openCVを利用した輝度調整の方法

Question

いつも大変お世話になっています。

Win7　Visual Studio ２００８ で開発しています。

画像処理について、現在使用しているライブラリから、openCVに切り替えようとしているのですが、

輝度調整がうまくいきません。

前のライブラリでは、引数に、（１０．０）～（－１０．０）までの値を渡すと、輝度がほとんど白からほとんど黒まで変化していました。

openCVを使って同じような効果を得る方法がわかりません。

ちなみに現在使用しているライブラリの関数説明欄には

X:元のピクセル値,y:新しいピクセル値とすると                      
y = x + (SQRT(x) - x) * Bright となる 

と、書かれていました。（Bright ＝（１０．０）～（－１０．０））

意味もわからず、そのように組んでみましたがうまくいきませんでした。

輝度調整の方法をご存知の方がおられましたら、

よろしくご教授くださいませ。

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    for (y = 0; y < img->height; y++) {
        for (x = 0; x < img->width; x++) {
            for(i=0; i < 3; i++) {
                brg = img->imageData[img->widthStep * y + x * 3 + i];        // B R G 順
                brg = brg + uchar( (sqrt((double)brg) - (double)brg) *　Bright );
                brg = min(brg , 255);
                brg = max(brg , 0);
                img->imageData[img->widthStep * y + x * 3 + i] = brg;
            }
        }
    }

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Answer 1

あまりOpenCVと関係なさそうです。

RGB値を直接操作しても輝度は意図通りには変わりません。色空間 / RGB / 輝度について勉強することをお勧めします。

# ところでこういう操作をGPU上で行うのがOpenCVの役目だと思っていました。CPUで行うなら別にOpenCVは要らないような…。

Answer 2

ありがとうございました。

さらに勉強してみます。

Answer 3

「現在使用しているライブラリ」というのがよくわからないので比較のしようがないですが、とりあえずそれっぽいのを書いてみました。VC++ 2012とOpenCV 2.4.7で動作確認済み。当方Master of OpenCVではないのでもっと最適化できる可能性はあります。ちなみにOpenCVの画像バッファはカラー24bppの場合BGR,BGR,...の順序で並んでます（Windows Bitmapと同じ）。

※OpenCVはもともとクロスプラットフォームなCPU向け高速画像処理ライブラリとして開発されたのが始まりです。SSE拡張命令による高速化はともかく、CUDAやOpenCLでGPUアクセラレートする機能が追加されたのは最近のことです。CUDAにはIPPに似たNPPというユーティリティライブラリが存在し、OpenCV同様に高速画像処理フィルターとしてそのまま活用できますが、OpenCL標準にはありません。なお、今回のようにOpenCVに用意されているcvConvertScale()などの定義済みフィルターが使えないような複雑なカーネルコードをどうしても書きたい場合、生画像バッファを直接操作する必要があると思いますが、だとしても移植性の高いプラットフォーム非依存コードを記述しやすいという意味でOpenCVを使う意義は十分あります。最近ではAndroidやiOS向けのモバイル実装もあります。

#ifndef __cplusplus
#error Use C++ instead of C!!
#endif

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
// OpenCV 2.4.7 の "opencv2/flann/logger.h" 内で fopen() が使われているため、
// VC++ 2012 では _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 定義がないとコンパイル エラーになる。
// また、"opencv2/legacy/compat.hpp" に C3H+96H の非 ASCII バイト列が含まれるため、警告 C4819 が出る。
#include <cstdio>
#pragma warning(push)
#pragma warning(disable:4819)
#include <opencv/cv.h>
#include <opencv/highgui.h>
#pragma warning(pop)
#undef _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <cassert>
#include <algorithm>
#include <conio.h>

#pragma comment(lib, "vc11\\lib\\opencv_core247.lib")
#pragma comment(lib, "vc11\\lib\\opencv_highgui247.lib")

// VC++ 2010 以降は <cstdint> を使えばよい。
typedef unsigned char uint8_t;

namespace
{
	template<typename T> const T& Clamp(const T& x, const T& minVal, const T& maxVal)
	{
		if (x < minVal) return minVal;
		if (x > maxVal) return maxVal;
		return x;
	}

	template<typename T> T* SafePointerCast(void* p)
	{ return static_cast<T*>(p); }

	template<typename T> const T* SafePointerCast(const void* p)
	{ return static_cast<const T*>(p); }

	template<typename T> inline double MyContrastFunc(T src, double brightScale)
	{
		return src + (sqrt(src) - src) * brightScale;
	}

	inline uint8_t ClampMyContrastFunc(uint8_t src, double brightScale)
	{
		return uint8_t(Clamp<double>(MyContrastFunc(src, brightScale), 0, 255));
	}

	const double NtscGrayCoeffR = 0.298912;
	const double NtscGrayCoeffG = 0.586611;
	const double NtscGrayCoeffB = 0.114478;

	inline uint8_t ToNtscGrayscale(uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue)
	{
		return uint8_t(NtscGrayCoeffR * red + NtscGrayCoeffG * green + NtscGrayCoeffB * blue);
	}

