeight();   
        int[] oldPx = new int[width * height];
        bm.getPixels(oldPx, 0, width, 0, 0, width, height);

接下來，就可以獲取到每個像素具體的ARGB值了，代碼如下所示：

            color = oldPx[i];
            r = Color.red(color);
            g = Color.green(color);
            b = Color.blue(color);
            a = Color.alpha(color);

當獲取到具體的顏色值之後，就可以通過相應的算法來修改它的ARGB值，從而來重構一張新的圖像，例如進行如下處理：

            r1 = (int) (0.393 * r + 0.769 * g + 0.189 * b);
            g1 = (int) (0.349 * r + 0.686 * g + 0.168 * b);
            b1 = (int) (0.272 * r + 0.534 * g + 0.131 * b);

再通過如下所示代碼將新的RGBA值合成像素點：

newPx[i] = Color.argb(a, r1, g1, b1);

最後將處理之後的像素點數組重新set給Bitmap。從而達到圖像處理的目的：

bmp.setPixels(newPx, 0, width, 0, 0, width, height);

常用圖像像素點處理效果

底片效果

若存在ABC3個像素點，要求B點對應的底片效果算法，代碼如下：

B.r = 255 - B.r;
B.g = 255 - B.g;
B.b = 255 - B.b;

實現代碼如下：

    //底片效果
    public static Bitmap handleImageNegative(Bitmap bitmap) {
        int width = bitmap.getWidth();
        int height = bitmap.getHeight();
        int color;
        int r, g, b, a;

        Bitmap btm = Bitmap.createBitmap(width, height, Bitmap.Config.ARGB_8888);

        int[] oldPx = new int[width * height];
        int[] newPx = new int[width * height];
        bitmap.getPixels(oldPx, 0, width, 0, 0, width, height);

        for (int i = 0; i < width * height; i++) {
            color = oldPx[i];
            r = Color.red(color);
            g = Color.green(color);
            b = Color.blue(color);
            a = Color.alpha(color);

            r = 255 - r;
            g = 255 - g;
            b = 255 - b;

            if (r > 255)
                r = 255;
            else if (r < 0)
                r = 0;
            if (g > 255)
                g = 255;
            else if (g < 0)
                g = 0;
            if (b > 255)
                b = 255;
            else if (b < 0)
                b = 0;
            newPx[i] = Color.argb(a, r, g, b);
        }
        btm.setPixels(newPx, 0, width, 0, 0, width, height);
        return btm;
    }

老照片效果

求某像素點的老照片效果算法，代碼如下：

for (int i = 0; i < width * height; i++) {
            color = oldPx[i];
            a = Color.alpha(color);
            r = Color.red(color);
            g = Color.green(color);
            b = Color.blue(color);

            r1 = (int) (0.393 * r + 0.769 * g + 0.189 * b);
            g1 = (int) (0.349 * r + 0.686 * g + 0.168 * b);
            b1 = (int) (0.272 * r + 0.534 * g + 0.131 * b);

            if (r1 > 255) {
                r1 = 255;
            }
            if (g1 > 255) {
                g1 = 255;
            }
            if (b1 > 255) {
                b1 = 255;
            }

            newPx[i] = Color.argb(a, r1, g1, b1);
        }

浮雕效果

求某像素點的浮雕效果算法，代碼如下：

        for (int i = 1; i < width * height; i++) {
            colorBefore = oldPx[i - 1];
            a = Color.alpha(colorBefore);
            r = Color.red(colorBefore);
            g = Color.green(colorBefore);
            b = Color.blue(colorBefore);

            color = oldPx[i];
            r1 = Color.red(color);
            g1 = Color.green(color);
            b1 = Color.blue(color);

            r = r - r1 + 127;
            g = g - g1 + 127;
            b = b - b1 + 127;
            if (r > 255) {
                r = 255;
            }
            if (g > 255) {
                g = 255;
            }
            if (b > 255) {
                b = 255;
            }
            newPx[i] = Color.argb(a, r, g, b);
        }

效果如下所示：