Delphi图像处理 -- Photoshop图像亮度/对比度调整

本人已经写过几篇关于亮度调整的文章，但是关于图像的对比度调整的过程和文章却一直没有写，其原因是一直没找到一个好的算法。可能有人会说，图像的亮度，对比度调整是最简单的图形操作，其算法网上可说是一搜一大把，确实如此，可就是这最简单的操作，网上的文章却五花八门，我拣几个试了一下，好像都不太理想，关键是算法太简单，实际操作效果不好，于是想，Photoshop的对比度还是较好的，而且也通用，但偏偏网上没有介绍它的算法，用了大半天时间研究了一下，再花了1个来小时写了个Delphi过程，试了一下，居然和Photoshop的对比度调整完全一样的效果！于是认真写了个测试程序，把亮度和对比度放在一起进行调整（亮度和对比度处理过程为各自独立的，其中亮度过程基本是本BLOG文章《GDI+ 在Delphi程序的应用 -- 调整图像亮度》的代码），可是效果却和Photoshop大不一样了，是什么原因呢，Photoshop的亮度调整算法是最简单的那种，与我的亮度过程做出来的是一样的（效果比较图参见《GDI+ 在Delphi程序的应用 -- 线性调整图像亮度》），而前面说了，对比度过程算法也是和Photoshop一样的，可放在一起调整就不行了，无论是先调整亮度，还是先调整对比度都这样。后来仔细分析了一下，Photoshop是用一个函数处理亮度/对比度，而且亮度调整是按对比度的正负分别对待的，下面是实现代码：

过程定义：

  // 图像亮度调整，Value亮度值
  procedure ImageBrightness(var Data: TImageData; Value: Integer);
  // 图像亮度/对比度调整。参数：
  //   Dest输出图，Source原图，Data自身操作图像
  //   Bright亮度，Contrast对比度，Threshold对比度阀值(可用灰度统计数据的平均灰度)
  //   Callback回调函数，返回True终止操作，CallbackData回调函数参数地址
  procedure ImageBrightContrast(var Data: TImageData;
    Bright, Contrast: Integer; Threshold: LongWord); overload;
    {$IF RTLVersion >= 17.00}inline;{$IFEND}
  procedure ImageBrightContrast(var Dest: TImageData; const Source: TImageData;
    Bright, Contrast: Integer; Threshold: LongWord); overload;
    {$IF RTLVersion >= 17.00}inline;{$IFEND}
  // 无效参数或者被回调函数终止操作返回False。
  function ImageBrightContrast(var Dest: TImageData; const Source: TImageData;
    Bright, Contrast: Integer; Threshold: LongWord;
    Callback: TImageAbort; CallbackData: Pointer): Boolean; overload;

实现代码：

procedure ImageBrightness(var Data: TImageData; Value: Integer);
asm
    push      esi
    push      edi
    push      ebx

    call      IsValid32
    jc        @@Exit
    mov       esi, edx
    test      edx, edx
    jz        @@Exit         // if (Value == 0) return
    jns       @@1
    neg       edx            // if (Value < 0) Value = -Value
@@1:
    and       edx, 0ffh
    movd      mm1, edx       // mm1 = 00 00 00 00 00 00 00 Value
    punpcklbw mm1, mm1
    punpcklwd mm1, mm1
    punpckldq mm1, mm1
    psrld     mm1, 8         // mm1 = 00 Value(7 byte)
    call      SetDataRegs32
    test      ecx, 1
    jz        @@2
    add       ebx, 4
@@2:
    mov       eax, ecx
    shr       ecx, 1         // ecx = Data.Width / 2
    test      esi, esi
    jl        @@yLoopS       // if (value < 0) BrightnessSub
@@yLoopA:                    // for (y = Data.Height; y > 0; y--)
    push      ecx            // {
@@xLoopA:                    //   for (x = edx - 1; x >= 0; x --)
    dec       ecx            //   {
    js        @@1_1
    movq      mm0, [edi]     //      mm0 = A1 R1 G1 B1 A0 R0 G0 B0
    paddusb   mm0, mm1       //      mm0 += mm1
    movq      [edi], mm0     //      (int64* )edi = mm0
    add       edi, 8         //      edi += 8
    jmp       @@xLoopA       //   }
@@1_1:
    test      eax, 1         //   if (Data.Width % 2 == 1)
    jz        @@1_2          //   {
    movd      mm0, [edi]     //      mm0 = 00 00 00 00 A0 R0 G0 B0
    paddusb   mm0, mm1       //      mm0 += mm1
    movd      [edi], mm0     //      (int* )edi = mm0
@@1_2:                       //   }
    pop       ecx
    add       edi, ebx       //   edi += Offset
    dec       edx
    jnz       @@yLoopA       //  }
    jmp       @@Exit
@@yLoopS:                    // for (y = Data.Height; y > 0; y--)
    push      ecx            // {
@@xLoopS:                    //   for (x = edx - 1; x >= 0; x --)
    dec       ecx            //   {
    js        @@2_1
    movq      mm0, [edi]     //      mm0 = A1 R1 G1 B1 A0 R0 G0 B0
    psubusb   mm0, mm1       //      mm0 -= mm1
    movq      [edi], mm0     //      (int64* )edi = mm0
    add       edi, 8         //      edi += 8
    jmp       @@xLoopS       //   }
@@2_1:
    test      eax, 1         //   if (Data.Width % 2 == 1)
    jz        @@2_2          //   {
    movd      mm0, [edi]     //      mm0 = 00 00 00 00 A0 R0 G0 B0
    psubusb   mm0, mm1       //      mm0 -= mm1
    movd      [edi], mm0     //      (int* )edi = mm0
@@2_2:                       //   }
    pop       ecx
    add       edi, ebx       //   edi += Offset
    dec       edx
    jnz       @@yLoopS         //  }
@@Exit:
    emms
    pop     ebx
    pop     edi
    pop     esi
end;

