swift - 如何在 Swift 中规范化 UIImage 的像素值？

Question

我们正在尝试规范化 UIImage这样它就可以正确地传递到 CoreML 模型中。

我们从每个像素中检索 RGB 值的方法是首先初始化一个 [CGFloat]名为 rawData 的数组每个像素的值，使得红色、绿色、蓝色和 alpha 值都有一个位置。在 bitmapInfo ，我们从原始 UIimage 本身获取原始像素值并进行处理。这用于填充 bitmapInfo context 中的参数, 一个 CGContext多变的。我们稍后会用到 context变量为 draw一个CGImage稍后将转换标准化的 CGImage回到UIImage .

使用嵌套的 for 循环遍历 x和 y坐标，找到所有像素的所有颜色(通过 CGFloat 的原始数据数组找到)中的最小和最大像素颜色值。设置一个绑定(bind)变量来终止 for 循环，否则会出现超出范围的错误。

range指示可能的 RGB 值的范围(即最大颜色值和最小颜色值之间的差异)。

使用等式对每个像素值进行归一化:

A = Image
curPixel = current pixel (R,G, B or Alpha) 
NormalizedPixel = (curPixel-minPixel(A))/range

和一个类似设计的嵌套 for 循环从上面解析 rawData 的数组并根据此归一化修改每个像素的颜色。

我们的大部分代码来自:

1. UIImage to UIColor array of pixel colors
2. Change color of certain pixels in a UIImage
3. https://gist.github.com/pimpapare/e8187d82a3976b851fc12fe4f8965789

我们使用 CGFloat而不是 UInt8因为归一化像素值应该是介于 0 和 1 之间的实数，而不是 0 或 1。

func normalize() -> UIImage?{

    let colorSpace = CGColorSpaceCreateDeviceRGB()

    guard let cgImage = cgImage else {
        return nil
    }

    let width = Int(size.width)
    let height = Int(size.height)

    var rawData = [CGFloat](repeating: 0, count: width * height * 4)
    let bytesPerPixel = 4
    let bytesPerRow = bytesPerPixel * width
    let bytesPerComponent = 8

    let bitmapInfo = CGImageAlphaInfo.premultipliedLast.rawValue | CGBitmapInfo.byteOrder32Big.rawValue & CGBitmapInfo.alphaInfoMask.rawValue

    let context = CGContext(data: &rawData,
                            width: width,
                            height: height,
                            bitsPerComponent: bytesPerComponent,
                            bytesPerRow: bytesPerRow,
                            space: colorSpace,
                            bitmapInfo: bitmapInfo)

    let drawingRect = CGRect(origin: .zero, size: CGSize(width: width, height: height))
    context?.draw(cgImage, in: drawingRect)

    let bound = rawData.count

    //find minimum and maximum
    var minPixel: CGFloat = 1.0
    var maxPixel: CGFloat = 0.0

    for x in 0..<width {
        for y in 0..<height {

            let byteIndex = (bytesPerRow * x) + y * bytesPerPixel

            if(byteIndex > bound - 4){
                break
            }
            minPixel = min(CGFloat(rawData[byteIndex]), minPixel)
            minPixel = min(CGFloat(rawData[byteIndex + 1]), minPixel)
            minPixel = min(CGFloat(rawData[byteIndex + 2]), minPixel)

            minPixel = min(CGFloat(rawData[byteIndex + 3]), minPixel)


            maxPixel = max(CGFloat(rawData[byteIndex]), maxPixel)
            maxPixel = max(CGFloat(rawData[byteIndex + 1]), maxPixel)
            maxPixel = max(CGFloat(rawData[byteIndex + 2]), maxPixel)

            maxPixel = max(CGFloat(rawData[byteIndex + 3]), maxPixel)
        }
    }

    let range = maxPixel - minPixel
    print("minPixel: \(minPixel)")
    print("maxPixel : \(maxPixel)")
    print("range: \(range)")

    for x in 0..<width {
        for y in 0..<height {
            let byteIndex = (bytesPerRow * x) + y * bytesPerPixel

            if(byteIndex > bound - 4){
                break
            }
            rawData[byteIndex] = (CGFloat(rawData[byteIndex]) - minPixel) / range
            rawData[byteIndex+1] = (CGFloat(rawData[byteIndex+1]) - minPixel) / range
            rawData[byteIndex+2] = (CGFloat(rawData[byteIndex+2]) - minPixel) / range

            rawData[byteIndex+3] = (CGFloat(rawData[byteIndex+3]) - minPixel) / range

        }
    }

    let cgImage0 = context!.makeImage()
    return UIImage.init(cgImage: cgImage0!)
}

