Играем с изображением в PHP

В данном материале мы рассмотрим некоторые примеры манипуляции с изображением при помощи библиотеки GD, а именно – операции с пикселями. Манипуляции с пикселом означают, что действие будет относиться только к нему не затрагивая все окружающие пиксели.

Например, мы можем сделать негатив изображения. Для этого берем каждый пиксель в изображении и заменяем его противоположным цветом.

Хорошо, но как это работает? Очень просто. Я беру картинку PNG, прохожу по каждому пикселю этого изображения и передаю его функции, которая принимает пиксель в качестве параметра. Функция возвращает мне новый пиксель. Я складываю все новые пиксели и получаю новое изображение.

Класс для работы с пикселом

Для начала нам понадобится класс для работы с пикселом. Он очень прост – содержит в себе три значения: красного, зеленого и синего.

 <?php
class Pixel {
    function Pixel($r, $g, $b)
    {
        $this->r = ($r > 255) ? 255 : (($r < 0) ? 0 : (int)($r));
        $this->g = ($g > 255) ? 255 : (($g < 0) ? 0 : (int)($g));
        $this->b = ($b > 255) ? 255 : (($b < 0) ? 0 : (int)($b));
    }
}
?> 

Этот класс имеет только одну функцию – конструктор, которая сохраняет RGB значения пикселя.

Чтобы создать красный пиксел, вы просто делаете:

<?php
$red = new Pixel(255, 0, 0);
?> 

Класс манипуляций с пикселами: главный метод

Далее мы создаем класс, который проделывает фактические действия с изображением. Назовем его Image_PixelOperations(). Я не стал писать удобного интерфейса для обработки различных форматов картинок, я думаю, что вы можете развить его самостоятельно. Все, что мне было нужно – это более простой метод для открытия PNG файлов, который бы проходил по каждому пикселу файла, вызывает функцию, получает новый пиксел и присваивает его новому изображению. Далее приведу текст метода:

 <?php
class Image_PixelOperations {
    function pixelOperation(
            $input_image,
            $output_image,
            $operation_callback,
            $factor = false
            )
    {
        $image = imagecreatefrompng($input_image);
        $x_dimension = imagesx($image);
        $y_dimension = imagesy($image);
        $new_image = imagecreatetruecolor($x_dimension, $y_dimension);
        if ($operation_callback == 'contrast') {
            $average_luminance = $this->getAverageLuminance($image);
        } else {
            $average_luminance = false;
        }
        for ($x = 0; $x < $x_dimension; $x++) {
            for ($y = 0; $y < $y_dimension; $y++) {
                $rgb = imagecolorat($image, $x, $y);
                $r = ($rgb >> 16) & 0xFF;
                $g = ($rgb >> 8) & 0xFF;
                $b = $rgb & 0xFF;
                $pixel = new Pixel($r, $g, $b);
                $pixel = call_user_func(
                    $operation_callback,
                    $pixel,
                    $factor,
                    $average_luminance
                );
                $color = imagecolorallocate(
                    $image,
                    $pixel->r,
                    $pixel->g,
                    $pixel->b
                );
                imagesetpixel($new_image, $x, $y, $color);
            }
        }
        imagepng($new_image, $output_image);
    }
}
?> 

Метод принимает путь до файла. Никаких проверок не производит, предполагая, что это правильный PNGфайл. Второй параметр – это имя нового файла изображения. Третий – функция, которая будет вызываться для каждого пикселя. И последний параметр – это любой дополнительный параметр, который мы хотели бы передать в вызываемую для пиксела функцию.

Добавляем шумов

И так, пришло время, чтобы написать первую функцию обработки пиксела: addNoise(). Добавление шума к изображению означает добавление случайного значения к каждому каналу пикселя (если у вас возник вопрос, что такое канал, то я отвечу – уровень красного цвета в пикселе = канал, тоже самое с зеленым и синим). Далее привожу функцию:

<?php
    function addNoise($pixel, $factor)
    {
        $random = mt_rand(-$factor, $factor);
        return new Pixel(
                    $pixel->r + $random,
                    $pixel->g + $random,
                    $pixel->b + $random
                );
    }
?>

Что представляет из себя функция? Она получает случайное число в указанном пользователем диапазоне ($factor). И добавляет его к значению каналов пиксела. Пользователь указывает диапазон уровня шума: 0 – нет шума, 255 – очень много шума.

Давайте проверять! Создаем простую HTML форму:

<form method="get">
    <input name="image" />
    <input type="submit" />
</form> 

Она принимает параметр – названия файла с изображением. После получения этого параметра я создаю новый объект класса для работы с пикселами:

<?php
if (!empty($_GET['image'])) {
    $po =& new Image_PixelOperations();
}
?> 

Далее я показываю оригинальное изображение, а затем результат обработки.

