用OpenCV实现Photoshop曲线功能的'在图像中取样设置黑场'

某位朋友在实验中遇到一个任务，具体来说，就是给定一张含有细胞组织采样的显微图片，手动用photoshop去除这张图片的灰色背景，从而获得背景比较干净的图片方便细胞计数 。原始实验图片如下：



这张图片中图片有明显的灰蒙蒙的背景噪声，我们的目的就是想把背景的灰色信息扔掉。

方法一，分别对RGB各个图层的每个像素进行操作，统一的减少背景色像素点的值，让背景色接近0.
这种方式有2个问题：所有的像素值都减少的话，图像的对比度会降低（因为获得的图片像素值范围小于0到255）；另一方面图片的整体亮度会降低；
方法三中我们会改进它，让像素值空间重新映射到0到255.

方法二，对每个图层进行阈值化。
经过这种方式处理后，非噪声点的像素值没有变化，但是因为像素值的断点导致图片颜色不再平滑，会出现非常多的噪点，结果十分不理想。
如下图，方法二抛弃。



方法三，使用Photoshop曲线功能的'在图像中取样设置黑场'。
这个功能的文字描述看起来让人摸不着头脑。实际上操作可以看成方法一减背景法的改良版。通过曲线窗口的结果我们可以看出，这个功能就是帮我们将减去背景色的像素进行了一个重新映射。
具体来说就是，点击一个像素点后，记录这个像素点的RGB值，对全图进行处理。三通道分别操作，每个低于这个点相应值的，就设成0；其他的点等比例拉伸成0~255范围。
从数学上来看，默认的曲线是 y = x, 所以曲线是一条对角线；进行了这个操作之后，我们变化了这条曲线的斜率，但依然让值域扩展到0到255。注意，进行曲线调整后，大部分像素值还是会降低，所以获得的结果依然比输入的图片要暗一些。



有了上述分析，编写代码的方法就很清晰了，代码附录。为了方便朋友使用，加入了一些用户交互操作的代码。
这些功能包括，

循环读取当前目录中的.tif图片
显示当前图片，支持手动选择背景像素点
在另一个窗口加入3个跟踪控制条，用来手动调节各通道背景像素的值
7个操作按键，分别是：

q: 退出程序
r: 重置当前图片，包括控制条的位置和背景像素值
1, 2, 3, 4: 显示RGB图像，或者是单独显示单图层图像。注意，显示单图层图像时，图像是黑白的。

空格: 保存当前结果到result目录，并跳转到下一张图片。

Jan 10, 2013
Peng

#include <stdio.h>
#include <iostream>
#include <windows.h>
#include <tchar.h>
#include <stdio.h>

#include "opencv2/imgproc/imgproc.hpp"
#include "opencv2/highgui/highgui.hpp"

using namespace cv;
using namespace std;

const string winName = "Image", winCtrl = "control panel", rBar = "R", gBar = "G", bBar = "B";

Mat oimg, img, smat, lut;
const int default_bpos = 100;
int sR = default_bpos, sG = default_bpos, sB = default_bpos;
int thresR = 0, thresG = 0, thresB = 0;
float scale = 0.5f;

// reset trackbar positions and background pixel thresholds
void reset()
{
thresR = 0;
thresG = 0;
thresB = 0;
setTrackbarPos(rBar, winCtrl, default_bpos);
setTrackbarPos(gBar, winCtrl, default_bpos);
setTrackbarPos(bBar, winCtrl, default_bpos);
}

// construct lookup table for input r, g, b value
void makeLUT(Mat& lut, int r, int g, int b)
{
printf("r: %d g: %d b: %d\n", r, g, b);
lut.create(1, 256, CV_8UC3);
for(int i = 0; i < 256; i ++)
{
Vec3b& bgr = lut.at<Vec3b>(i);
if(i < b)
{
bgr[0] = 0;
}
else
{
bgr[0] = saturate_cast<uchar>((i - b) * 255 / (255 - b));
}
if(i < g)
{
bgr[1] = 0;
}
else
{
bgr[1] = saturate_cast<uchar>((i - g) * 255 / (255 - g));
}
if(i < r)
{
bgr[2] = 0;
}
else
{
bgr[2] = saturate_cast<uchar>((i - r) * 255 / (255 - r));
}
}
}
static void renew_window(int value = 0, void * ptr = 0);

