如何使用 OpenCV 减少图像中的颜色数量？
Posted
技术标签:
【中文标题】如何使用 OpenCV 减少图像中的颜色数量？【英文标题】：How to reduce the number of colors in an image with OpenCV? 【发布时间】：2011-08-19 21:15:42 【问题描述】：我有一组图像文件，我想将它们的颜色数量减少到 64 种。如何使用 OpenCV 做到这一点？
我需要这个，所以我可以处理 64 大小的图像直方图。 我正在实施 CBIR 技术
我想要的是 4 位调色板的颜色量化。
【问题讨论】：
如果您想要 64 种颜色，您需要 6 位调色板。请参阅下面的答案，以获得更好的解释和代码，以使用每个颜色通道中的 2 位来构建 6 位调色板图像。 @Felipe 添加了一个新答案，您可能会觉得它很有趣。 【参考方案1】：简单的按位和适当的位掩码就可以解决问题。
python，64色，
img = img & int("11000000", 2)
RGB 图像的颜色数量应该是一个完美的立方体（在 3 个通道上相同）。
对于此方法，通道的可能值的数量应为 2 的幂。（此检查被代码忽略，并采用下一个较低的 2 幂）
import numpy as np
import cv2 as cv
def is_cube(n):
cbrt = np.cbrt(n)
return cbrt ** 3 == n, int(cbrt)
def reduce_color_space(img, n_colors=64):
n_valid, cbrt = is_cube(n_colors)
if not n_valid:
print("n_colors should be a perfect cube")
return
n_bits = int(np.log2(cbrt))
if n_bits > 8:
print("Can't generate more colors")
return
bitmask = int(f"'1' * n_bits'0' * (8 - n_bits)", 2)
return img & bitmask
img = cv.imread("image.png")
cv.imshow("orig", img)
cv.imshow("reduced", reduce_color_space(img))
cv.waitKey(0)
【讨论】：
【参考方案2】：OpenCV 2 Computer Vision Application Programming Cookbook 很好地涵盖了这个主题：
第 2 章展示了一些归约操作，其中一个在 C++ 中演示，后来在 Python 中演示：
#include <iostream>
#include <vector>
#include <opencv2/highgui/highgui.hpp>
#include <opencv2/imgproc/imgproc.hpp>
void colorReduce(cv::Mat& image, int div=64)
int nl = image.rows; // number of lines
int nc = image.cols * image.channels(); // number of elements per line
for (int j = 0; j < nl; j++)
// get the address of row j
uchar* data = image.ptr<uchar>(j);
for (int i = 0; i < nc; i++)
// process each pixel
data[i] = data[i] / div * div + div / 2;
int main(int argc, char* argv[])
// Load input image (colored, 3-channel, BGR)
cv::Mat input = cv::imread(argv[1]);
if (input.empty())
std::cout << "!!! Failed imread()" << std::endl;
return -1;
colorReduce(input);
cv::imshow("Color Reduction", input);
cv::imwrite("output.jpg", input);
cv::waitKey(0);
return 0;
您可以在下面找到输入图像（左）和此操作的输出（右）：
Python 中的等效代码如下： （感谢@eliezer-bernart）
import cv2
import numpy as np
input = cv2.imread('castle.jpg')
# colorReduce()
div = 64
quantized = input // div * div + div // 2
cv2.imwrite('output.jpg', quantized)
【讨论】：
【参考方案3】：这是使用带有cv2.kmeans 的 K-Means 聚类的颜色量化 Python 实现。这个想法是减少图像中不同颜色的数量，同时尽可能地保留图像的颜色外观。结果如下：
输入->输出
代码
import cv2
import numpy as np
def kmeans_color_quantization(image, clusters=8, rounds=1):
h, w = image.shape[:2]
