五彩斑斓的黑？唠一唠单色黑与四色黑

国际惯例，写在前面。

我这次一定把 SEO 标签打满！我不允许 2024 年还搜不到如何生成单色黑二维码！

生成个二维码不是有手就行？

用代码生成二维码不是啥难事儿，据说不少人入行写的第一个看得见摸得着的程序就是生成一个二维码。公司业务后台也有个生成二维码的功能，这些二维码会被印刷，最终呈现在纸质书上。

忽然有一天业务方找过来了，说咱生成的二维码是四色黑，印刷成本高，他们在进行印刷前需要先手动处理成单色黑，问能不能一步到位从后台导出为单色黑。

咱什么大场面没见过，经过一番深思熟虑，当场在钉钉群里打出了充满智慧的一句：啥是单色黑 - -！

单色黑？四色黑？

单色黑与四色黑很容易让人觉得这是一个印刷行业特有的术语，事实上我们可能早已经接触过了。

我们在中学（可能是小学？）学过一个概念叫做色光三原色，通过将三种颜色的光叠加，我们可以得到各种颜色，由于三种颜色最终叠加成了白色，这种色彩模型也被称为加色法，现如今被广泛的应用在显示器、摄影等场景（由此形成的色彩模式被称为RGB色彩模式）。

而在印刷、绘画等领域也有我们熟知的色料三原色，它通过将青、品红、黄三种颜色的颜料叠加，同样可以得到各种颜色。

image.png

理论上，当青、品红、黄三种颜料的浓度达到最大时，得到的颜色是黑色，然而实际生产中的效果却差强人意，主要包含如下几点：

三种颜色叠加形成的黑色不纯，呈现出一种灰蒙蒙的黑色，效果不好；
通过三种颜色叠加形成的黑色更费油墨，印刷成本高；
要层叠整齐三种原色，对印刷的精度要求很高，否则边缘会出现明显的模糊；

因而之后的印刷行业在三原色的基础上追加了第四种原色即黑色。至此，基于青(Cyan)、品红(Magenta)、黄(Yellow)、黑(blacK)四种原色的彩印色彩模式诞生，从四种颜色的英文单词中各取一个字母，得到了它的名字：CMYK色彩模式。

这也就能解释为什么如今的彩色打印机墨水是这四种颜色了，比如 👉小米家的喷墨打印机墨水（真不是广告……

CMYK色彩模式通过 4 个百分比来描述一种颜色在四原色上的浓度，当四原色中的青、品红、黄原色分别为 0%，而黑色为 100%时，形成的黑色就被成为单色黑，它被描述为CMYK(0% 0% 0% 100%)。（事实上对黑色通道的值倒也不严格要求为 100%，人眼并不能分辨出饱和度上的细微差异）

如前所述，它只需要一层油墨，且对印刷的精度要求也没有那么高，因而在彩色印刷中的大面积黑色通常会优先选择单色黑。

那么问题来了：我们生成的是个啥？

通过将生成的二维码导入 PhotoShop 并查看色彩模式发现，它被识别为索引模式。这是一种颜色数量十分有限的色彩模式，通常被应用于网页展示等场景。得益于色彩有限，其体积相对较小。但当有更多的色彩需求时，通常会选择将索引模式转换为RGB模式处理，由于我们后文有在黑白二维码上增加彩色水印的需求，这里将不过多的讨论索引模式，而是以更常见的RGB模式进行替代。

在 RGB 色彩模式中，通常使用 RGB(0, 0, 0) 来表示黑色（有时也会使用十六进制的#000000来表示，本质上是同一个东西），那么它和单色黑到底有什么差异呢？

