WPF、ディザパターンを使った白黒2値化

ディザ、ディザリング

輝度が0から255までのグラデーションのグレースケールを

白黒2値化すると中間で白と黒に分かれるので

元の画像とはかなり違うものになる

ディザリングを使うと

同じ白黒2値でも元の画像に近くなる

なにより見た目がかっこいい！！

灰色を白黒2値で表現するには白と黒の割合が同じになるように並べると

それっぽく見える

ここからエクセル方眼紙

ディザパターン

f:id:gogowaten:20191211221940p:plain

輝度によって白と黒の割合を変える、なるべく偏らないように並べる

横12ピクセル、縦2ピクセルの画像、数値は輝度

これをパターンに当てはめて2値化すると

こうなる

2x2マスのディザパターンを使うから

画像も2x2の4マスに分けて考える

輝度93は51～102の間なのでディザパターンbになる

上の93はマスの左上、パターンbの左上は白なので白判定

下の93はマスの左下、パターンbの左下は黒なので黒判定

輝度116はパターンc、当てはめると

上の116は黒、下の116は白

結果、このマスは

こうなればいい

2x2に当てはまらない画像のとき

5ｘ5とか奇数のピクセルの時

左上から右へ2x2で考える

右下の輝度値195なら

195はパターンdでdの左上は白なので白判定になる

だいたいこんな感じ

正規化

f:id:gogowaten:20191211222026p:plain

輝度値は0～255で指定するけどしきい値にするには計算しにくいので0～1に変換して計算する

しきい値を4つ指定すると全体を5分割できることになるから

5段階の表現ができる

ここまでエクセル方眼紙

5段階の表現

f:id:gogowaten:20191211222038p:plain

using System;
using System.Windows;
using System.Windows.Controls;
using System.Windows.Media;
using System.Windows.Media.Imaging;
using System.IO;


namespace _20180123_パターンディザ2x2白黒2値
{
    /// <summary>
    /// MainWindow.xaml の相互作用ロジック
    /// </summary>
    public partial class MainWindow : Window
    {
        BitmapSource OriginBitmap;

        public MainWindow()
        {
            InitializeComponent();
            this.Title = this.ToString();
            this.AllowDrop = true;
            this.Drop += MainWindow_Drop;

            ButtonOrigin.Click += ButtonOrigin_Click;
            ButtonTest1.Click += ButtonTest1_Click;
            ButtonTest2.Click += ButtonTest2_Click;
            ButtonTest3.Click += ButtonTest3_Click;
            ButtonNotDithering.Click += ButtonNotDithering_Click;
            NumericScrollBar.ValueChanged += NumericScrollBar_ValueChanged;
            NumericTextBox.TextChanged += NumericTextBox_TextChanged;
        }

        //ディザなしボタンクリック時
        private void ButtonNotDithering_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
        {
            if (OriginBitmap == null) { return; }
            MatrixThreshold();
        }





        //     正規表現の基本 - .NET Tips(VB.NET, C#...)
        //https://dobon.net/vb/dotnet/string/regex.html

        private void NumericTextBox_TextChanged(object sender, TextChangedEventArgs e)
        {
            TextBox textBox = (TextBox)sender;
            double d;
            if (!double.TryParse(textBox.Text, out d))
            {
                textBox.Text = System.Text.RegularExpressions.Regex.Replace(textBox.Text, "[^0-9]", "");
            }
        }

        private void NumericScrollBar_ValueChanged(object sender, RoutedPropertyChangedEventArgs<double> e)
        {
            if (OriginBitmap == null) { return; }
            MatrixThreshold();
        }

        private void ButtonTest3_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
        {
            if (OriginBitmap == null) { return; }
            Matrix3_Bayer2x2();
        }

        private void ButtonTest2_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
        {
            if (OriginBitmap == null) { return; }
            Matrix2_Bayer4x4();
        }

        private void ButtonTest1_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
        {
            if (OriginBitmap == null) { return; }
            Matrix1_Bayer2x2();
        }

        private void ButtonOrigin_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
        {
            if (OriginBitmap == null) { return; }
            MyImage.Source = OriginBitmap;
        }

        //画像ファイルドロップ時
        //グレースケールに変換してBitmapSource取得
        private void MainWindow_Drop(object sender, DragEventArgs e)
        {
            if (e.Data.GetDataPresent(DataFormats.FileDrop) == false) { return; }
            string[] filePath = (string[])e.Data.GetData(DataFormats.FileDrop);
            //OriginBitmap = GetBitmapSourceWithChangePixelFormat2(filePath[0], PixelFormats.Pbgra32, 96, 96);
            //OriginBitmap = GetBitmapSourceWithChangePixelFormat2(filePath[0], PixelFormats.Bgr24, 96, 96);
            OriginBitmap = GetBitmapSourceWithChangePixelFormat2(filePath[0], PixelFormats.Gray8, 96, 96);
            //OriginBitmap = GetBitmapSourceWithChangePixelFormat2(filePath[0], PixelFormats.Rgb24, 96, 96);

            if (OriginBitmap == null)
            {
                MessageBox.Show("not Image");
            }
            else
            {
                MyImage.Source = OriginBitmap;
            }
        }

