色阶调整( Levles Adjustment )
（一）色阶调整原理
色阶是什么：色阶就是用直方图描述出的整张图片的明暗信息。如图
从左至右是从暗到亮的像素分布，黑色三角代表最暗地方（纯黑），白色三角代表最亮地方（纯白）。灰色三角代表中间调。
每一个色阶定义有两组值：
一组是输入色阶值，包含黑灰白三个值， 上图中： 黑点值为０， 灰点为１.００，白点为２５５
另一组是输入色阶值，包含黑白两个值，上图中：输出色阶黑为０，白为２５５
对于一个RGB图像, 可以对R, G, B 通道进行独立的色阶调整，即，对三个通道分别使用三个色阶定义值。还可以再对 三个通道进行整体色阶调整。 因此，对一个图像，可以用四次色阶调整。最终的结果，是四次调整后合并产生的结果。
我们先来分析对单通道的色阶原理，比如：对红色通道定义色阶调整如下：
则此时： 输入色阶值为： 黑13, 灰1.29, 白240， 输出色阶值为：黑１１，白２４２
则色阶调整的实现是： 当输入值<黑点值(13)时，全部变为输出色阶的黑值。 当输入值>白点(240)时，全部变为输出色阶的白值
当输入值介于黑值与白值之间(13-240)时，则结合灰度系数，按比例重新计算，变为一个新的值。
对红、绿、蓝三个独立通道调整方式都与上述算法相同。各通道调整是互不相关的。
对RGB通道进行整体调整时，则对RGB三个值进行同时变换。
（二）色阶调整的OpenCV实现
我用opencv写了两个 C++ 类： Levels类实现了多通道的色阶的定义、实施调整。 Level类是一个通道的色阶定义类。
源码共两个文件： Levels.hpp, Levels.cpp
源码有一定的长度，不具体解释了，请见注释。
补充说明几点：
1， Levels类中定义了四个Level对象(即四个通道)，分别是RedChannel, GreenChannel, BlueChannel 和 RGBChannel.
2，每个Level对象有五个属性值：
1 int Shadow; //输入色阶黑点值
2 float Midtones; //输入色阶灰点值（注意是浮点数）
3 int Highlight; //输入色阶白点值
4 int OutputShadow; //输出色阶黑点值
5 int OutputHighlight; //输出色阶白点值
3, 使用方法：创建一个Levels对象，然后对其所属的Level对象的属性值进行赋值，然后调整 Levels类的adjust()方法，即可实现色阶调整。
（三）例程
写一个例程，使用Levels类，实现色阶调整。
程序中定义了两个窗口，一个是图片窗口，一个是色阶定义窗口。
1 #include <cstdio>
2 #include <iostream>
3 #include "opencv2/core.hpp"
4 #include "opencv2/imgproc.hpp"
5 #include "opencv2/highgui.hpp"
6
7 #include "Levels.hpp"
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9 using namespace std; 10 using namespace cv; 11
12 static string window_name = "Photo"; 13 static Mat src; 14
15 static Mat levels_mat; 16 static string levels_window = "Adjust Levels"; 17 static int channel = 0; 18 Levels levels; 19
20 int Shadow; 21 int Midtones = 100; 22 int Highlight; 23 int OutputShadow; 24 int OutputHighlight; 25
26 static void invalidate() 27 { 28 Mat dst; 29 levels.adjust(src, dst); 30 imshow(window_name, dst); 31
32 imshow(levels_window, levels_mat); 33 } 34
35 static void channelRead(int which_channel) 36 { 37 channel = which_channel; 38 Level * CurrentChannel = NULL; 39 switch (channel) { 40 case 0: CurrentChannel = &levels.RGBChannel; break; 41 case 1: CurrentChannel = &levels.RedChannel; break; 42 case 2: CurrentChannel = &levels.GreenChannel; break; 43 case 3: CurrentChannel = &levels.BlueChannel; break; 44 } 45 if ( CurrentChannel == NULL ) return; 46
47 Shadow = CurrentChannel->Shadow; 48 Midtones = int (CurrentChannel->Midtones * 100); 49 Highlight = CurrentChannel->Highlight; 50 OutputShadow = CurrentChannel->OutputShadow; 51 OutputHighlight = CurrentChannel->OutputHighlight; 52
53 } 54
55 static void channelWrite() 56 { 57 Level * CurrentChannel = NULL; 58 switch (channel) { 59 case 0: CurrentChannel = &levels.RGBChannel; break; 60 case 1: CurrentChannel = &levels.RedChannel; break; 61 case 2: CurrentChannel = &levels.GreenChannel; break; 62 case 3: CurrentChannel = &levels.BlueChannel; break; 63 } 64
65 if ( CurrentChannel == NULL ) 66 return ; 67
68 CurrentChannel->Shadow = Shadow; 69 CurrentChannel->Midtones = Midtones / 100.0; 70 CurrentChannel->Highlight = Highlight; 71 CurrentChannel->OutputShadow = OutputShadow; 72 CurrentChannel->OutputHighlight = OutputHighlight; 73
74 invalidate(); 75 } 76
77
78 static void callbackAdjust(int , void *) 79 { 80 channelWrite(); 81 invalidate(); 82 } 83
84
85 static void callbackAdjustChannel(int , void *) 86 { 87 channelRead(channel); 88 setTrackbarPos("Shadow", levels_window, Shadow); 89 setTrackbarPos("Midtones", levels_window, Midtones); 90 setTrackbarPos("Highlight", levels_window, Highlight); 91 setTrackbarPos("OutShadow", levels_window, OutputShadow); 92 setTrackbarPos("OutHighlight", levels_window, OutputHighlight); 93 invalidate(); 94 } 95
96
97 int main() 98 { 99 //read image file
100 src = imread("building.jpg"); 101 if ( !src.data ) { 102 cout << "error read image" << endl; 103 return -1; 104 } 105
106 //create window
107 namedWindow(window_name); 108 imshow(window_name, src); 109
110
111 //create window for levels
112 namedWindow(levels_window); 113 levels_mat = Mat::ones(100,400, CV_8UC3); 114 levels_mat.setTo( Scalar(255,255,255) ); 115 imshow(levels_window, levels_mat); 116
117 channelRead(0); 118 createTrackbar("Channel", levels_window, &channel, 3, callbackAdjustChannel); 119 createTrackbar("Shadow", levels_window, &Shadow, 255, callbackAdjust); 120 createTrackbar("Midtones", levels_window, &Midtones, 200, callbackAdjust); 121 createTrackbar("Highlight", levels_window, &Highlight, 255, callbackAdjust); 122 createTrackbar("OutShadow", levels_window, &OutputShadow, 255, callbackAdjust); 123 createTrackbar("OutHighlight", levels_window, &OutputHighlight, 255, callbackAdjust); 124
125 waitKey(); 126
127 return 0; 128
129 }
运行效果：
原图：
先对红色通道(Channel = 1)调整各项色阶定义值，进行单通道色阶调整，效果如下：
再对RGB通道(Channel = 0)进行整体色阶调整，效果如下：
