灰度位圖的定義和轉換

袁智勇 劉文林

摘? 要：該文首先介紹了灰度位圖的背景知識，包括灰度位圖的定義、特點、應用范圍。接著介紹了全彩色和灰度色彩轉換的算法。最后演示了基于GDI+的，將全彩色位圖轉換為灰度位圖的核心代碼。該代碼使用了GDI+的Bitmap類，并通過其成員函數ConvertFormat進行位圖格式轉換。特點是代碼高度簡單，程序員無須了解位圖格式轉換，顏色轉換等的細節，大大降低了編碼難度和復雜度。

關鍵詞：灰度位圖;轉換;GDI+

中圖分類號：TP391? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

網上關于灰度位圖（grayscale bitmap）的介紹雖然不少，但大多數都只是觸及點皮毛，沒有交代清楚其原理，使初學者一知半解。該文對灰度位圖做了一個原理性的介紹，使初學者徹底弄明白灰度圖像的原理。同樣的，網上關于彩色圖像轉換為灰度圖像的代碼也很多，但過于煩瑣，該文也介紹了1種簡便的轉換方法。

1 灰度位圖的定義

顧名思義，灰度位圖的所有像素都是灰色的。灰色是一類特殊的顏色，其R（紅色），G（綠色），B（藍色）三原色分量的值都是一樣的。如果以（R，G，B）的格式表示顏色，那么（0，0，0），（1，1，1），（2，2，2），……，（254，254，254），（255，255，255），總共256種顏色都是灰色。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，因此各種灰色的差別在于其亮度不同。

因為顏色僅限于256種灰色（這256種灰色構成灰度位圖的顏色表），為了減少存儲空間，灰度位圖統一使用索引位圖的格式來存儲。也就是說，灰度位圖的像素值不是直接存儲為24 bit的（R，G，B）顏色，而是存儲為顏色表的索引號。例如如果某個灰度位圖的像素值是1，那么它對應的實際顏色是顏色表中編號為1的顏色，也就是（1，1，1）。可以看出，索引號同時代表了對應灰度顏色的亮度。例如，當索引號為0時，對應的顏色是黑色（0，0，0），亮度為0;當索引號為255時，對應的顏色時白色（255，255，255），亮度為255。表達256種索引號只需8 bit（1字節）數據，而直接表達（R，G，B）顏色需要24 bit（3字節）數據，所以使用索引位圖格式能大大節省存儲空間。

將有16 777 216（224）種顏色的24 bit全彩色位圖轉換為只有256（28）種灰色的灰度位圖無疑會丟失圖像的細節，盡管如此，灰度位圖的應用卻非常廣泛。

首先，這種轉換能將彩色圖像轉換為黑白圖像，這是一種非常有用的特效。

其次，這種轉換在丟失細節的同時，往往能使圖像中物體的輪廓變得更明顯。就像黑白證件照的底片，雖然細節很模糊，但人物的輪廓卻很明顯。這使得灰度位圖在文字識別、圖像識別中得到了廣泛的應用。

2 顏色轉換

將24bit全彩色位圖轉換為8bit灰色位圖的原則是將彩色轉換為與之最接近的灰色。關于什么是最接近，在不同的場合下，解讀是不同的。對于灰度圖像轉換，我們是依據全彩色圖像的亮度，將其轉換為同等亮度的灰度顏色。其公式為：

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

I代表索引號。前面提到過，索引號同時代表了對應灰度顏色的亮度。所以上面的公式實際上按照全彩色R、G、B顏色分量的亮度，將其映射到對應亮度的灰度顏色。0.299、0.587 、0.114分別代表了R、G、B顏色分量的權重。可以看出，綠色分量的權重最大，這是因為人類對綠色亮度的變化更敏感。

3 關于GDI+

GDI+是微軟針對傳統的GDI（Graphic Device Interface，圖形設備界面）技術的改進。和GDI不同，GDI+的編程接口是面向對象的，將底層代碼封裝于各種類中，這使得編程難度大大降低。其次，在圖像格式轉換、圖像變換等方面引入了很多新的類成員函數，程序員簡單調用這些函數就可以完成以前通過GDI無法直接完成的工作。

舉個例子，在GDI+中位圖被封裝為Bitmap類，以下C++代碼可以讀取硬盤上的位圖文件test.bmp（假定其為24 bit全彩色位圖），輕松構造一個Bitmap類：

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

下一步，我們可以通過Bitmap的類成員函數操作test.bmp，例如將其轉換為灰度位圖。對應的函數如下：

ConvertFormat（PixelFormat format，

DitherType dithertype，PaletteType palettetype，

ColorPalette *palette，REAL alphaThresholdPercent）;

format參數指定轉換后的位圖的格式，須設置為PixelFormat8bppIndexed（8bit索引位圖）。

dithertype參數指定抖動顏色采用的方法，須設置為DitherTypeSolid（抖動到實體顏色）。

palettetype參數指定灰度位圖使用的顏色表（在GDI+中稱為調色板）的類型，須設置為PaletteTypeCustom（自定義調色板）。

palette為指向灰度位圖的顏色表數據結構指針，調用這個函數的關鍵一步是構造顏色表。如何構造灰度圖像的顏色表請參考下一節中的核心代碼。

alphaThresholdPercent參數和像素透明化處理有關，一般轉換不涉及像素透明化處理，須設置為0。

4 核心代碼

代碼使用visual C++開發，因為僅為演示代碼，其他不重要的代碼都已經略去。

void GrayScale（Bitmap* bmp）{

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

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

for（int i=0;i<256;i++）cpal->Entries[i]=Color：：MakeARGB（0，i，i，i）;//構造顏色表

cpal->Flags=PaletteFlagsGrayScale;

cpal->Count=256;

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

free（p）;}

顏色表數據結構包含2個部分：頭和數據。頭部有2個字段Flags和Count。Flags設置為PaletteFlagsGrayScale，表示顏色表是灰度位圖顏色表。Count設置為256，表示有256中灰度顏色。數據部分是256種灰度顏色，從（0，0，0）一直到（255，255，255）。要注意的是，在標準顏色表中，每種顏色占用32 bit空間，所以要通過宏MakeARGB擴充到32 bit。

5 結語

通過GDI+將全彩色圖像轉化為灰度圖像是非常簡單的，無須和位圖格式細節打交道，也無須直接用公式進行色彩轉換，非常簡便高效。

參考文獻

[1]周鳴揚，趙景亮.精通GDI+編程[M].北京：清華大學出版社，2004.

[2]Ivor Horton.Visual C++2010入門經典（第5版）[M].北京：清華大學出版社，2010.