function ClacBrightContrast(value: Integer): Integer;
asm
    test    eax, eax
    jg      @@1
    cmp     eax, -255
    jge     @@Exit
    mov     eax, -255
    jmp     @@Exit
@@1:
    push    ecx
    push    edx
    mov     ecx, 256
    sub     ecx, eax
    jg      @@2
    mov     ecx, 1
@@2:
    mov     eax, 65536
    xor     edx, edx
    div     ecx
    sub     eax, 256
    pop     edx
    pop     ecx
@@Exit:
end;

procedure BrightContrast(bright, contrast, threshold, cv: Integer); pascal;
var
  height, count: Integer;
  dstOffset, srcOffset: Integer;
asm
    mov     height, edx
    mov     dstOffset, ebx
    mov     srcOffset, eax
    mov     ebx, contrast       // ebx = contrast
    mov     edx, threshold
@@yLoop:
    push    ecx
@@xLoop:
    push    ecx
    mov     count, 3
@@rgbLoop:
    movzx   eax, [esi]          // eax = rgb
    test    ebx, ebx
    jz      @@21                // if (contrast > 0)
    js      @@10                // {
    add     eax, bright         //   rgb += bright
    jns     @@2
    xor     eax, eax
@@2:
    cmp     ebx, 255
    jl      @@15                //   if (contrast >= 255)
    cmp     eax, edx            //   {
    jl      @@3                 //     rgb = rgb >= threshold? 255 : 0
    mov     eax, 255            //     goto @@next
    jmp     @@next              //   }
@@3:                            // }
    xor     eax, eax
    jmp     @@next
@@10:
    cmp     ebx, -255           // else if (contrast <= -255)
    jg      @@15                // {
    mov     eax, edx            //   rgb = threshold; goto @@20
    jmp     @@20                // }
@@15:
    mov     ecx, eax            // rgb = rgb + (rgb - threshold) * cv / 256
    sub     eax, edx
    imul    eax, cv
    sar     eax, 8
    add     eax, ecx
    jns     @@20
    xor     eax, eax
@@20:
    test    ebx, ebx
    jg      @@22
@@21:
    add     eax, bright         // if (contrast <= 0) rgb += bright
    jns     @@22
    xor     eax, eax
@@22:
    cmp     eax, 255
    jbe     @@next
    mov     eax, 255
@@next:
    stosb
    inc     esi
    dec     count
    jnz     @@rgbLoop
    pop     ecx
    movsb
    dec     ecx
    jnz     @@xLoop
    add     edi, dstOffset
    add     esi, srcOffset
    pop     ecx
    dec     height
    jnz     @@yLoop
end;

function ImageBrightContrast(var Dest: TImageData; const Source: TImageData;
  Bright, Contrast: Integer; Threshold: LongWord;
  Callback: TImageAbort; CallbackData: Pointer): Boolean;
var
  cv: Integer;
begin
  Result := False;
  if ImageEmpty(Dest) or ImageEmpty(Source) then Exit;
  if Threshold > 255 then Threshold := 255;
  cv := ClacBrightContrast(Contrast);
  if Assigned(Callback) then
    Result := ExecuteAbort(Dest, Source, @BrightContrast,
      [Bright, Contrast, Threshold, cv], Callback, CallbackData)
  else
    Result := ExecuteProc(Dest, Source, @BrightContrast,
      [Bright, Contrast, Threshold, cv]);
end;

