OpenCV-灰度图蒙版GrayMask

作者：翟天保Steven
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需求说明

   在对图像进行处理时，经常会有这类需求：想对感兴趣区域进行掩膜处理，只操作掩膜内数据，此时需要搭配掩膜绘制功能，并在绘制过程中希望能区分掩膜区和非掩膜区；除了掩膜本身的线条以外，还希望掩膜内图像是原色，掩膜外图像的颜色进行一定调整；通常可以采用图像透明化或者色彩单通道加深的方式实现。

   比如对三通道的图像，可以将掩膜外数据的红通道数值提高，此时该部分图像就会偏红色，如下图1所示。

图1 颜色加深的蒙版效果

    但是针对灰度图，因为图像数据本身就是单通道的，就不能借用颜色通道或者透明通道了；有一个基础的办法是将非掩膜区数据同时加减某个数值，这种方法简单但有一个弊端，比如我加了50，那原图200-255之间的数值都将变为255，这样就损坏了原图的某些特征信息。为此，我们采用非线性的算法将其进行较为合理的数值调整。

   下面介绍具体实现流程。

具体流程

   1）构造非线性参数。其中n为函数输入的参数，范围在-100到100；a、b、k为算法参数，公式见下。

n = min(max(n, -100), 100);
int k = 4;
float b = n / 100.f / k;
float a = 1.0f + k * b;

   2）参照上式，对掩膜外数据进行如下处理。

float temp = pow(float(in[j]) / 255.f, 1.0f / a) * (1.0 / (1 + b));

   3）temp的数值需要进行校准，因为灰度值如果是uchar型，范围在0-255之间，校准后乘上255，即可得到算法计算的结果。

if (temp > 1.0f)
    temp = 1.0f;
if (temp < 0.0f)
    temp = 0.0f;
uchar utemp = uchar(255 * temp);
r[j] = utemp;

   4）掩膜内数值保持不变。

r[j] = in[j];

   5）输出图像，完成。

功能函数

// 灰度图蒙版
cv::Mat GrayMask(cv::Mat input, cv::Mat mask, int n)
{
    // 通道判断
    if (input.channels() != 1)
    {
        return input;
    }
    
    // 非线性参数
    // 当n=100时，非掩膜区呈灰色；当n=0时，非掩膜区无变化；当n=-100时，非掩膜区黑色
    // n越小，非掩膜区越暗，n越大，非掩膜区越灰
    // 目的是区分非掩膜区和掩膜区
    n = min(max(n, -100), 100);
    int k = 4;
    float b = n / 100.f / k;
    float a = 1.0f + k * b;

    // 蒙版处理
    cv::Mat result = cv::Mat::zeros(input.size(), input.type());
    for (int i = 0; i < input.rows; ++i)
    {
        uchar *m = mask.ptr<uchar>(i);
        uchar *in = input.ptr<uchar>(i);
        uchar *r = result.ptr<uchar>(i);
        for (int j = 0; j < input.cols; ++j)
        {
            if (m[j] == 0)
            {
                float temp = pow(float(in[j]) / 255.f, 1.0f / a) * (1.0 / (1 + b));
                if (temp > 1.0f)
                    temp = 1.0f;
                if (temp < 0.0f)
                    temp = 0.0f;
                uchar utemp = uchar(255 * temp);
                r[j] = utemp;
            }
            else {
                r[j] = in[j];
            }
        }
    }
    return result;
}

C++测试代码

#include <iostream>
#include <unordered_map>
#include <unordered_set>
#include <stdio.h>
#include <io.h>
#include <chrono> 
#include <time.h>
#include <stdio.h>
#include <direct.h>
#include <ctime>
#include <opencv2/core/core.hpp>
#include <opencv2/highgui.hpp>
#include <opencv2/imgproc.hpp>

using namespace std;
using namespace cv;

cv::Mat GrayMask(cv::Mat input, cv::Mat mask, int n);

int main()
{
    // 读取灰度图
    cv::Mat src = imread("1.png",0);
    // 绘制掩膜
    cv::Mat mask = cv::Mat::zeros(src.size(), CV_8UC1);
    cv::circle(mask, cv::Point(src.cols / 2, src.rows / 2), 100, cv::Scalar(255), -1);
    // 灰度图蒙版
    cv::Mat result = GrayMask(src, mask, 100);
    // 结果显示
    imshow("src", src);
    imshow("result", result);
    waitKey(0);
    system("pause");
    return 0;
}

// 灰度图蒙版
cv::Mat GrayMask(cv::Mat input, cv::Mat mask, int n)
{
    // 通道判断
    if (input.channels() != 1)
    {
        return input;
    }
    
    // 非线性参数
    // 当n=100时，非掩膜区呈灰色；当n=0时，非掩膜区无变化；当n=-100时，非掩膜区黑色
    // n越小，非掩膜区越暗，n越大，非掩膜区越灰
    // 目的是区分非掩膜区和掩膜区
    n = min(max(n, -100), 100);
    int k = 4;
    float b = n / 100.f / k;
    float a = 1.0f + k * b;

    // 蒙版处理
    cv::Mat result = cv::Mat::zeros(input.size(), input.type());
    for (int i = 0; i < input.rows; ++i)
    {
        uchar *m = mask.ptr<uchar>(i);
        uchar *in = input.ptr<uchar>(i);
        uchar *r = result.ptr<uchar>(i);
        for (int j = 0; j < input.cols; ++j)
        {
            if (m[j] == 0)
            {
                float temp = pow(float(in[j]) / 255.f, 1.0f / a) * (1.0 / (1 + b));
                if (temp > 1.0f)
                    temp = 1.0f;
                if (temp < 0.0f)
                    temp = 0.0f;
                uchar utemp = uchar(255 * temp);
                r[j] = utemp;
            }
            else {
                r[j] = in[j];
            }
        }
    }
    return result;
}

测试效果

图2 原图

图3 灰度图蒙版效果

   如果函数有什么可以改进完善的地方，非常欢迎大家指出，一同进步何乐而不为呢~

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