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資訊專欄INFORMATION COLUMN

使用Canvas操作像素

wenshi11019 / 2729人閱讀

摘要:但即使這兩件事結合起來,我們也無法直接訪問和操縱這些像素。實際上,我們可以從視頻本身將圖像繪制到,這使我們能夠操作和展示這些像素。您甚至可以在不使用圖像或視頻的情況下即時創(chuàng)建效果

現(xiàn)代瀏覽器支持通過元素播放視頻。大多數(shù)瀏覽器也可以通過MediaDevices.getUserMedia() API訪問攝像頭。但即使這兩件事結合起來,我們也無法直接訪問和操縱這些像素。

幸運的是,瀏覽器有一個Canvas API,允許我們使用JavaScript繪制圖形。實際上,我們可以從視頻本身將圖像繪制到,這使我們能夠操作和展示這些像素。

您在此學到的關于如何操作像素的方法,將成為您提供處理任何種類或任何來源的圖像和視頻的基礎,而不僅僅是 canvas。

將圖像添加到畫布

在我們開始播放視頻之前,讓我們看看如何將圖像添加到畫布。


我們創(chuàng)建了一個圖像元素來表示要在畫布上繪制的圖像。或者,我們可以在JavaScript中使用Image對象。

var canvas;
var context;

function init() {
  var image = document.getElementById("SourceImage");
  canvas = document.getElementById("Canvas");
  context = canvas.getContext("2d");

  drawImage(image);
  // Or
  // var image = new Image();
  // image.onload = function () {
  //    drawImage(image);
  // }
  // image.src = "image.jpg";
}

function drawImage(image) {
  // Set the canvas the same width and height of the image
  canvas.width = image.width;
  canvas.height = image.height;

  context.drawImage(image, 0, 0);
}

window.addEventListener("load", init);

上面的代碼將整個圖像繪制到畫布上。

通過CodePen上的Welling Guzman((@wellingguzman)查看畫布上的 Paint image on canvas 圖像。

現(xiàn)在我們可以開始玩這些像素了!

更新圖像數(shù)據(jù)

畫布上的圖像數(shù)據(jù)允許我們操縱和更改像素。

data屬性是一個ImageData 對象,它具有三個屬性 - 寬度,高度和數(shù)據(jù)/所有這些都代表基于原始圖像的東西。所有這些屬性都是只讀的。我們關心的是數(shù)據(jù),一個由Uint8ClampedArray 對象表示的一維數(shù)組,包含RGBA格式中每個像素的數(shù)據(jù)。

盡管數(shù)據(jù)屬性是只讀的,但并不意味著我們無法更改其值。這意味著我們不能將另一個數(shù)組分配給此屬性。

// Get the canvas image data
var imageData = context.getImageData(0, 0, canvas.width, canvas.height);

image.data = new Uint8ClampedArray(); // WRONG
image.data[1] = 0; // CORRECT

你可能會問,Uint8ClampedArray對象代表什么值。以下是來自MDN的描述:

 Uint8ClampedArray  類型數(shù)組表示一個8位無符號整數(shù)的數(shù)組,它被鉗位到0-255;如果您指定的值超出[0,255]的范圍,則將設置0或255;如果你指定一個非整數(shù),最近的整數(shù)將被設置。內(nèi)容初始化為0.一旦建立,就可以使用對象的方法引用數(shù)組中的元素,或使用標準數(shù)組索引語法(即使用括號表示法)

簡而言之,這個數(shù)組在每個位置存儲范圍從0到255的值,這使得它成為RGBA格式的完美解決方案,因為每個部分都由0到255個值表示。

RGBA顏色

顏色可以用RGBA格式表示,它是紅色,綠色和藍色的組合。 A表示顏色不透明度的α值。

數(shù)組中的每個位置代表一個顏色(像素)通道值。

第一個位置是紅色值

第二個位置是綠色值

第三個位置是藍色值

第四個位置是Alpha值

第5個位置是下一個像素紅色值

第6個位置是下一個像素的綠色值

第7個位置是下一個像素的藍色值

第8個位置是下一個像素Alpha值

等等...