procedure ImageBrightContrast(var Dest: TImageData; const Source: TImageData;
  Bright, Contrast: Integer; Threshold: LongWord);
begin
  ImageBrightContrast(Dest, Source, Bright, Contrast, Threshold, nil, nil);
end;

procedure ImageBrightContrast(var Data: TImageData;
  Bright, Contrast: Integer; Threshold: LongWord);
begin
  ImageBrightContrast(Data, Data, Bright, Contrast, Threshold, nil, nil);
end;

下面对亮度/对比度的原理简单介绍一下。

一、Photoshop对比度算法。可以用下面的公式来表示：

(1)、nRGB = RGB + (RGB - Threshold) * Contrast / 255

公式中，nRGB表示图像像素新的R、G、B分量，RGB表示图像像素R、G、B分量，Threshold为给定的阀值，Contrast为处理过的对比度增量。

Photoshop对于对比度增量，是按给定值的正负分别处理的：

当增量等于-255时，是图像对比度的下端极限，此时，图像RGB各分量都等于阀值，图像呈全灰色，灰度图上只有1条线，即阀值灰度；

当增量大于-255且小于0时，直接用上面的公式计算图像像素各分量；

当增量等于 255时，是图像对比度的上端极限，实际等于设置图像阀值，图像由最多八种颜色组成，灰度图上最多8条线，即红、黄、绿、青、蓝、紫及黑与白；

当增量大于0且小于255时，则先按下面公式(2)处理增量，然后再按上面公式(1)计算对比度：

(2)、nContrast = 255 * 255 / (255 - Contrast) - 255

公式中的nContrast为处理后的对比度增量，Contrast为给定的对比度增量。

二、图像亮度调整。本文采用的是最常用的非线性亮度调整（Phoposhop CS3以下版本也是这种亮度调整方式，CS3及以上版本也保留了该亮度调整方式的选项），本文亮度调整采用MMX，对亮度增量分正负情况分别进行了处理，每次处理2个像素，速度相当快，比常规BASM代码的亮度处理过程还要快几倍（参见《GDI+ 在Delphi程序的应用 -- 调整图像亮度》）。

三、图像亮度/对比度综合调整算法。这个很简单，当亮度、对比度同时调整时，如果对比度大于0，现调整亮度，再调整对比度；当对比度小于0时，则相反，先调整对比度，再调整亮度。

下面给出完整的调整亮度/对比度的Delphi代码，包括灰度统计、绘图等：

unit Main;

interface

uses
  Windows, Messages, SysUtils, Variants, Classes, Graphics, Controls, Forms,
  Dialogs, StdCtrls, ExtCtrls, ComCtrls, ImageUtils, GpBitmapUtils;

type
  TPanel = class(ExtCtrls.TPanel)
  public
    procedure Paint; override;
  end;

  TMainForm = class(TForm)
    Label1: TLabel;
    Label2: TLabel;
    BBar: TTrackBar;
    CBar: TTrackBar;
    Button1: TButton;
    BEdit: TEdit;
    CEdit: TEdit;
    Panel1: TPanel;
    Label3: TLabel;
    GrayMap: TPaintBox;
    Average: TLabel;
    RadioButton1: TRadioButton;
    RadioButton2: TRadioButton;
    procedure FormCreate(Sender: TObject);
    procedure FormDestroy(Sender: TObject);
    procedure GrayMapPaint(Sender: TObject);
    procedure BBarChange(Sender: TObject);
    procedure BEditChange(Sender: TObject);
    procedure CBarChange(Sender: TObject);
    procedure Button1Click(Sender: TObject);
    procedure BEditKeyPress(Sender: TObject; var Key: Char);
    procedure RadioButton1Click(Sender: TObject);
    procedure RadioButton2Click(Sender: TObject);
  private
    { Private declarations }
    FData: TImageData;
    FtmpData: TImageData;
    FLock: Boolean;
    FGrayData: TGrayStatData;
    FGrayAverage: Integer;
    FIsRun: Boolean;
    FAbort: Boolean;
  public
    { Public declarations }
    procedure GrayDiagram;
    procedure AdjustmentImage;
  end;

var
  MainForm: TMainForm;

implementation

uses Math, Gdiplus;