samples = np.zeros([h*w,3], dtype=np.float32)
count = 0
for x in range(h):
for y in range(w):
samples[count] = image[x][y]
count += 1
compactness, labels, centers = cv2.kmeans(samples,
clusters,
None,
(cv2.TERM_CRITERIA_EPS + cv2.TERM_CRITERIA_MAX_ITER, 10000, 0.0001),
rounds,
cv2.KMEANS_RANDOM_CENTERS)
centers = np.uint8(centers)
res = centers[labels.flatten()]
return res.reshape((image.shape))
image = cv2.imread('1.jpg')
result = kmeans_color_quantization(image, clusters=8)
cv2.imshow('result', result)
cv2.waitKey()
【讨论】：
【参考方案4】：这里建议的答案非常好。我想我也会添加我的想法。我这里沿用了很多cmets的公式，据说RGB图像中每个通道的2位可以表示64种颜色。
下面代码中的函数将图像和量化所需的位数作为输入。它使用位操作来“删除” LSB 位并仅保留所需数量的位。结果是一种灵活的方法，可以将图像量化为任意位数。
#include "include\opencv\cv.h"
#include "include\opencv\highgui.h"
// quantize the image to numBits
cv::Mat quantizeImage(const cv::Mat& inImage, int numBits)
cv::Mat retImage = inImage.clone();
uchar maskBit = 0xFF;
// keep numBits as 1 and (8 - numBits) would be all 0 towards the right
maskBit = maskBit << (8 - numBits);
for(int j = 0; j < retImage.rows; j++)
for(int i = 0; i < retImage.cols; i++)
cv::Vec3b valVec = retImage.at<cv::Vec3b>(j, i);
valVec[0] = valVec[0] & maskBit;
valVec[1] = valVec[1] & maskBit;
valVec[2] = valVec[2] & maskBit;
retImage.at<cv::Vec3b>(j, i) = valVec;
return retImage;
int main ()
cv::Mat inImage;
inImage = cv::imread("testImage.jpg");
char buffer[30];
for(int i = 1; i <= 8; i++)
cv::Mat quantizedImage = quantizeImage(inImage, i);
sprintf(buffer, "%d Bit Image", i);
cv::imshow(buffer, quantizedImage);
sprintf(buffer, "%d Bit Image.png", i);
cv::imwrite(buffer, quantizedImage);
cv::waitKey(0);
return 0;
这是上述函数调用中使用的图像：
每个 RGB 通道量化为 2 位的图像（总共 64 种颜色）：
每个通道 3 位：
4 位 ...
【讨论】：
【参考方案5】：有很多方法可以做到这一点。 jeff7推荐的方法还可以，但是有一些缺点：
方法 1 具有参数 N 和 M，您必须选择它们，并且还必须将其转换为另一个颜色空间。 回答的方法 2 可能非常慢，因为您应该计算一个 1670 万个 bin 直方图并按频率对其进行排序（以获得 64 个较高的频率值）我喜欢使用基于 Most Significant Bits 的算法在 RGB 颜色中使用并将其转换为 64 色图像。如果你使用的是 C/OpenCV，你可以使用类似下面的函数。
如果您正在处理灰度图像，我建议使用 OpenCV 2.3 的 LUT() 函数，因为它更快。有一个关于如何使用LUT减少颜色数量的教程。请参阅：Tutorial: How to scan images, lookup tables... 但是，如果您使用 RGB 图像，我发现它会更复杂。
void reduceTo64Colors(IplImage *img, IplImage *img_quant)
int i,j;
int height = img->height;
int width = img->width;
int step = img->widthStep;
uchar *data = (uchar *)img->imageData;
int step2 = img_quant->widthStep;
uchar *data2 = (uchar *)img_quant->imageData;
for (i = 0; i < height ; i++)
for (j = 0; j < width; j++)