如果您有2x2圖像,那么我們有一個16位陣列(每個2x2像素x 4值)。

2x2圖像縮小了

該數(shù)組將如下所示:

// RED                 GREEN                BLUE                 WHITE
[ 255, 0, 0, 255,      0, 255, 0, 255,      0, 0, 255, 255,      255, 255, 255, 255]
更改像素數(shù)據(jù)

我們可以做的最快的事情之一是通過將所有RGBA值更改為255來將所有像素設置為白色。

// Use a button to trigger the "effect"
var button = document.getElementById("Button");

button.addEventListener("click", onClick);

function changeToWhite(data) {
  for (var i = 0; i < data.length; i++) {
    data[i] = 255;
  }
}

function onClick() {
  var imageData = context.getImageData(0, 0, canvas.width, canvas.height);
  
  changeToWhite(imageData.data);

  // Update the canvas with the new data
  context.putImageData(imageData, 0, 0);
}

數(shù)據(jù)將作為參考傳遞,這意味著我們對它做出的任何修改,它都會改變傳遞參數(shù)的值。

反轉顏色

不需要太多計算的好效果就是反轉圖像的顏色。

可以使用XOR運算符(^)或此公式255 - 值(值必須介于0-255之間)來反轉顏色值。

function invertColors(data) {
  for (var i = 0; i < data.length; i+= 4) {
    data[i] = data[i] ^ 255; // Invert Red
    data[i+1] = data[i+1] ^ 255; // Invert Green
    data[i+2] = data[i+2] ^ 255; // Invert Blue
  }
}

function onClick() {
  var imageData = context.getImageData(0, 0, canvas.width, canvas.height);
  
  invertColors(imageData.data);

  // Update the canvas with the new data
  context.putImageData(imageData, 0, 0);
}

我們正在像前面那樣將循環(huán)增加4而不是1,所以我們可以從像素到像素,每個像素填充數(shù)組中的4個元素。

alpha值對反轉顏色沒有影響,所以我們跳過它。

亮度和對比度

使用下面的公式可以調(diào)整圖像的亮度:newValue = currentValue + 255 *(brightness / 100)。

亮度必須介于-100和100之間

currentValue是紅色,綠色或藍色的當前光照值。

newValue是當前顏色燈加亮度的結果

調(diào)整圖像的對比度可以用這個公式來完成:

factor = (259 * (contrast + 255)) / (255 * (259 - contrast))
color = GetPixelColor(x, y)
newRed   = Truncate(factor * (Red(color)   - 128) + 128)
newGreen = Truncate(factor * (Green(color) - 128) + 128)
newBlue  = Truncate(factor * (Blue(color)  - 128) + 128)

主要計算是獲取將應用于每個顏色值的對比度因子。截斷是一個確保值保持在0到255之間的函數(shù)。

讓我們將這些函數(shù)寫入JavaScript:

function applyBrightness(data, brightness) {
  for (var i = 0; i < data.length; i+= 4) {
    data[i] += 255 * (brightness / 100);
    data[i+1] += 255 * (brightness / 100);
    data[i+2] += 255 * (brightness / 100);
  }
}

function truncateColor(value) {
  if (value < 0) {
    value = 0;
  } else if (value > 255) {
    value = 255;
  }

  return value;
}

function applyContrast(data, contrast) {
  var factor = (259.0 * (contrast + 255.0)) / (255.0 * (259.0 - contrast));

  for (var i = 0; i < data.length; i+= 4) {
    data[i] = truncateColor(factor * (data[i] - 128.0) + 128.0);
    data[i+1] = truncateColor(factor * (data[i+1] - 128.0) + 128.0);
    data[i+2] = truncateColor(factor * (data[i+2] - 128.0) + 128.0);
  }
}

在這種情況下,您不需要truncateColor函數(shù),因為Uint8ClampedArray會截斷這些值,但為了翻譯我們在其中添加的算法。

需要記住的一點是,如果應用亮度或對比度,則圖像數(shù)據(jù)被覆蓋后無法回到之前的狀態(tài)。如果我們想要重置為原始狀態(tài),則原始圖像數(shù)據(jù)必須多帶帶存儲以供參考。保持圖像變量對其他函數(shù)可訪問將會很有幫助,因為您可以使用該圖像來重繪畫布和原始圖像。

var image = document.getElementById("SourceImage");

function redrawImage() {
  context.drawImage(image, 0, 0);
}
使用視頻

為了使它適用于視頻,我們將采用我們的初始圖像腳本和HTML代碼并做一些小的修改。

HTML

通過替換以下行來更改視頻元素的Image元素:

