C♯にてBitmap-24bitをBitmap-8bitの254(減色）にさせたい

Question

24bit の画像を 8bit (254 color) にする方法についてわからなくて困っております。

やりたいこととしては以下URLの内容の、固定パレット(24bit→8bit (245 color))+誤差拡散(Floyd-Steinberg)、もしくは__最適化パレット(24bit→8bit)+誤差拡散(Floyd-Steinberg)__で行いたいと考えています。
ただし、色数は255ではなく254です。

現状はとにかく減色させて8bitにと思って、OpenCvSharp3のCv2.Kmeansによる減色を試みたのですが、減色はできても8bitにはできずにてこずっております。

環境:WindowsForms
URL:[http://koujinz.cocolog-nifty.com/blog/2009/04/24bit-8bit-a879.html](http://koujinz.cocolog-nifty.com/blog/2009/04/24bit-8bit-a879.html

尚、単純に以下のCloneでPixelFormat.Format8bppIndexedを指定した場合、8bitにはできるものの、色数254の前に画質が荒すぎて酷かったので止めました。

Bitmap dstBmp = ImageToBmp.Clone(new Rectangle(0, 0, ImageToBmp.Width, ImageToBmp.Height), PixelFormat.Format8bppIndexed);

また、以下のようにGIFに変換してからbmpにする方法も試しましたが、最後ビットマップにしてもGif画像扱い（バイナリヘッダーを見て判断）だったので不可としました。

        public static Bitmap ConvertTo8bpp(Image img)
        {
            var ms = new System.IO.MemoryStream();
            img.Save(ms, System.Drawing.Imaging.ImageFormat.Gif);
            ms.Position = 0;
            return new Bitmap(img);
        }

＜Kmeansで試している内容＞

        /// <summary>
        /// Kmeans法による減色
        /// </summary>
        /// <param name="input">入力画像</param>
        /// <param name="result">減色結果画像</param>
        /// <param name="ClusterCount">クラスター値</param>
        public static void Kmeans(Mat input, Mat result, int ClusterCount)
        {
            using (Mat points = new Mat())
            {
                using (Mat labels = new Mat())
                {
                    using (Mat centers = new Mat())
                    {
                        int width = input.Cols;
                        int height = input.Rows;

                        points.Create(width * height, 1, MatType.CV_32FC3);
                        centers.Create(ClusterCount, 1, points.Type());
                        result.Create(height, width, input.Type());

                        int i = 0;
                        for (int y = 0; y < height; y++)
                        {
                            for (int x = 0; x < width; x++, i++)
                            {
                                Vec3f vec3f = new Vec3f
                                {
                                    Item0 = input.At<Vec3b>(y, x).Item0,
                                    Item1 = input.At<Vec3b>(y, x).Item1,
                                    Item2 = input.At<Vec3b>(y, x).Item2
                                };

                                points.Set<Vec3f>(i, vec3f);
                            }
                        }

                        Cv2.Kmeans(points, ClusterCount, labels, new TermCriteria(CriteriaType.Eps | CriteriaType.MaxIter, 10, 1.0), 3, KMeansFlags.PpCenters, centers);

                        i = 0;
                        for (int y = 0; y < height; y++)
                        {
                            for (int x = 0; x < width; x++, i++)
                            {
                                int idx = labels.Get<int>(i);

                                Vec3b vec3b = new Vec3b();


                                int tmp = Convert.ToInt32(Math.Round(centers.At<Vec3f>(idx).Item0));
                                tmp = tmp > 255 ? 255 : tmp < 0 ? 0 : tmp;
                                vec3b.Item0 = Convert.ToByte(tmp);

                                tmp = Convert.ToInt32(Math.Round(centers.At<Vec3f>(idx).Item1));
                                tmp = tmp > 255 ? 255 : tmp < 0 ? 0 : tmp;
                                vec3b.Item1 = Convert.ToByte(tmp);

                                tmp = Convert.ToInt32(Math.Round(centers.At<Vec3f>(idx).Item2));
                                tmp = tmp > 255 ? 255 : tmp < 0 ? 0 : tmp;
                                vec3b.Item2 = Convert.ToByte(tmp);

                                result.Set<Vec3b>(y, x, vec3b);

                            }
                        }
                    }
                }
            }

        }

追記1＞
要件：
・メディアンカットでの減色を行いたい(記載しているのはKmeans)
・24bit→8bit(254色)に変換したい
・上記に関するライブラリ、参考サイト、コードがあれば

現状：
メディアンカットでは進展なし。
24bit→8bit変換でサンプルを作成中。

追記2>
サンプルとして、以下のところまで作成。

NotionalKettleさん
つまり減色された画像データに含まれるRGBの組とそれに対応する値(8bit用)を定義して対応が付けられるように8bit側の各画素を上記の方法>で書き換えて、最後にパレットを対応させれば・・・