在归一化之前，我们期望像素值范围为 0 - 255，在归一化之后，像素值范围为 0 - 1。

归一化公式能够将像素值归一化为 0 到 1 之间的值。但是当我们尝试打印(在遍历像素值时简单地添加打印语句)归一化之前的像素值以验证我们得到原始像素值正确，我们发现这些值的范围是关闭的。例如，一个像素值的值为 3.506e+305(大于 255)。我们认为我们一开始就弄错了原始像素值。

我们不熟悉 Swift 中的图像处理，我们不确定整个规范化过程是否正确。任何帮助将不胜感激!

Answer 1

一些观察:

1. 你的 rawData 是 float ，CGFloat，数组，但是你的上下文没有用 float 据填充它，而是用 UInt8 数据。如果您想要一个浮点缓冲区，请使用 CGBitmapInfo.floatComponents 构建一个浮点上下文并相应地调整上下文参数。例如:

   func normalize() -> UIImage? {
       let colorSpace = CGColorSpaceCreateDeviceRGB()
   
       guard let cgImage = cgImage else {
           return nil
       }
   
       let width = cgImage.width
       let height = cgImage.height
   
       var rawData = [Float](repeating: 0, count: width * height * 4)
       let bytesPerPixel = 16
       let bytesPerRow = bytesPerPixel * width
       let bitsPerComponent = 32
   
       let bitmapInfo = CGImageAlphaInfo.premultipliedLast.rawValue | CGBitmapInfo.floatComponents.rawValue | CGBitmapInfo.byteOrder32Little.rawValue
   
       guard let context = CGContext(data: &rawData,
                                     width: width,
                                     height: height,
                                     bitsPerComponent: bitsPerComponent,
                                     bytesPerRow: bytesPerRow,
                                     space: colorSpace,
                                     bitmapInfo: bitmapInfo) else { return nil }
   
       let drawingRect = CGRect(origin: .zero, size: CGSize(width: width, height: height))
       context.draw(cgImage, in: drawingRect)
   
       var maxValue: Float = 0
       var minValue: Float = 1
   
       for pixel in 0 ..< width * height {
           let baseOffset = pixel * 4
           for offset in baseOffset ..< baseOffset + 3 {
               let value = rawData[offset]
               if value > maxValue { maxValue = value }
               if value < minValue { minValue = value }
           }
       }
       let range = maxValue - minValue
       guard range > 0 else { return nil }
   
       for pixel in 0 ..< width * height {
           let baseOffset = pixel * 4
           for offset in baseOffset ..< baseOffset + 3 {
               rawData[offset] = (rawData[offset] - minValue) / range
           }
       }
   
       return context.makeImage().map { UIImage(cgImage: $0, scale: scale, orientation: imageOrientation) }
   }
   

2. 但这引出了一个问题，即您为什么要为 float 据烦恼。如果您将此 float 据返回到您的 ML 模型，那么我可以想象它可能会有用，但您只是在创建一个新图像。因此，您还必须有机会只检索 UInt8 数据，进行浮点运算，然后更新 UInt8 缓冲区，并从中创建图像。因此:

   func normalize() -> UIImage? {
       let colorSpace = CGColorSpaceCreateDeviceRGB()
   
       guard let cgImage = cgImage else {
           return nil
       }
   
       let width = cgImage.width
       let height = cgImage.height
   
       var rawData = [UInt8](repeating: 0, count: width * height * 4)
       let bytesPerPixel = 4
       let bytesPerRow = bytesPerPixel * width
       let bitsPerComponent = 8
   
       let bitmapInfo = CGImageAlphaInfo.premultipliedLast.rawValue
   
       guard let context = CGContext(data: &rawData,
                                     width: width,
                                     height: height,
                                     bitsPerComponent: bitsPerComponent,
                                     bytesPerRow: bytesPerRow,
                                     space: colorSpace,
                                     bitmapInfo: bitmapInfo) else { return nil }
   