<?php
    echo 'Оригинал: <br /><img src="'. $_GET['image'] .'" />';
    echo '<hr />';
    // Шумы
    $noise = 100;
    $po->pixelOperation($_GET['image'], 'result_noise.png',
                        array($po, 'addNoise'), $noise);
    echo '<br />Добаляем шумы (factor '. $noise .'):
          <br /><img src="result_noise.png" />';
    echo '<hr />';
?> 

Результат:

Вот еще примеры. Первое изображение получено при помощи фактора 20, а второе – 500:

 

Управление яркостью

Давайте теперь попробуем поиграть с яркостью изображения. Нижеприведенная функция добавляет целое число (одно и тоже) к каждому каналу пиксела. Если мы вызываем функцию с положительным значением – яркость увеличивается, если с отрицательным – уменьшается.

<?php
function adjustBrightness($pixel, $factor)
{
    return new Pixel(
    $pixel->r + $factor,
    $pixel->g + $factor,
    $pixel->b + $factor
    );
}
?> 

Чтобы протестировать эту функцию выполните следующий код:

<?php
$brightness = 50;
$po->pixelOperation($_GET['image'], 'result_bright.png',
                    array($po, 'adjustBrightness'), $brightness);
echo '<br />Ярче: <br /><img src="result_bright.png" />';
$brightness = -50;
$po->pixelOperation($_GET['image'], 'result_dark.png',
                    array($po, 'adjustBrightness'), $brightness);
echo '<br />Темнее: <br /><img src="result_dark.png" />';
echo '<hr />';
?> 

Смотрим на результат:

 

Меняем местами цвета

Давайте теперь займемся сменой цветов. Это означает, что мы можем взять, скажем, количество красных цветов и заменить их, например, на количество синих цветов. Возможные варианты:

• RGB to RBG
• RGB to BGR
• RGB to BRG
• RGB to GBR
• RGB to GRB

Давайте посмотрим, как выглядит функция:

<?php
function swapColors($pixel, $factor)
{
    switch ($factor) {
        case 'rbg':
        return new Pixel(
        $pixel->r,
        $pixel->b,
        $pixel->g
        );
        break;
        case 'bgr':
        return new Pixel(
        $pixel->b,
        $pixel->g,
        $pixel->r
        );
        break;
        case 'brg':
        return new Pixel(
        $pixel->b,
        $pixel->r,
        $pixel->g
        );
        break;
        case 'gbr':
        return new Pixel(
        $pixel->g,
        $pixel->b,
        $pixel->r
        );
        break;
        case 'grb':
        return new Pixel(
        $pixel->g,
        $pixel->r,
        $pixel->b
        );
        break;
        default:
        return $pixel;
    }
}
?> 

Тестируем:

RGB -> RBG	RGB -> BGR	RGB -> BRG
RGB -> GBR	RGB -> GRB

Удаление или насыщение цветов

Далее рассматриваем еще 2 функции. Первая – устанавливает значение цвета в 0 (например, нет красного). Вторая – наоборот увеличивает колличество цвета до максимального значения, или сразу 2канала. Таким образом, мы имеем 6 вариантов значений для каждого метода.

• Удаление (или насыщение) красный
• Удаление (или насыщение) зеленый
• Удаление (или насыщение) синий
• Удаление (или насыщение) красный и зеленый в то же самое время
• Удаление (или насыщение) красный и синий
• Удаление (или насыщение) зеленый и синий

Код:

 <?php
function removeColor($pixel, $factor)
{
    if ($factor == 'r' ) {
        $pixel->r = 0;
    }
    if ($factor == 'g' ) {
        $pixel->g = 0;
    }
    if ($factor == 'b' ) {
        $pixel->b = 0;
    }
    if ($factor == 'rb' || $factor == 'br') {
        $pixel->r = 0;
        $pixel->b = 0;
    }
    if ($factor == 'rg' || $factor == 'gr') {
        $pixel->r = 0;
        $pixel->g = 0;
    }
    if ($factor == 'bg' || $factor == 'gb') {
        $pixel->b = 0;
        $pixel->g = 0;
    }
    return $pixel;
}
function maxColor($pixel, $factor)
{
    if ($factor == 'r' ) {
        $pixel->r = 255;
    }
    if ($factor == 'g' ) {
        $pixel->g = 255;
    }
    if ($factor == 'b' ) {
        $pixel->b = 255;
    }
    if ($factor == 'rb' || $factor == 'br') {
        $pixel->r = 255;
        $pixel->b = 255;
    }
    if ($factor == 'rg' || $factor == 'gr') {
        $pixel->r = 255;
        $pixel->g = 255;
    }
    if ($factor == 'bg' || $factor == 'gb') {
        $pixel->b = 255;
        $pixel->g = 255;
    }
    return $pixel;
}
?> 

Результаты:

Удаляем красный	Удаляем зеленый	Удаляем синий
Удаляем красный и зеленый	Удаляем зеленый и синий	Удаляем красный и синий
Насыщаем красный	Насыщаем зеленый	Насыщаем синий
Насыщаем красный и зеленый	Насыщаем зеленый и синий	Насыщаем красный и синий

Делаем негатив

Эта функция очень проста – у вас много красного? Значит сделаем мало. И так далее.