この部分でどうすればいいのかイメージがつかずに詰まってます。
下記コードではコメント①あたりです。
尚、byte*での方法については理解が追い付いていないので、とりあえずMarshal.Copyで試してます。

        unsafe static Bitmap ImageConvert24biTo8bit(Bitmap bmpSource)
        {
            int pixelSize = 4;
            int color = 255;

            //入力されたBitmapをロック
            BitmapData bmpData = bmpSource.LockBits(
                new Rectangle(0, 0, bmpSource.Width, bmpSource.Height),
                ImageLockMode.WriteOnly,
                bmpSource.PixelFormat
            );

            //Bitmapの各画素情報のbyte配列データの先頭ポインタ
            IntPtr pointer = bmpData.Scan0;
            //byte* pImg = (byte*)bmpData.Scan0.ToPointer();

            byte[] pixels = new byte[bmpData.Stride * bmpSource.Height];

            // Bitmap を byte [ ] へコピー
            Marshal.Copy(pointer, pixels, 0, pixels.Length);

            // Bitmapオブジェクトを作成
            Bitmap bmp8bit = new Bitmap(bmpSource.Width, bmpSource.Height, PixelFormat.Format8bppIndexed);

            // カラーパレットを設定
            ColorPalette pal = bmp8bit.Palette;

            for (int y = 0; y < bmpData.Height; y++)
            {
                for (int x = 0; x < bmpData.Width; x++)
                {
                    /*① この辺りが？です */

                    //(x,y)のデータ位置
                    int pos = y * bmpData.Height + x * pixelSize;

                    // RGB
                    byte b = pixels[pos];
                    byte g = pixels[pos + 1];
                    byte r = pixels[pos + 2];

                    // 色
                    for (int i = 0; i < color; ++i)
                    {
                        pal.Entries[i] = Color.FromArgb(255, r, g, b);
                    }
                    bmpSource.Palette = pal;
                }
            }


            // 変更を反映
            Marshal.Copy(pixels, 0, pointer, pixels.Length);

            //ロックを解除する
            bmpSource.UnlockBits(bmpData);

            return bmpSource;
        }

追記：
メディアンカットは本要件と違ったため、その部分を削除しました。
また追記部分には取り消し線で対応しました。

Comments

[Wind]

BitmapはただのByte配列ですので、自分で計算するのが一番シンプルで画質も自分好みに出来るのでは無いでしょうか？
https://www.setsuki.com/hsp/ext/bmp.htm

Answer 1

内容が膨れ上がって来たので別回答で失礼します。

追加編集された内容について、正直何書いていいか困ってます...。
とりあえずやりたいことを整理して、1個1個やりましょう。

まずメディアンカット法については調べた感じでは原理は単に色空間の量子化を粗くするだけみたいなのでまぁこれは自力でやってもらわないと困る話かなと...。
今回は特にメディアンカットを中心に綺麗に減色するのではなくk-meansの軽量化の話っぽいのであれこれ考えず少し粗くすればよいだけと思うので。

で、ソースの方の問題点ですが
0. pixelSizeは4ではない(恐らく32bitのサンプルでも見たのでは？)

1. 24bitBmpからはデータも取得するのでWriteOnlyではない
2. posはy * bmpData.Height + x * pixelSizeではなくy * bmpData.Stride + x * pixelSize
3. パレットの扱いが滅茶苦茶(多分パレットの意味が分かっていなと思います)

とりあえず1個1個やりましょう...
まずはパレットは置いておいて24bit画像のRGBへのアクセスだけをやってみてください。
それが出来たらメディアンカット法ができるはずです。ここまではパレットも8bitも気にせず24bitの画像だけで処理してください。
それが出来たらOpenCVでK-meansしてください。
それが出来て初めて24bitから8bitへの変換です。とりあえずパレットとはどういうものかについて調べてみて良く分からなかったらまたコメントください。

あと、質問を編集しただけでは私には通知が来ないようなので回答にコメントしてもらえると反応が早いかもしれません。

【コメントを受け追記】
減色済みの奴が対象で減勘だけするならこんな感じで良いはず。
例外処理とか諸々省略してるので注意。

static Bitmap ImageConvert24bitTo8bit(Bitmap bmpSource)
{
    Bitmap bmp8bit = new Bitmap(bmpSource.Width, bmpSource.Height, PixelFormat.Format8bppIndexed);

    BitmapData bmpData8bit = bmp8bit.LockBits(
        new Rectangle(0, 0, bmp8bit.Width, bmp8bit.Height),
        ImageLockMode.WriteOnly,
        bmp8bit.PixelFormat
    );