// handle trackbar position change
static void renew_window(int, void *)
{
makeLUT(lut, thresR - sR + default_bpos, thresG - sG + default_bpos, thresB - sB + default_bpos);
LUT(oimg, lut, img);
resize(img, smat, Size(), scale, scale);
imshow(winName, smat);
}

static void onMouse( int event, int x, int y, int, void* )
{
if( event != CV_EVENT_LBUTTONDOWN )
return;
// input image is scaled down for ease of usage, but we need to scale up to get the actual point position
float fx = 1.0f / scale * x;
float fy = 1.0f / scale * y;
Point point = Point((int)fx,(int)fy);
Vec3b bgr = oimg.at<Vec3b>(point);
thresR = bgr[2];
thresG = bgr[1];
thresB = bgr[0];
renew_window();
}

// use mixChannels to extract the interest image plane
void show_plane(int key)
{
int ch[] = {0, 0};
Mat plane(smat.size(), CV_8U);
string txt;
switch(key)
{
case '1':
smat.copyTo(plane);
txt = "RGB image";
break;
case '2': //r
ch[0] = 2;
mixChannels(&smat, 1, &plane, 1, ch, 1);
txt = "R plane";
break;
case '3': //g
ch[0] = 1;
mixChannels(&smat, 1, &plane, 1, ch, 1);
txt = "G plane";
break;
case '4': //b
ch[0] = 0;
mixChannels(&smat, 1, &plane, 1, ch, 1);
txt = "B plane";
break;
}
putText(plane, txt, Point(50, 50), FONT_HERSHEY_COMPLEX, 0.5, Scalar::all(255), 1, CV_AA);
imshow(winName, plane);
}

void help()
{
printf ("==================================================\n");
printf ("[Background remover]\n");
printf ("All input images are scaled down to %2.1f%%\n", scale * 100);
printf ("Hint:\n");
printf ("  q: quit\n");
printf ("  r: reset current image\n");
printf ("  1: show orignal image\n");
printf ("  2: show 'R' plane\n");
printf ("  3: show 'G' plane\n");
printf ("  4: show 'B' plane\n");
printf ("  spacebar: save current and proceed to the next image\n");
printf ("==================================================\n\n");
}

void main(int , char **)
{
help();
WIN32_FIND_DATA FindFileData;
HANDLE hFind;

hFind = FindFirstFile("./*.tif", &FindFileData);
if (hFind == INVALID_HANDLE_VALUE)
{
printf ("No tif file found!\n");
return;
}

namedWindow( winCtrl, CV_WINDOW_NORMAL );
namedWindow( winName, CV_GUI_NORMAL | CV_WINDOW_AUTOSIZE );
CreateDirectory("./result", NULL);

setMouseCallback( winName, onMouse, 0 );
Mat dummy_img(1, 300, CV_8U, Scalar::all(255));

createTrackbar( rBar, winCtrl, &sR, 200, renew_window);
createTrackbar( gBar, winCtrl, &sG, 200, renew_window);
createTrackbar( bBar, winCtrl, &sB, 200, renew_window);
imshow(winCtrl, dummy_img);

moveWindow(winName, 0, 0);
moveWindow(winCtrl, 0, 0);
int key = 0;
int i = 0;
do
{
_tprintf (TEXT("Attemp %d: %s\n"),
i + 1, FindFileData.cFileName);
oimg = imread(FindFileData.cFileName);
if( oimg.empty() )
{
cout << "Failed to load " << FindFileData.cFileName << endl;
continue;
}
_reset:
reset();
oimg.copyTo(img); // we need this if the user press spacebar straightaway
renew_window();
key = 0;
_wait:
switch(key)
{
case ' ':
break;
case 'r':
goto _reset;
case 'q':
goto _close;
case '1':
case '2':
case '3':
case '4':
show_plane(key);
default:
key = waitKey();
goto _wait;
}
string save_name = string("./result/") + string(FindFileData.cFileName) + ".jpg";
imwrite(save_name, img);
i ++;
} while( FindNextFile(hFind, &FindFileData) );
_close:
FindClose(hFind);
}