<?php
function negative($pixel)
{
    return new Pixel(
    255 - $pixel->g,
    255 - $pixel->r,
    255 - $pixel->b
    );
}
?> 

Результат:

Оттенки серого (Grayscale)

Не знаю, в курсе вы или нет, но оттенок серого получается уравниванием R, G, B каналов. Более темные участки имеют больше насыщения, светлые – меньше.

Чтобы привести изображение к оттенкам серого мы должны взять среднее число насыщения каналов и установить их на среднее число.

<?php
function greyscale($pixel)
{
    $pixel_average = ($pixel->r + $pixel->g + $pixel->b) / 3;
    return new Pixel(
    $pixel_average,
    $pixel_average,
    $pixel_average
    );
}
?> 

Результат:

Черно-белое

В отличие от оттенков серого, черно-белое изображение имеет только 2 цвета: черный (0,0,0) и белый (255,255,255). $factor мы будем использовать для определения границы того, что считать черным, а что – белым. Простота логики в том, что мы суммируем R+G+B и смотрим, к чему значение ближе – к 255 или к 0. Использование $factor позволит нам внести некоторую гибкость в алгоритм (внести некоторую субъективность):

<?php
function blackAndWhite($pixel, $factor)
{
    $pixel_total = ($pixel->r + $pixel->g + $pixel->b);
    if ($pixel_total > (((255 + $factor) / 2) * 3)) {
        // белый
        $pixel->r = 255;
        $pixel->g = 255;
        $pixel->b = 255;
    } else {
        $pixel->r = 0;
        $pixel->g = 0;
        $pixel->b = 0;
    }
    return $pixel;
}
?> 

Результат ($factor = 20):

Отсечение

Не знаю, насколько эта функция может оказаться полезной. Она занимается удалением пограничных значений (переходов) цвета, заменяя их чистым цветом: если у вас было 5, 155, 250 станет – 0, 155, 255. $factor дает нам гибкость в рисунке. Пока я вижу нужность этой функции для уменьшения размера изображения.

<?php
function clip($pixel, $factor)
{
    if ($pixel->r > 255 - $factor) {
        $pixel->r = 255;
    }
    if ($pixel->r < $factor) {
        $pixel->r = 0;
    }
    if ($pixel->g > 255 - $factor) {
        $pixel->g = 255;
    }
    if ($pixel->g < $factor) {
        $pixel->g = 0;
    }
    if ($pixel->b > 255 - $factor) {
        $pixel->b = 255;
    }
    if ($pixel->b < $factor) {
        $pixel->b = 0;
    }
    return $pixel;
}
?> 

Результат ($factor = 100):

Корректировка контраста

Эта операция не является операцией над пикселом в чистом виде, поскольку принимает во внимание информацию обо всех пикселях для принятия решения о том, как поступить с данным конкретным. Настройка контраста нуждается в так называемой средней яркости. Чтобы высчитать среднюю яркость вам необходима формула, приведенная в функции ниже.

<?php
function getAverageLuminance($image)
{
    $luminance_running_sum = 0;
    $x_dimension = imagesx($image);
    $y_dimension = imagesy($image);
    for ($x = 0; $x < $x_dimension; $x++) {
        for ($y = 0; $y < $y_dimension; $y++) {
            $rgb = imagecolorat($image, $x, $y);
            $r = ($rgb >> 16) & 0xFF;
            $g = ($rgb >> 8) & 0xFF;
            $b = $rgb & 0xFF;
            $luminance_running_sum += (0.30 * $r) + (0.59 * $g) + (0.11 * $b);
        }
    }
    $total_pixels = $x_dimension * $y_dimension;
    return $luminance_running_sum / $total_pixels;
}
?> 

Конечное же преобразование контраста очень просто:

<?php
function contrast($pixel, $factor, $average_luminance)
{
    return new Pixel(
    $pixel->r * $factor + (1 - $factor) * $average_luminance,
    $pixel->g * $factor + (1 - $factor) * $average_luminance,
    $pixel->b * $factor + (1 - $factor) * $average_luminance
    );
}
?> 

Результаты (0.5 и 1.5 соответственно):

 

Соль и перец

Эта функция в целом случайным образом «разбрызгивает» по изображению белые и черные точки.

<?php
function saltAndPepper($pixel, $factor)
{
    $black = (int)($factor/2 + 1);
    $white = (int)($factor/2 - 1);
    $random = mt_rand(0, $factor);
    $new_channel = false;
    if ($random == $black) {
        $new_channel = 0;
    }
    if ($random == $white) {
        $new_channel = 255;
    }
    if (is_int($new_channel)) {
        return new Pixel($new_channel, $new_channel, $new_channel);
    } else {
        return $pixel;
    }
}
?> 

Пример ($factor = 20):

Гамма-коррекция

<?php
function gamma($pixel, $factor)
{
    return new Pixel(
    pow($pixel->r / 255, $factor) * 255,
    pow($pixel->g / 255, $factor) * 255,
    pow($pixel->b / 255, $factor) * 255
    );
}
?> 

Пример ($factor = 2.2):

Послесловие

Если вы, экспериментируя с этим классом, изобрели еще какой-либо интересный эффект — опубликуйте свою функцию в комментариях внизу этой страницы и я добавлю ее в эту статью!