...with this:

JavaScript

替換這一行:

var image = document.getElementById("SourceImage");

...添加這行:

var video = document.getElementById("SourceVideo");

要開始處理視頻,我們必須等到視頻可以播放。

video.addEventListener("canplay", function () {
    // Set the canvas the same width and height of the video
    canvas.width = video.videoWidth;
    canvas.height = video.videoHeight;    
    
    // Play the video
    video.play();

    // start drawing the frames  
    drawFrame(video);
});

當有足夠的數(shù)據(jù)可以播放媒體時,至少在幾幀內(nèi)播放事件播放。

我們無法看到畫布上顯示的任何視頻,因為我們只顯示第一幀。我們必須每n毫秒執(zhí)行一次drawFrame以跟上視頻幀速率。

在drawFrame內(nèi)部,我們每10ms再次調(diào)用drawFrame。

function drawFrame(video) {
  context.drawImage(video, 0, 0);
  
  setTimeout(function () {
    drawFrame(video);
  }, 10);
}

在執(zhí)行drawFrame之后,我們創(chuàng)建一個循環(huán),每10ms執(zhí)行一次drawFrame - 足夠的時間讓視頻在畫布中保持同步。

將效果添加到視頻

我們可以使用我們之前創(chuàng)建的相同函數(shù)來反轉顏色:

function invertColors(data) {
  for (var i = 0; i < data.length; i+= 4) {
    data[i] = data[i] ^ 255; // Invert Red
    data[i+1] = data[i+1] ^ 255; // Invert Green
    data[i+2] = data[i+2] ^ 255; // Invert Blue
  }
}

并將其添加到drawFrame函數(shù)中:

function drawFrame(video) {
  context.drawImage(video, 0, 0);
  
  var imageData = context.getImageData(0, 0, canvas.width, canvas.height);
  invertColors(imageData.data);
  context.putImageData(imageData, 0, 0);
  
  setTimeout(function () {
    drawFrame(video);
  }, 10);
}

我們可以添加一個按鈕并切換效果:

function drawFrame(video) {
  context.drawImage(video, 0, 0);
  
  if (applyEffect) {
    var imageData = context.getImageData(0, 0, canvas.width, canvas.height);
    invertColors(imageData.data);
    context.putImageData(imageData, 0, 0);
  }
  
  setTimeout(function () {
    drawFrame(video);
  }, 10);
}
使用 camera

我們將保留我們用于視頻的相同代碼,唯一不同的是我們將使用MediaDevices.getUserMedia將視頻流從文件更改為相機流。

MediaDevices.getUserMedia是棄用先前API MediaDevices.getUserMedia()的新API。瀏覽器仍舊支持舊版本,并且某些瀏覽器不支持新版本,我們必須求助于polyfill以確保瀏覽器支持其中一種。

首先,從視頻元素中刪除src屬性:

// Set the source of the video to the camera stream
function initCamera(stream) {
    video.src = window.URL.createObjectURL(stream);
}

if (navigator.mediaDevices.getUserMedia) {
  navigator.mediaDevices.getUserMedia({video: true, audio: false})
    .then(initCamera)
    .catch(console.error)
  );
}

Live Demo

效果

到目前為止,我們所介紹的所有內(nèi)容都是我們需要的基礎,以便為視頻或圖像創(chuàng)建不同的效果。我們可以通過獨立轉換每種顏色來使用很多不同的效果。

灰階

將顏色轉換為灰度可以使用不同的公式/技巧以不同的方式完成,以避免陷入太深的問題我將向您展示基于 GIMP desaturate tool去飽和工具和Luma的五個公式:

Gray = 0.21R + 0.72G + 0.07B // Luminosity
Gray = (R + G + B) ÷ 3 // Average Brightness
Gray = 0.299R + 0.587G + 0.114B // rec601 standard
Gray = 0.2126R + 0.7152G + 0.0722B // ITU-R BT.709 standard
Gray = 0.2627R + 0.6780G + 0.0593B // ITU-R BT.2100 standard