{$R *.dfm}

type
  TBrightContrast = function(var Dest: TImageData; const Source: TImageData;
    Bright, Contrast: Integer; Threshold: LongWord;
    Callback: TImageAbort; CallbackData: Pointer): Boolean;

var
  BrightContrast: TBrightContrast = ImageBrightContrast;

function MyAbort(data: Pointer): BOOL; stdcall;
begin
  Result := TMainForm(data).FAbort;
end;

procedure TMainForm.AdjustmentImage;
begin
  if not FIsRun then
  begin
    FIsRun := True;
    FAbort := False;
    if BrightContrast(FTmpData, FData, BBar.Position,
      Round(CBar.Position * 255.0 / 100.0) , FGrayAverage, MyAbort, Self) then
      GrayDiagram;
    Panel1.Paint;
    FIsRun := False;
  end
  else FAbort := True;
end;

procedure TMainForm.BBarChange(Sender: TObject);
begin
  if not FLock then
    BEdit.Text := IntToStr(BBar.Position);
end;

procedure TMainForm.CBarChange(Sender: TObject);
begin
  if not FLock then
    CEdit.Text := IntToStr(CBar.Position);
end;

procedure TMainForm.BEditChange(Sender: TObject);
var
  v: Integer;
begin
  with Sender as TEdit do
  begin
    FLock := True;
    if Text = '' then v := 0
    else v := StrToInt(Text);
    if Tag = 1 then
      CBar.Position := v
    else
      BBar.Position := v;
    AdjustmentImage;
    FLock := False;
  end;
end;

procedure TMainForm.BEditKeyPress(Sender: TObject; var Key: Char);
begin
  if (Key >= #32) and not (Key in ['0'..'9']) then
    Key := #0;
end;

procedure TMainForm.Button1Click(Sender: TObject);
begin
  Close;
end;

procedure TMainForm.FormCreate(Sender: TObject);
begin
  DoubleBuffered := True;
  FData := GetImageData(TGpBitmap.Create('../../Media/56-3.jpg'), True);
  FtmpData := NewImageData(FData.Width, FData.Height, 0);
  ImageGrayStat(FData, FGrayData);
  FGrayAverage := FGrayData.Average;
  AdjustmentImage;
end;

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

procedure TMainForm.GrayMapPaint(Sender: TObject);
var
  I: Integer;
begin
  GrayMap.Canvas.Brush.Color := clSkyBlue;
  GrayMap.Canvas.FillRect(GrayMap.ClientRect);
  GrayMap.Canvas.Pen.Color := clRed;
  GrayMap.Canvas.Brush.Style := bsClear;
  GrayMap.Canvas.Rectangle(GrayMap.ClientRect);
  for I := 0 to 255 do
  begin
    GrayMap.Canvas.Pen.Color := RGB(I, I, I);
    GrayMap.Canvas.MoveTo(I + 1, GrayMap.Height);
    GrayMap.Canvas.LineTo(I + 1, GrayMap.Height -
      Round(35.0 * (Log10(FGrayData.Grays[I] + 1))));
  end;
end;

procedure TMainForm.GrayDiagram;
begin
  ImageGrayStat(FtmpData, FGrayData);
  Average.Caption := '平均灰度：' + IntToStr(FGrayData.Average);
  GrayMap.Invalidate;
end;

procedure TMainForm.RadioButton1Click(Sender: TObject);
begin
  BrightContrast := ImageBrightContrast;
  AdjustmentImage;
end;

procedure TMainForm.RadioButton2Click(Sender: TObject);
begin
  BrightContrast := ImageLineBrightContrast;
  AdjustmentImage;
end;

{ TPanel }

procedure TPanel.Paint;
begin
  with MainForm do
  begin
    DrawImage(Panel1.Canvas, 0, 0, FtmpData);
    DrawImage(Panel1.Canvas, 0, FtmpData.Height, FData);
  end;
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》，灰度统计过程ImageGrayStat见《Delphi图像处理 -- 图像的灰度化、二值化及反色》。

例子中有个线性亮度选项，有关线性亮度/对比度调整另文介绍。

下面是运行界面，其效果和Photoshop基本一致（如果前面实现代码不优化速度，由256替代255，与Photoshop应该是完全相同的）：

文章中使用GDI+版本下载地址和说明见《GDI+ for VCL基础 -- GDI+ 与 VCL》。

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]

本文代码于2010.5.20重新修订过。增加了拷贝形式的调整过程和响应回调函数的调整过程（修改过的例子代码使用了这种处理过程）。代码中的ExecuteAbort过程和ExecuteProc过程见《Delphi图像处理 -- 图像像素结构与图像数据转换》。