    BitmapData bmpData24bit = bmpSource.LockBits(
        new Rectangle(0, 0, bmpSource.Width, bmpSource.Height),
        ImageLockMode.ReadOnly,
        bmpSource.PixelFormat
    );

    byte[] imgBuf8bit  = new byte[bmpData8bit.Stride * bmp8bit.Height];
    byte[] imgBuf24bit = new byte[bmpData24bit.Stride * bmpSource.Height];

    Marshal.Copy(bmpData24bit.Scan0, imgBuf24bit, 0, imgBuf24bit.Length);

    var colors = new Dictionary<Color, byte>();
    byte colorIndex = 0;

    for (int y = 0; y < bmpSource.Height; y++)
    {
        for (int x = 0; x < bmpSource.Width; x++)
        {
            int index24bit = y * bmpData24bit.Stride + x * 3;
            int index8bit = y * bmpData8bit.Stride + x;
            byte b = imgBuf24bit[index24bit];
            byte g = imgBuf24bit[index24bit + 1];
            byte r = imgBuf24bit[index24bit + 2];

            // 24bitから8bitへ
            var color = Color.FromArgb(r, g, b);
            if (colors.TryGetValue(color, out byte i))
                imgBuf8bit[index8bit] = i;
            else
            {
                imgBuf8bit[index8bit] = colorIndex;
                colors.Add(color, colorIndex);
                colorIndex++;
            }
        }
    }
    Marshal.Copy(imgBuf8bit, 0, bmpData8bit.Scan0, imgBuf8bit.Length);
    bmpSource.UnlockBits(bmpData24bit);
    bmp8bit.UnlockBits(bmpData8bit);

    var pal = bmp8bit.Palette;
        foreach (var item in colors)
            pal.Entries[item.Value] = item.Key;
    bmp8bit.Palette = pal;

    return bmp8bit;
}

Comments

[tride]

お返事ありがとうございます。
24bit-8bit変換のほうが最優先でメディアンカットは後回しでもよかったですが、RGBへのアクセスについてまるで頭の中にないので、そこから進めたいと思います。

[退会済みユーザー]

回答に困った理由がここにあって、変換するにしても先に減色されていることが前提でないとパレットが作れないんです。
ソースコードを見てちょっと減色済みの物を前提にしているのか、そこで減色もできると思ってしまっているのか判断がつかなかったので・・・

[tride]

追記したコードに関しては、すでに記載していたKmeansで減色させたものを前提に書きました。
なので、流れとしてはKmeans→ImageConvert24biTo8bitのつもりです。

ただ、自分でも色々とごちゃごちゃしていて、最初はメディアンカットと8bit変換が一緒にできると考えていたので、追記コードがごちゃごちゃとややこしいことになってたり。

[tride]

ありがとうございます！
コードを見てようやく理屈を把握できました。
特にコメントにある[//24bitから8bitへ]の辺りですっきりです。
私の考え方自体が違っていました。

ただ一つ気になったのは、254色にする場合について、以前の回答にあった以下の部分で、パレットの各色は画素値に対応している為にソースでも255色入れているという理解でいいでしょうか。
また、その場合は減色さえしていればわざわざ２５４にしなくてもいいということでしょうか。

>値は先頭からColor.FromArgb(i,i,i)でiを0から255までです。
>今回254色とのことですが、パレットの各色は画素値に対応しているので>255まで入れます。

[退会済みユーザー]

それに関してはちょっと私の方が途中から(最初の質問忘れて)グレースケールと勘違いしていたため0, 0, 0から255, 255, 255まで入れると言ってしまっていただけというのがあるので過去の回答の該当部は気にしないでください。
要は画素値(8bitで表現できる各画素の値)と対応するパレット(画素値をindexとしたときに対応する色が得られる並び)が用意できていれば大丈夫です。

[tride]

承知しました。
メディアンカットについては、今回は本文を修正して無しとし、bit変換ができたという事で、当回答をベストアンサーに選びたいと思います。

Answer 2

【過去の内容】
C#でBitmapこのフォーマット変換をするのは実は結構しんどいです。
まぁ下記の機能を実装したライブラリは探せば見つかると思うので探した方が早いとおもいますが参考までに。

減色方法は好きなようにやっていただくとして、24bitから8bitへの変換ですが
Bitmap.LockbitsでBitmapDataを取得し、BitmapData.Scan0を得ます。
これはBitmapの各画素情報のbyte配列データの先頭ポインタを表します。

次に24bitBitmapのデータの並びを意識しながらポインタでアクセスします。
RGBデータが各行BGRBGR...の順で並んでいるのでここで減色処理を書くこともできます。
この時各行のbyte数が4の倍数にアライメントされているので気をつけて下さい。
例えば画像幅が5だとするとBGRが5つで15、4の倍数になるように未使用の領域が1byte加わって各行16byteになります。
画像高さについては特に気にする必要はなく、通常通り処理して問題ありません。