我們想要使用這些公式找到的是每個像素顏色的亮度等級。該值的范圍從0(黑色)到255(白色)。這些值將創(chuàng)建灰度(黑白)效果。

這意味著最亮的顏色將最接近255,最暗的顏色最接近0。

Live Demo

雙色調(diào)

雙色調(diào)效果和灰度效果的區(qū)別在于使用了兩種顏色。在灰度上,您有一個從黑色到白色的漸變色,而在雙色調(diào)中,您可以從任何顏色到任何其他顏色(從藍色到粉紅色)都有一個漸變。

使用灰度的強度值,我們可以將其替換為梯度值。

我們需要創(chuàng)建一個從ColorA到ColorB的漸變。

function createGradient(colorA, colorB) {   
  // Values of the gradient from colorA to colorB
  var gradient = [];
  // the maximum color value is 255
  var maxValue = 255;
  // Convert the hex color values to RGB object
  var from = getRGBColor(colorA);
  var to = getRGBColor(colorB);
  
  // Creates 256 colors from Color A to Color B
  for (var i = 0; i <= maxValue; i++) {
    // IntensityB will go from 0 to 255
    // IntensityA will go from 255 to 0
    // IntensityA will decrease intensity while instensityB will increase
    // What this means is that ColorA will start solid and slowly transform into ColorB
    // If you look at it in other way the transparency of color A will increase and the transparency of color B will decrease
    var intensityB = i;
    var intensityA = maxValue - intensityB;
    
    // The formula below combines the two color based on their intensity
    // (IntensityA * ColorA + IntensityB * ColorB) / maxValue
    gradient[i] = {
      r: (intensityA*from.r + intensityB*to.r) / maxValue,
      g: (intensityA*from.g + intensityB*to.g) / maxValue,
      b: (intensityA*from.b + intensityB*to.b) / maxValue
    };
  }

  return gradient;
}

// Helper function to convert 6digit hex values to a RGB color object
function getRGBColor(hex)
{
  var colorValue;

  if (hex[0] === "#") {
    hex = hex.substr(1);
  }
  
  colorValue = parseInt(hex, 16);
  
  return {
    r: colorValue >> 16,
    g: (colorValue >> 8) & 255,
    b: colorValue & 255
  }
}

簡而言之,我們從顏色A創(chuàng)建一組顏色值,降低強度,同時轉到顏色B并增加強度。

從 #0096ff 到 #ff00f0

縮放顏色過渡的表示

var gradients = [
  {r: 32, g: 144, b: 254},
  {r: 41, g: 125, b: 253},
  {r: 65, g: 112, b: 251},
  {r: 91, g: 96, b: 250},
  {r: 118, g: 81, b: 248},
  {r: 145, g: 65, b: 246},
  {r: 172, g: 49, b: 245},
  {r: 197, g: 34, b: 244},
  {r: 220, g: 21, b: 242},
  {r: 241, g: 22, b: 242},
];

上面有一個從#0096ff到#ff00f0的10個顏色值的漸變示例。

顏色過渡的灰度表示

現(xiàn)在我們已經(jīng)有了圖像的灰度表示,我們可以使用它將其映射到雙色調(diào)漸變值。

The duotone gradient has 256 colors while the grayscale has also 256 colors ranging from black (0) to white (255). That means a grayscale color value will map to a gradient element index.

var gradientColors = createGradient("#0096ff", "#ff00f0");
var imageData = context.getImageData(0, 0, canvas.width, canvas.height);
applyGradient(imageData.data);

for (var i = 0; i < data.length; i += 4) {
  // Get the each channel color value
  var redValue = data[i];
  var greenValue = data[i+1];
  var blueValue = data[i+2];

  // Mapping the color values to the gradient index
  // Replacing the grayscale color value with a color for the duotone gradient
  data[i] = gradientColors[redValue].r;
  data[i+1] = gradientColors[greenValue].g;
  data[i+2] = gradientColors[blueValue].b;
  data[i+3] = 255;
}

Live Demo

結論

這個主題可以更深入或解釋更多的影響。為你做的功課是找到可以應用于這些骨架示例的不同算法。

了解像素在畫布上的結構將允許您創(chuàng)建無限數(shù)量的效果,如棕褐色,混色,綠色屏幕效果,圖像閃爍/毛刺等。

您甚至可以在不使用圖像或視頻的情況下即時創(chuàng)建效果:

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