	// http://ja.wikipedia.org/wiki/YUV

	void RgbToYCbCr(uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue, double& y, double& cb, double& cr)
	{
		y  = +NtscGrayCoeffR * red + NtscGrayCoeffG * green + NtscGrayCoeffB * blue;
		cb = -0.168736 * red - 0.331264 * green + 0.5 * blue;
		cr = 0.5 * red - 0.418688 * green - 0.081312 * blue;
	}

	void YCbCrToRgb(double y, double cb, double cr, uint8_t& red, uint8_t& green, uint8_t& blue)
	{
		red   = uint8_t(Clamp<double>((y + 1.402 * cr), 0, 255));
		green = uint8_t(Clamp<double>((y - 0.344136 * cb - 0.714136 * cr), 0, 255));
		blue  = uint8_t(Clamp<double>((y + 1.772 * cb), 0, 255));
	}

	inline uint8_t AppendColorVal(uint8_t color, double diff)
	{
		//return uint8_t(Clamp<double>(color * (1 + diff / 255), 0, 255));
		return uint8_t(Clamp<double>(color + diff, 0, 255));
	}

	void DoMyContrastProc(IplImage* dstImg, const IplImage* srcImg, double brightScale)
	{
		assert(
			(dstImg->width == srcImg->width) &&
			(dstImg->height == srcImg->height) &&
			(dstImg->widthStep == srcImg->widthStep)
			);
		const uint8_t* srcDib = SafePointerCast<const uint8_t>(srcImg->imageData);
		uint8_t* dstDib = SafePointerCast<uint8_t>(dstImg->imageData);
		if (srcImg->depth == 8)
		{
			if (srcImg->nChannels == 1)
			{
				printf("Grayscale format. BrightScale = %+5.1f\n", brightScale);
				for (int y = 0; y < srcImg->height; ++y)
				{
					for (int x = 0; x < srcImg->width; ++x)
					{
						const int index = srcImg->widthStep * y + x;
						dstDib[index] = ClampMyContrastFunc(srcDib[index], brightScale);
					}
				}
				return;
			}
			else if (srcImg->nChannels == 3)
			{
				printf("Color BGR format. BrightScale = %+5.1f\n", brightScale);
				for (int y = 0; y < srcImg->height; ++y)
				{
					for (int x = 0; x < srcImg->width; ++x)
					{
						// HLSL, GLSL, OpenCL, CUDA などを使って GPU アクセラレートする場合、
						// この処理をピクセル シェーダーやカーネル関数で実行する。
						// OpenCV にも OpenCL アクセラレートできる ocl モジュールや、
						// CUDA でアクセラレートできる gpu モジュールが用意されているが、
						// 基本的に定義済みフィルターを組み合わせて実行するタイプなので、
						// カーネル関数を直接制御することはできない？
						const int index = srcImg->widthStep * y + x * 3;
						const uint8_t b1 = srcDib[index + 0];
						const uint8_t g1 = srcDib[index + 1];
						const uint8_t r1 = srcDib[index + 2];
#if 1
						double srcGray = 0, srcCb = 0, srcCr = 0;
						uint8_t r2 = 0, g2 = 0, b2 = 0;
						RgbToYCbCr(r1, g1, b1, srcGray, srcCb, srcCr);
						const double newGray = MyContrastFunc(srcGray, brightScale);
						YCbCrToRgb(newGray, srcCb, srcCr, r2, g2, b2);
#else
						const uint8_t srcGray = ToNtscGrayscale(r1, g1, b1);
						const double newGray = MyContrastFunc(srcGray, brightScale);
						const double diff = (newGray - srcGray);
						const uint8_t b2 = AppendColorVal(b1, diff);
						const uint8_t g2 = AppendColorVal(g1, diff);
						const uint8_t r2 = AppendColorVal(r1, diff);
#endif

#if 1
						dstDib[index + 0] = b2;
						dstDib[index + 1] = g2;
						dstDib[index + 2] = r2;
#else
						// 原画像がグレースケールの場合との比較確認用。
						const uint8_t gray2 = ToNtscGrayscale(r2, g2, b2);
						dstDib[index + 0] = gray2;
						dstDib[index + 1] = gray2;
						dstDib[index + 2] = gray2;
#endif
					}
				}
				return;
			}
		}
		puts("Not supported format.");
	}
}

int main(int argc, char* argv[])
{
	// ファイル パスに日本語が含まれる場合、UTF-8 形式に変換する必要があるはず。
	// テスト画像入手元：
	// http://www.ess.ic.kanagawa-it.ac.jp/app_images_j.html
#if 1
	const char* imgfilePath = "Lenna.bmp";
#else
	const char* imgfilePath = "Lenna_gray.bmp";
#endif

	// 画像の読み込み。
	IplImage* srcImg = cvLoadImage(imgfilePath, CV_LOAD_IMAGE_ANYCOLOR | CV_LOAD_IMAGE_ANYDEPTH);
	if (!srcImg)
	{
		printf("Failed to load the image file: <%s>\n", imgfilePath);
		_getch();
		return -1;
	}
	IplImage* dstImg = cvCloneImage(srcImg);
	assert(dstImg != NULL);

	const char* windowName = "OpenCV Test";

	cvNamedWindow(windowName, CV_WINDOW_AUTOSIZE);

	cvShowImage(windowName, dstImg);

	const int EscKey = 27;
	int key = 0;
	double brightScale = 0;
	do
	{
		// キー入力待ち
		key = cvWaitKey(0);
		switch (key)
		{
		case 'b':
			brightScale -= 0.5;
			DoMyContrastProc(dstImg, srcImg, brightScale);
			cvShowImage(windowName, dstImg);
			break;
		case 'd':
			brightScale += 0.5;
			DoMyContrastProc(dstImg, srcImg, brightScale);
			cvShowImage(windowName, dstImg);
			break;
		default:
			break;
		}
	} while (key != EscKey);

	cvDestroyWindow(windowName);

	// 生成した画像データを解放する。
	cvReleaseImage(&srcImg);
	cvReleaseImage(&dstImg);

	return 0;
}