同様にサイズだけ指定した空の8bitのBitmapを用意しポインタで画素にアクセスします。
8bitの場合はRGBではないので各byteデータが1画素を指していますが、やはり4byteでアライメントされているのでそこだけ気をつけて下さい。
このように24bitと8bitの各画素にアクセスしながら値を変換して移していけばフォーマットの変換はほぼ完了です。

最後に値を入れた8bitBitmapのパレットを設定してやります。
打ち消し線
値は先頭から~~Color(i,i,i)~~Color.FromArgb(i,i,i)でiを0から255までです。
今回254色とのことですが、パレットの各色は画素値に対応しているので255まで入れます。
(ですのでカラーの256色8bitBitmapというのもできたりします)

あとは保存すれば完了です。

【訂正】
途中から勝手にグレースケールの254色と勘違いしてたので訂正入れます。
減色自体はできたということなので最後のパレット部分を上手いことやってやればいいんじゃないかと思います。
つまり減色された画像データに含まれるRGBの組とそれに対応する値(8bit用)を定義して対応が付けられるように8bit側の各画素を上記の方法で書き換えて、最後にパレットを対応させれば行けると思います。

.Cloneによる方法は正直よく分からないです。
減色済みのやつに対して上手にパレットを生成するような内部実装になっていないんでしょうね...

Comments

[退会済みユーザー]

補足：
・終わったらLockbitsと対のUnlockBitsが必要です。
・Scan0はIntPtrなのでToPointerとキャストでbyte*にします。
・ポインタを扱うのでunsafe宣言が必要です。
・さらにプロジェクト設定でアンセーフコードを許可する必要があります。

GetPixelとSetPixelを使えば回答のような大変な記述は不要ですが、その代わり物凄く遅いです。

[imihito]

> ・Scan0はIntPtrなのでToPointerとキャストでbyte*にします。
について気になったのですが
System.Runtime.InteropServices.Marshal.Copy
を使用すれば、アンセーフに近い速度で面倒な部分を多少軽減できるのではないでしょうか？
https://docs.microsoft.com/ja-jp/dotnet/api/system.drawing.imaging.bitmapdata.scan0?view=netframework-4.8

[退会済みユーザー]

確かにマネージドバッファにコピーする手もありますが、それによって軽減できる面倒というのがあんまりなかったりします。
byte*にするのも
byte* pImg = (byte*)bmpData.Scan0.ToPointer();
で1行ですし、unsafe宣言とチェック入れるのも大した手間ではないです。
処理的には無駄なコピーが2回増えるしマネージドバッファの用意＆Marshal.Copyで記述も減ってるか微妙な所。unsafeを回避したい目的でなければさほど意味はないと思います。

マネージドでないのでIndexOutOFRangeExceptionをthrowしてくれない問題はありますが、各画素を1回走査する程度の簡単な処理ならそこまでハイリスクでもないかなと（ここは程度と好みの問題あると思います）

いずれにしてもLockBitsしたりBitmapの色の並びを意識したりアライメント気にしたりパレット弄ったり全体的には面倒なんですよね...
Indexedでないフォーマット間の変換(ex. 32bit⇔24bit)ならGraphicsで書いちゃえば簡単なんですが

[Q71]

(byte)(bitmapData.Scan0.ToInt32() & 0xff)

[退会済みユーザー]

ポインタの下8bitをbyte型にしても意味はないですねー。それ画素値じゃないですし。

[Q71]

https://docs.microsoft.com/ja-jp/dotnet/api/system.intptr.toint32?view=netframework-4.8#System_IntPtr_ToInt32
ポインタ？値です。

[Q71]

ごめんなさい。違う。あれ？unsafe、MarshalCopyしなくても画素値にアクセスできるけど、出てこない...

[Zuishin]

GetPixel でできたと思いますけど、遅いんですよね。

[Q71]

失礼しました。
https://docs.microsoft.com/ja-jp/dotnet/api/system.runtime.interopservices.marshal.readbyte?view=netframework-4.8#System_Runtime_InteropServices_Marshal_ReadByte_System_IntPtr_System_Int32_
こちらを使ってました。

[退会済みユーザー]

対象データのbyte数分メソッド呼び出すのでやっぱり遅いんじゃないかと...unsafe回避するならimihitoさんの仰るMarshal.Copyで一旦マネージドバッファにコピーするのがベストと思います。

>GetPixel でできたと思いますけど、遅いんですよね。
GetPixelとかスポイト機能くらいしか使う場面なさそうですよね。