        //ディザなし、しきい値指定で白黒2値化
        private void MatrixThreshold()
        {
            double[][] thresholdMap = new double[][]
            {
                new double[] { NumericScrollBar.Value / 255 }
            };
            DitheringGrayScale(thresholdMap);
        }


        //2x2ディザ
        private void Matrix1_Bayer2x2()
        {
            double[][] thresholdMap = new double[][]
            {
                new double[] { 1f / 5f, 3f / 5f },
                new double[] { 4f / 5f, 2f / 5f }
            };
            DitheringGrayScale(thresholdMap);
        }

        //4x4ディザ
        private void Matrix2_Bayer4x4()
        {
            double[][] thresholdMap = new double[][]
            {
                new double[] { 1f / 17f, 13f / 17f, 4f / 17f, 16f / 17f },
                new double[] { 9f / 17f, 5f / 17f, 12f / 17f, 8f / 17f },
                new double[] { 3f / 17f, 15f / 17f, 2f / 17f, 14f / 17f },
                new double[] { 11f / 17f, 7f / 17f, 10f / 17f, 6f / 17f }
            };
            DitheringGrayScale(thresholdMap);
        }

        //2x2ディザの変則
        private void Matrix3_Bayer2x2()
        {
            double[][] thresholdMap = new double[][]
            {
                new double[] { 1f / 5f, 3f / 5f },
                new double[] { 2f / 5f, 4f / 5f }
            };
            DitheringGrayScale(thresholdMap);
        }







        //ディザパターン(行列)を使って白黒2値化
        //8bppGrayScaleの画像に対応
        private void DitheringGrayScale(double[][] thresholdMap)
        {
            var wb = new WriteableBitmap(OriginBitmap);
            int h = wb.PixelHeight;
            int w = wb.PixelWidth;
            //strideは1ピクセル行のbyte数
            //8bppのGrayScale画像は1ピクセル1byteだからstride = 1行のピクセル数になる
            int stride = w;// wb.BackBufferStride;
            byte[] pixels = new byte[h * stride];
            wb.CopyPixels(pixels, stride, 0);
            long p = 0;
            int xx = thresholdMap[0].Length;//しきい値行列の横の要素数
            int yy = thresholdMap.Length;   //しきい値行列の縦の要素数
            for (int y = 0; y < h; ++y)
            {
                for (int x = 0; x < w; ++x)
                {
                    p = y * stride + x;
                    if (thresholdMap[y % yy][x % xx] <= (double)pixels[p] / 255)//255
                    { pixels[p] = 255; }
                    else { pixels[p] = 0; }
                }
            }
            wb.WritePixels(new Int32Rect(0, 0, w, h), pixels, stride, 0);
            MyImage.Source = wb;
        }



        /// <summary>
        ///  ファイルパスとPixelFormatを指定してBitmapSourceを取得、dpiの変更は任意
        /// </summary>
        /// <param name="filePath">画像ファイルのフルパス</param>
        /// <param name="pixelFormat">PixelFormatsの中からどれかを指定</param>
        /// <param name="dpiX">無指定なら画像ファイルで指定されているdpiになる</param>
        /// <param name="dpiY">無指定なら画像ファイルで指定されているdpiになる</param>
        /// <returns></returns>
        private BitmapSource GetBitmapSourceWithChangePixelFormat2(
            string filePath, PixelFormat pixelFormat, double dpiX = 0, double dpiY = 0)
        {
            BitmapSource source = null;
            try
            {
                using (FileStream fs = new FileStream(filePath, FileMode.Open, FileAccess.Read))
                {
                    var bf = BitmapFrame.Create(fs);
                    var convertedBitmap = new FormatConvertedBitmap(bf, pixelFormat, null, 0);
                    int w = convertedBitmap.PixelWidth;
                    int h = convertedBitmap.PixelHeight;
                    int stride = (w * pixelFormat.BitsPerPixel + 7) / 8;
                    byte[] pixels = new byte[h * stride];
                    convertedBitmap.CopyPixels(pixels, stride, 0);
                    //dpi指定がなければ元の画像と同じdpiにする
                    if (dpiX == 0) { dpiX = bf.DpiX; }
                    if (dpiY == 0) { dpiY = bf.DpiY; }
                    //dpiを指定してBitmapSource作成
                    source = BitmapSource.Create(
                        w, h, dpiX, dpiY,
                        convertedBitmap.Format,
                        convertedBitmap.Palette, pixels, stride);
                };
            }
            catch (Exception)
            {

            }

            return source;
        }
    }
}