04360783 沈郁翔 HW5：色彩模型

期末了，這是最後一個作業，

由於事情稍多，請原諒我沒有太多的時間去把它做好。

YUV 調色盤繪畫雖然問題不大，但在範圍上面糾結了一些時間，

似乎規格都有一點點差異，最後我把整個範圍映射到 [0, 255] 間處理。

（圖 1）原始圖片

由於有了上次畫曲線的經驗，將滑鼠控制移植到選色上面不構成威脅。

（圖 2）YUV 選色的圖片

有一個瑕疵是，我的 YUV 調色盤的旋轉了 90 度。
這源於繪製顏色時忘了考慮畫布的特性、以及跟我的迴圈設計有關係。

（圖 3）YUV 調色盤

04360783 沈郁翔 HW4：空間濾波器

前言

這次的東西是空間濾波器。我使用繪圖軟體時，除了比較常用模糊之外，其他較少使用。
不過依然值得討論，其中一個原因是我覺得卷積神經網路的構想由此而生。
（僅僅是我覺得，我目前沒有找到彼此相關的證據）

題外話，空間濾波器的遮罩，在 AI 卷積神經網路的領域中叫做卷積核，
裡面的權重會隨著訓練（反向傳播或其他最佳化函數的技巧）而改變。

之所以卷積神經網路對於圖像如此有利，是因為跟全連接網路相比，
卷積核中的權重（整張圖片用同一個核）跟全連接的權重少上許多，
所以可以大幅度減少運算量。

（圖 1）原始圖片

平滑濾波器

平滑濾波器可以實現的模糊功能是我最常使用的功能，
搭配光暈可以做出漂亮的效果，技術方面應該是最容易實踐的濾波器。

（圖 2）模糊濾波器

值得一提的是，近來人工智慧領域的進步已經存在將模糊轉為清晰的方法：
數位時代《Google Brain新研究：用機器學習消除馬賽克、提高像素》

如果觀察過攝影技術，通常畫面中會存在前後景跟目標物，
目標物通常是整張圖片最清晰的部份，而前後景較模糊。

可以想想是否已經存在判斷圖片前後景的方法？
又或者存在調整圖片中單個物件對焦的方法？

中值濾波器

上了胡椒鹽雜訊後，可以使用中值濾波器消除。

中值濾波在 Paint.net 我比較常用的替代方案是油畫風格，
效果差不多，但顏色在邊界上會溢出。

（圖 3）胡椒鹽訊

（圖 4）中值濾波器

中值濾波器可以保留邊界的特色，
有時可以消去一些細節，但又不會使圖片看起來「不清晰」

這在像素遊戲中是重要的特性，因為像素遊戲的每個圖片物件都有清楚的邊界。
如果貿然引入經平滑（模糊）處理的圖片會顯的格格不入，
這時中值濾波就能起到關鍵作用（同通常我會用油畫風格代替）

回到雜訊的角度，反過來想，在丟入雜訊的時候，
如果刻意設計成中值濾波濾不掉的話，不知道有什麼效果？

銳化濾波器

銳化濾波器是我覺得較神奇的一個，因為他的權重設計不太直觀，
這也間接說明了有些東西不用推論的技巧就沒辦法發現。

（圖 5）銳化濾波器

04360783 沈郁翔 HW3：色階與曲線調整

色階與曲線的調整。由於在 Paint.net 中的曲線是我非常喜歡的功能。
一度想要實作，但總是沒什麼機會。這次趁著作業就順便做了。

（圖 1）Paint.net 曲線功能

對於，曲線功能來說，最關鍵的是插值。
由於我不能找到 Paint.net 的插值方法，所以我使用普通的拉格朗日插值（非重心）：

（圖 2）當存在 k 個點 From wikipedia

（圖 3）插值多項式 From wikipedia

（圖 4）插值多項式中的函數 From wikipedia

利用迴圈就可以實做出來，唯一要注意的是隱含的數值轉換，
相除之後 float、double 跟 int 的對應、捨去關係，以及邊界處理。
通過函數 f(x) = min(255, max(0, x)) 處理邊界問題，其中 min、max 定義於 cmath 的 std 中。

