C#将RGB图像转换为8位灰度图像

项目需要将RGB图像转换为8位灰度图像，之前不了解图像格式，以为只要对像素进行灰度化就能获得灰度图像，以下代码使用System.Drawing.Imaging.ColorMatrix类配合System.Drawing.Imaging.ImageAttributes类对组成一个5 x 5的线性转换，转换 ARGB 单色值，再使用GDI+获得新图像。

/// <summary>/// 将源图像灰度化，但是没有转化为8位灰度图像。/// http://www.bobpowell.net/grayscale.htm/// </summary>/// <param name="original"> 源图像。 </param>/// <returns> 灰度RGB图像。 </returns>public static Bitmap MakeGrayScale(Bitmap original){    //create a blank bitmap the same size as original    Bitmap newBitmap = new Bitmap(original.Width, original.Height, PixelFormat.Format24bppRgb);    //get a graphics object from the new image    Graphics g = Graphics.FromImage(newBitmap);    //create the grayscale ColorMatrix    ColorMatrix colorMatrix = new ColorMatrix(        new float[][]         {            new float[] { .3f, .3f, .3f, 0, 0 },            new float[] { .59f, .59f, .59f, 0, 0 },            new float[] { .11f, .11f, .11f, 0, 0 },            new float[] { 0, 0, 0, 1, 0 },            new float[] { 0, 0, 0, 0, 1 }        });    /* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *    ┌                          ┐    │  0.3   0.3   0.3   0   0 │    │ 0.59  0.59  0.59   0   0 │    │ 0.11  0.11  0.11   0   0 │    │    0     0     0   1   0 │    │    0     0     0   0   1 │    └                          ┘     * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * */    //create some image attributes    ImageAttributes attributes = new ImageAttributes();    //set the color matrix attribute    attributes.SetColorMatrix(colorMatrix);    //draw the original image on the new image    //using the grayscale color matrix    g.DrawImage(original, new Rectangle(0, 0, original.Width, original.Height),       0, 0, original.Width, original.Height, GraphicsUnit.Pixel, attributes);    //dispose the Graphics object    g.Dispose();    return newBitmap;}

这种方法无需手动操作图像数据，也不用考虑图像扫描宽度等因素，能非常高效、鲁棒的进行灰度化，但是，灰度化后依旧是RGB图像，PixelFormat值依旧为Format24bppRgb。只不过三个通道的值都变成了T = 0.3R + 0.59G + 0.11B。

图1. 灰度化后依旧是RGB图像，PixelFormat值

        需要的8位灰度图像的PixelFormat值为Format8bppIndexed，该格式指定每像素8位，因此不方便将RGB图像直接修改成8位灰度图像，需要创建一个新的8位灰度图像。

       

图2. DotNet中灰度图像参数值

        Format8bppIndexed为索引格式，已经创建索引。因此颜色表中有 256 种颜色。实际是伪彩颜色。可以看到灰度图像的调色板是灰度的，即Palette.Entries中每个项的RGB值都相等。因此，创建一个新的8位灰度图像是不够的，还需要修改灰度位图的索引表。

不修改索引表的话，有些操作后图像可能出现类似红外图像那样色彩斑斓的伪彩图像。如下面的实例所示：

    （1）随便在桌面截取一幅任意尺寸的图像，先进行灰度化，然后用画图程序将灰度化后的RGB图像（Format24bppRgb，256灰度）直接转化为256色灰度图像。

图3.用画图程序将一幅灰度化后的RGB图像转化为256色灰度

 