// operator XXXXXXXX & 11000000 equivalent to XXXXXXXX AND 11000000 (=192)
// operator 01000000 >> 2 is a 2-bit shift to the right = 00010000
uchar C1 = (data[i*step+j*3+0] & 192)>>2;
uchar C2 = (data[i*step+j*3+1] & 192)>>4;
uchar C3 = (data[i*step+j*3+2] & 192)>>6;
data2[i*step2+j] = C1 | C2 | C3; // merges the 2 MSB of each channel
【讨论】：
你不能在非灰度图像上继续使用 LUT 吗？如果您在提供here 的链接中运行 OpenCV 教程中的代码，您可以通过将 64 作为其代码的输入参数，轻松地将颜色空间量化为 64 种颜色。这基本上与提取示例中的 2 个最高有效位相同。还是我错过了什么？ @Moacir 此函数不应返回值，因为它的签名声明它返回void。【参考方案6】：
您可能会考虑使用 K-means，但在这种情况下，它很可能会非常缓慢。更好的方法可能是您自己“手动”执行此操作。假设您有 CV_8UC3 类型的图像，即每个像素由 0 到 255 (Vec3b) 的 3 个 RGB 值表示的图像。您可以将这 256 个值“映射”到仅 4 个特定值，这将产生 4 x 4 x 4 = 64 可能的颜色。
我有一个数据集，我需要确保深色 = 黑色，浅色 = 白色，并减少两者之间所有颜色的数量。这就是我所做的（C++）：
inline uchar reduceVal(const uchar val)
if (val < 64) return 0;
if (val < 128) return 64;
return 255;
void processColors(Mat& img)
uchar* pixelPtr = img.data;
for (int i = 0; i < img.rows; i++)
for (int j = 0; j < img.cols; j++)
const int pi = i*img.cols*3 + j*3;
pixelPtr[pi + 0] = reduceVal(pixelPtr[pi + 0]); // B
pixelPtr[pi + 1] = reduceVal(pixelPtr[pi + 1]); // G
pixelPtr[pi + 2] = reduceVal(pixelPtr[pi + 2]); // R
导致[0,64) 变为0、[64,128) -> 64 和[128,255) -> 255，产生27 颜色：
对我来说，这似乎比其他答案中提到的任何其他内容都简洁、清晰且速度更快。
您也可以考虑将这些值减少到某个数字的倍数之一，例如：
inline uchar reduceVal(const uchar val)
if (val < 192) return uchar(val / 64.0 + 0.5) * 64;
return 255;
这将产生一组 5 个可能的值：0, 64, 128, 192, 255，即 125 种颜色。
【讨论】：
【参考方案7】：你为什么不只做矩阵乘法/除法？值将自动四舍五入。
伪代码：
将您的频道转换为无符号字符 (CV_8UC3)， 被除以 总颜色/所需颜色。垫 = 垫 / (256/64)。小数点 将被截断。 乘以相同的数字。垫子 = 垫子 * 4
完成。现在每个通道只包含 64 种颜色。
【讨论】：
【参考方案8】：OpenCV 库中已有 K-means 聚类算法。简而言之，它确定哪些是围绕用户定义的 k 值（= 聚类数）对数据进行聚类的最佳质心。因此，在您的情况下，您可以找到围绕给定 k=64 值聚集像素值的质心。如果你用谷歌搜索，细节就在那里。 Here 是对 k-means 的简短介绍。
在SO 上使用 k-means 提出了类似于您可能正在尝试的问题，希望对您有所帮助。
另一种方法是在 OpenCV 中使用 pyramid mean shift filter 函数。它会产生一些“扁平化”的图像，即颜色数量较少，因此它可能会对您有所帮助。
【讨论】：
【参考方案9】：假设您想对所有图像使用相同的 64 种颜色（即未针对每个图像优化调色板），我至少可以想到几个选择：
1) 转换为 Lab 或 YCrCb 颜色空间并使用 N 位亮度和 M 位每个颜色通道进行量化，N 应大于 M。
2) 计算所有训练图像的颜色值的 3D 直方图，然后选择具有最大 bin 值的 64 种颜色。通过为每个像素分配训练集中最接近 bin 的颜色来量化图像。
方法 1 是最通用且最容易实现的，而方法 2 可以更好地适应您的特定数据集。
更新： 例如，32 种颜色是 5 位，因此将 3 位分配给亮度通道，将 1 位分配给每个颜色通道。要进行此量化，请将亮度通道除以 2^8/2^3 = 32 并将每个颜色通道除以 2^8/2^1 = 128。现在只有 8 个不同的亮度值和 2 个不同的颜色通道每个。将这些值重新组合成一个整数，进行位移或数学运算（量化颜色值 = 亮度*4+颜色1*2+颜色2）；
【讨论】：
"使用 N 位进行亮度量化，M 位用于每个颜色通道，N 应大于 M。" - 我该如何做这部分？以上是关于如何使用 OpenCV 减少图像中的颜色数量？的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
如何使用C ++从opencv中的磁盘仅读取一个图像颜色通道