（圖 5）原始圖片

（圖 6）Red 曲線上存在一個點，使圖片紅色分量上升

（圖 7）同時存在多個點的情況

（圖 8）三個分量都有做調整的情況
※ 注意圖中的 Red、Green 視窗是另外合成的
軟體實際上沒有實作同時顯示的功能

可以發現，對於任何分量的函數曲線的凹性是上凸時，
由於該色彩的分量增加，圖片的亮度就會上升，可以注意（圖 5）及（圖 6）的差異。

另外觀察（圖 7）可以發現，當曲線非遞增時，圖片的色彩會較不自然。

對於三個分量都有做調整時，也就是（圖 8）的情況。
雖然增加了 Red 分量，但 Green 與 Blue 都減少，使得整體的亮度下降。

但相較（圖 6）紅色明顯增加，由這裡可以發現，
如要增加單一分量而不要增加亮度，則三個曲線平均要剛好是 y = x 線性函數；
如果增加單一分量、而減少亮度，則應該降低另外兩個分量而非提升目標的單一分量。

04360783 沈郁翔 HW2：直方圖與直方圖均化

直方圖跟直方圖均化，經過理解大致上是這樣的東西：

1. 這裡說的直方圖是「紀錄相片中每個色彩值的數量繪製而成的直方圖」
2. 直方圖均化是把相當於將直方圖拉平

直方圖均化拉平直方圖的方法是：紀錄累計的數值（也就是累計直方圖）
然後算一算，如果把幅度拉寬，那麼每個色彩值會變成如何。

例子是一張水果圖片（圖 1），以及其直方圖（圖 2）

（圖 1）水果圖片

（圖 2）圖 1 的直方圖

經過直方圖均化後處理，
原本的照片變成（圖 3），以及其直方圖（圖 4）：

（圖 3）經均化的水果圖片

（圖 4）均化後圖片的直方圖

觀察直方圖後可以發現，圖 3 的山峰、山谷，在圖 4 中也差不多有對應的特徵。

04360783 沈郁翔 HW1：介紹影像處理軟體

paint.net（又名大畫家）是我最喜歡的影像處理軟體。
事實上，我過去 RPG Maker 所有的點陣素材都是由 pain.net 繪製而成，
正因如此，這次介紹 paint.net 有種推薦老戰友的感覺。

（圖 1）過去的素材目錄縮圖

（圖 2）軟體介面

軟體開啟後，操作介面如圖 2 所示。
介面與其他功能龐大的軟體相比，相當的簡單，
不免讓人懷疑它的功能性，但麻雀雖小五臟俱全，簡潔的介面有時也是另一方面的優點。

先從畫面上四個主要的浮動視窗開始。
讀者可能會疑惑，圖 2 中的浮動視窗僅有三個，那第四個浮動視窗呢？
視線先移至右上角，你會發現有控制浮動視窗的開關。

（圖 3）浮動視窗控制

筆者一般在作業時，會將時鐘（歷史紀錄，圖 5）的視窗關閉。
最主要的原因在於習慣使用快捷鍵 Ctrl + Z（上一步）以及 Ctrl + Y（下一步）的關係。

（圖 4）工具列

（圖 5）歷史紀錄

（圖 6）圖層

（圖 7）調色板

工具列中的工具，由左至右、由上到下：

• 選取：藍色方塊「矩形選取」
• 選取：颱風路徑「圈選」
• 選取：藍色圓圈「圓形選取」
• 選取：魔術棒「色彩相近選取」
• 填色：油漆桶「範圍填色」
• 填色：畫筆「一般畫筆」
• 填色：鉛筆「點陣畫筆」
• 填色：印章「複製畫筆」
• 文字：T字符「文字輸入」
• 圖形：正方、圓、三角「拉形狀」
• 控制：藍色游標「控制圖片」
• 控制：白色游標「控制選擇」
• 控制：放大鏡「顯示縮放」（不常用，因為 Ctrl + 滑鼠滾輪是快捷鍵。）
• 控制：手掌「顯示平移」（不常用，習慣以捲軸拖曳。）
• 填色：反光板「漸層」
• 填色：粉紅藥丸「橡皮擦」（不常用，常以選擇 + Delete 取代。）
• 填色：藍色寶劍「吸筆」
• 填色：紅藍轉移「重新上色」（不常用，常以選擇 + 色相調整取代。）
• 圖形：直線曲線「線條」

我的工作中，選取、控制是最常用的。

漸層常用來搭配圖 6 的圖層實現特殊功能，比方說增加天空漸層的顏色：

（圖 8）處理前原圖

（圖 8）使用圖層把前後景分離後
前後景中間插入綠、紫漸層
並讓圖層使用「覆蓋於上方」合成方式

（圖 10）另一種處理效果

在上方視窗按鈕的「調整」中，則有一般影像處理使用的工具，如圖 11 所示。

而在「效果」中，則有一些內建效果可以選擇，如圖 12 所示。

（圖 11）調整的工具

（圖 12）內建的效果，不含插件

關於調整、效果通常會搭配工具列的工具使用，

礙於篇幅這邊就不詳細介紹了。