我们可以在 Wiki 上查询到下述的 RGB 与 CMYK 转换公式，然而很可惜，一方面如果你使用专业软件尝试处理你会发现转换结果总是对不上，而另一方面则是事实上 RGB 色彩模式能描述的颜色范围要远大于 CMYK 色彩模式。

image.png

在 PhotoShop 中打开一个 RGB(0, 0, 0) 图片，吸取其中黑色的部分并查看 CMYK 色彩模式下的色值，你可能会看到多种不同的结果，这些结果均是参考ICC 色彩描述文件（国际色彩印刷协会色彩工业标准）来进行计算的，你可以在这个网站选择不同的描述文件尝试换算，得到的结果均是不同的。目前行业中比较常见的是 Japan Color 2001 Coated。

image.png

这种由 4 个通道叠加而成的黑色，就是前文所述的四色黑了（其实无论切换什么ICC规范文件，RGB(0, 0, 0) 大概都是不会被转换成单色黑的）。

下面是在 Adobe Acrobat 中打开一个 RGB(0, 0, 0) 填充的图片并查看其 4 个通道的颜色信息的截图，可以看到在已经关闭黑色通道和黄色通道的情况下依然能看到其它颜色的二维码，这意味着这个二维码的黑色是通过多种颜色叠加实现的。

image.png

偷个懒：灰度模式

在了解了印刷与色彩的基本原理后，我们很容易理解我们应该使用 CMYK 色彩模式，不过在这之前我想先偏个题。如果对文件格式没有特定要求同时也不准备在二维码上叠加其它彩色内容，实际上有一个偷懒的方法——灰度模式。

灰度模式通常使用 8 位灰度通道来表示，它将 0 表示为黑色，255 表示为白色，而 127 则表示为灰色。

看起来它和 CMYK 色彩模式一点鸟关系都没有，但换个角度思考，灰度模式只有黑白灰三种颜色不是刚好对应了 CMYK 色彩模式中黑色通道的不同饱和度吗？

也正是因为如此，事实上我们只需要将二维码转换为灰度模式，在 Adobe Acrobat 中通过输出预览查看分层信息时就能够发现该图片的黑色均位于 K 通道，也就是我们想要的单色黑。

image.png

TIFF 文件规范

世界并不总是如我所愿，二维码中间增加彩色的 App Logo 是很常见的需求，如果整张图片使用灰度模式，则彩色的 Logo 也会丢失色彩信息。

在印刷场景理应使用 CMYK 色彩模式，但却有一个门槛：并非所有图像文件格式都支持 CMYK 色彩模式。

好巧不巧业务方还真就有这么个诉求，他们希望产出的二维码是 tif 格式的，因为这样的文件更方便用于在 Adobe InDesign 中进行排版工作。

通过 TIFF 文件格式实现带彩色 Logo 的单黑二维码有两种思路：

在同一个 TIFF 文件中保留两个图像文件，一个使用灰度模式，一个使用 App Logo 原有的色彩模式（如RGB模式）；
使用 CMYK 色彩模式重绘二维码部分与 App Logo 部分；

IFD

通过阅读 TIFF 6.0 规范我们可以得知一个 TIFF 文件由多个 IFD（Image File Directory）组成，每个 IFD 都可以有自己的色彩模式，通过这个方法我们可以实现在一个文件中同时包含灰度与RGB等多个色彩模式。

这里我直接引用了柴树杉大佬的博客中的内容，有趣的是一个IFD通常有多个 Tag 来描述图像的属性，而定义色彩模式的却并不是某个特定的 Tag，而是通过一组 Tag 联合定义的。

+------------------------------------------------------------------------------+
|                           TIFF Structure                                     |
|  IFH                                                                         |
| +------------------+                                                         |
| | II/MM            |                                                         |
| +------------------+                                                         |
| | 42               |      IFD                                                |
| +------------------+    +------------------+                                 |
| | Next IFD Address |--->| IFD Entry Num    |                                 |
| +------------------+    +------------------+                                 |
|                         | IFD Entry 1      |                                 |
|                         +------------------+                                 |
|                         | IFD Entry 2      |                                 |
|                         +------------------+                                 |
|                         |                  |      IFD                        |
|                         +------------------+    +------------------+         |
|     IFD Entry           | Next IFD Address |--->| IFD Entry Num    |         |
|    +---------+           +------------------+   +------------------+         |
|    | Tag     |                                  | IFD Entry 1      |         |
|    +---------+                                  +------------------+         |
|    | Type    |                                  | IFD Entry 2      |         |
|    +---------+                                  +------------------+         |
|    | Count   |                                  |                  |         |
|    +---------+                                  +------------------+         |
|    | Offset  |--->Value                         | Next IFD Address |--->NULL |
|    +---------+                                  +------------------+         |
|                                                                              |
+------------------------------------------------------------------------------+