        转化后参数如下图所示，可以发现图像格式已变为Format8bppIndexed索引格式，但是图像的索引表中每项的RGB值不相同。

图4. 用画图程序转化为256色灰度后图像的参数值

    （2）用转化后的图像进行直方图均衡化，可以看到出现了伪彩色。因为转化后“灰度”图像的Format8bppIndexed的索引表并非灰度，而是伪彩的。

图5. 均衡化后出现伪彩色 

        以下算法先将RGB（以Format24bppRgb为例）图像灰度化，然后得到灰度图像的灰度数组，最后构建一个8位灰度图像。

/// <summary>/// 将源图像灰度化，并转化为8位灰度图像。/// </summary>/// <param name="original"> 源图像。 </param>/// <returns> 8位灰度图像。 </returns>public static Bitmap RgbToGrayScale(Bitmap original){     if (original != null)     {          // 将源图像内存区域锁定          Rectangle rect = new Rectangle(0, 0, original.Width, original.Height);          BitmapData bmpData = original.LockBits(rect, ImageLockMode.ReadOnly,               original.PixelFormat);          // 获取图像参数          int width = bmpData.Width;          int height = bmpData.Height;          int stride = bmpData.Stride;  // 扫描线的宽度          int offset = stride - width * 3;  // 显示宽度与扫描线宽度的间隙          IntPtr ptr = bmpData.Scan0;   // 获取bmpData的内存起始位置          int scanBytes = stride * height;  // 用stride宽度，表示这是内存区域的大小          // 分别设置两个位置指针，指向源数组和目标数组          int posScan = 0, posDst = 0;          byte[] rgbValues = new byte[scanBytes];  // 为目标数组分配内存          Marshal.Copy(ptr, rgbValues, 0, scanBytes);  // 将图像数据拷贝到rgbValues中          // 分配灰度数组          byte[] grayValues = new byte[width * height]; // 不含未用空间。          // 计算灰度数组          for (int i = 0; i < height; i++)          {               for (int j = 0; j < width; j++)               {                    double temp = rgbValues[posScan++] * 0.11 +                        rgbValues[posScan++] * 0.59 +                         rgbValues[posScan++] * 0.3;                    grayValues[posDst++] = (byte)temp;               }               // 跳过图像数据每行未用空间的字节，length = stride - width * bytePerPixel               posScan += offset;          }          // 内存解锁          Marshal.Copy(rgbValues, 0, ptr, scanBytes);          original.UnlockBits(bmpData);  // 解锁内存区域          // 构建8位灰度位图          Bitmap retBitmap = BuiltGrayBitmap(grayValues, width, height);          return retBitmap;     }     else     {          return null;     }}/// <summary>/// 用灰度数组新建一个8位灰度图像。/// http://www.cnblogs.com/spadeq/archive/2009/03/17/1414428.html/// </summary>/// <param name="rawValues"> 灰度数组(length = width * height)。 </param>/// <param name="width"> 图像宽度。 </param>/// <param name="height"> 图像高度。 </param>/// <returns> 新建的8位灰度位图。 </returns>private static Bitmap BuiltGrayBitmap(byte[] rawValues, int width, int height){     // 新建一个8位灰度位图，并锁定内存区域操作     Bitmap bitmap = new Bitmap(width, height, PixelFormat.Format8bppIndexed);     BitmapData bmpData = bitmap.LockBits(new Rectangle(0, 0, width, height),          ImageLockMode.WriteOnly, PixelFormat.Format8bppIndexed);                 // 计算图像参数     int offset = bmpData.Stride - bmpData.Width;        // 计算每行未用空间字节数     IntPtr ptr = bmpData.Scan0;                         // 获取首地址     int scanBytes = bmpData.Stride * bmpData.Height;    // 图像字节数 = 扫描字节数 * 高度     byte[] grayValues = new byte[scanBytes];            // 为图像数据分配内存                 // 为图像数据赋值     int posSrc = 0, posScan = 0;                        // rawValues和grayValues的索引     for (int i = 0; i < height; i++)     {           for (int j = 0; j < width; j++)           {                grayValues[posScan++] = rawValues[posSrc++];           }           // 跳过图像数据每行未用空间的字节，length = stride - width * bytePerPixel           posScan += offset;     }     // 内存解锁     Marshal.Copy(grayValues, 0, ptr, scanBytes);     bitmap.UnlockBits(bmpData);  // 解锁内存区域     // 修改生成位图的索引表，从伪彩修改为灰度     ColorPalette palette;     // 获取一个Format8bppIndexed格式图像的Palette对象     using (Bitmap bmp = new Bitmap(1, 1, PixelFormat.Format8bppIndexed))     {           palette = bmp.Palette;     }     for (int i = 0; i < 256; i++)     {           palette.Entries[i] = Color.FromArgb(i, i, i);     }     // 修改生成位图的索引表     bitmap.Palette = palette;     return bitmap;}

用上面算法将数字图像处理常用测试图像之一的PeppersRGB.bmp图像转换为8位灰度图像，并与PeppersRGB.bmp对应的灰度图像Peppers.bmp进行比对。

图6. 重构的8位灰度图像（上）和Peppers.bmp（下）对比

图7. Matlab中使用rgb2gray函数转换的8位灰度图像（上）和Peppers.bmp（下）对比

             Matlab中使用rgb2gray函数进行格式转换，源码见rgb2gray.m。rgb2gray的算法原理是将RGB色彩模型转为YIQ模型（北美NTSC彩色制式，灰度信息与彩色信息分离）。YIQ模型中，Y代表亮度、I代表色调、Q代表饱和度。转换后的Y分量即为灰度。

        转换公式为：

图8. Matlab.rgb2gray的转换矩阵T

        可以看到转换矩阵T的第一行就是灰度转换公式的系数。