       let drawingRect = CGRect(origin: .zero, size: CGSize(width: width, height: height))
       context.draw(cgImage, in: drawingRect)
   
       var maxValue: UInt8 = 0
       var minValue: UInt8 = 255
   
       for pixel in 0 ..< width * height {
           let baseOffset = pixel * 4
           for offset in baseOffset ..< baseOffset + 3 {
               let value = rawData[offset]
               if value > maxValue { maxValue = value }
               if value < minValue { minValue = value }
           }
       }
       let range = Float(maxValue - minValue)
       guard range > 0 else { return nil }
   
       for pixel in 0 ..< width * height {
           let baseOffset = pixel * 4
           for offset in baseOffset ..< baseOffset + 3 {
               rawData[offset] = UInt8(Float(rawData[offset] - minValue) / range * 255)
           }
       }
   
       return context.makeImage().map { UIImage(cgImage: $0, scale: scale, orientation: imageOrientation) }
   }
   

   我只取决于您是否真的需要为您的 ML 模型使用这个浮点缓冲区(在这种情况下，您可能会在第一个示例中返回 float 组，而不是创建新图像)或者目标是否只是创建规范化的 UIImage。

   我对此进行了基准测试，它在 iPhone XS Max 上比浮点再现快一点，但占用内存的四分之一(例如，一张 2000×2000 像素的图像使用 UInt8 占用 16mb，但使用 Float 时为 64mb)。

3. 最后，我要提一下 vImage具有高度优化的功能，vImageContrastStretch_ARGB8888这与我们上面所做的非常相似。只需 import Accelerate 然后您就可以执行如下操作:

   func normalize3() -> UIImage? {
       let colorSpace = CGColorSpaceCreateDeviceRGB()
   
       guard let cgImage = cgImage else { return nil }
   
       var format = vImage_CGImageFormat(bitsPerComponent: UInt32(cgImage.bitsPerComponent),
                                         bitsPerPixel: UInt32(cgImage.bitsPerPixel),
                                         colorSpace: Unmanaged.passRetained(colorSpace),
                                         bitmapInfo: cgImage.bitmapInfo,
                                         version: 0,
                                         decode: nil,
                                         renderingIntent: cgImage.renderingIntent)
   
       var source = vImage_Buffer()
       var result = vImageBuffer_InitWithCGImage(
           &source,
           &format,
           nil,
           cgImage,
           vImage_Flags(kvImageNoFlags))
   
       guard result == kvImageNoError else { return nil }
   
       defer { free(source.data) }
   
       var destination = vImage_Buffer()
       result = vImageBuffer_Init(
           &destination,
           vImagePixelCount(cgImage.height),
           vImagePixelCount(cgImage.width),
           32,
           vImage_Flags(kvImageNoFlags))
   
       guard result == kvImageNoError else { return nil }
   
       result = vImageContrastStretch_ARGB8888(&source, &destination, vImage_Flags(kvImageNoFlags))
       guard result == kvImageNoError else { return nil }
   
       defer { free(destination.data) }
   
       return vImageCreateCGImageFromBuffer(&destination, &format, nil, nil, vImage_Flags(kvImageNoFlags), nil).map {
           UIImage(cgImage: $0.takeRetainedValue(), scale: scale, orientation: imageOrientation)
       }
   }
   

   虽然这采用了稍微不同的算法，但它值得考虑，因为在我的基准测试中，在我的 iPhone XS Max 上它比浮点再现快 5 倍多。

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一些不相关的观察:

1. 您的代码片段也在规范化 alpha channel 。我不确定你是否愿意这样做。通常颜色和 alpha channel 是独立的。上面我假设你真的只想标准化颜色 channel 。如果你也想标准化 alpha channel ，那么你可能有一个单独的 alpha channel 值的最小-最大范围并单独处理。但是，使用与颜色 channel 相同的值范围对 alpha channel 进行归一化(反之亦然)没有多大意义。

2. 我没有使用 UIImage 宽度和高度，而是使用 CGImage 中的值。这是重要的区别，以防您的图片的比例不是 1。

3. 例如，如果范围已经是 0-255(即不需要标准化)，您可能需要考虑提前退出。