不过考虑到多个 IFD 组成的 TIFF 文件体积会比较大，这里就不考虑这种方案了。（~~其实是因为我找到的库在合并时均选择了把多个素材合并为一个 IFD……不然我还挺想在灰度模式上直接偷个懒叠一层 logo 的……~~

基于 CMYK 色彩模式的实现

在 TIFF 6.0 规范的拓展章节中可以看到 TIFF 文件格式明确的支持 CMYK 色彩模式，而基于 CMYK 色彩重绘二维码反倒是没啥可讲的，这里就不多赘述，直接上代码。

package main

import (
    "bytes"
    "image"
    "image/color"
    "image/draw"
    "image/png"
    "os"

    "github.com/skip2/go-qrcode"
    "github.com/sunshineplan/tiff"
)

func main() {
    // 生成二维码
    qrCode, err := qrcode.Encode("https://www.xiongyuchi.com/2024/06/18/wu-cai-ban-lan-de-hei-lao-yi-lao-dan-se-hei-yu-si-se-hei/", qrcode.Medium, 2048)
    if err != nil {
        panic(err)
    }

    // 转换为图像对象
    img, err := png.Decode(bytes.NewReader(qrCode))
    if err != nil {
        panic(err)
    }

    // 打开水印文件
    wmb_file, err := os.Open("../watermark.png")

    if err != nil {
        panic(err)
    }

    defer wmb_file.Close()

    // 解码水印文件
    wmb_img, err := png.Decode(wmb_file)

    if err != nil {
        panic(err)
    }

    // 写入水印
    offset := image.Pt((img.Bounds().Dx() - wmb_img.Bounds().Dx()) / 2, (img.Bounds().Dy() - wmb_img.Bounds().Dy()) / 2)
    b := img.Bounds()
    m := image.NewCMYK(b)

    draw.Draw(m, b, img, image.ZP, draw.Src)
    draw.Draw(m, wmb_img.Bounds().Add(offset), wmb_img, image.ZP, draw.Over)

  // case 1 导出 cmyk 色值模式的 TIFF 文件
    SaveAsTiff(m, "result_cmyk.tif")

  // case 2 导出灰度模式的 TIFF 文件
    grayImg := ConvertToGrayScale(m)
    SaveAsTiff(grayImg, "result_gray.tif")

}

// 将图像转换为 CMYK 色彩模式
func ConvertToCMYK(img image.Image) *image.CMYK {
    bounds := img.Bounds()
    cmykImg := image.NewCMYK(bounds)

    for y := bounds.Min.Y; y < bounds.Max.Y; y++ {
        for x := bounds.Min.X; x < bounds.Max.X; x++ {
            originalColor := img.At(x, y)
            cmykColor := color.CMYKModel.Convert(originalColor)
            cmykImg.Set(x, y, cmykColor)
        }
    }

    return cmykImg
}

// 将图像转换为灰度模式
func ConvertToGrayScale(img image.Image) *image.Gray {
    bounds := img.Bounds()
    grayImg := image.NewGray(bounds)

    for y := bounds.Min.Y; y < bounds.Max.Y; y++ {
        for x := bounds.Min.X; x < bounds.Max.X; x++ {
            originalColor := img.At(x, y)
            grayColor := color.GrayModel.Convert(originalColor)
            grayImg.Set(x, y, grayColor)
        }
    }

    return grayImg
}

// 保存图像为 TIFF 文件
func SaveAsTiff(img image.Image, outputPath string) error {
    file, err := os.Create(outputPath)
    if err != nil {
        return err
    }
    defer file.Close()

    return tiff.Encode(file, img, &tiff.Options{Compression: tiff.LZW})
}

最终效果：~~我焯！崩~~

image.png