如何用Python OpenCV实现Hard Light与HSL混合模式的灰度图着色？

需求说明 #

• 处理对象：可能带有Alpha通道的灰度图（仅含亮度信息，无色彩）
• 着色目标：用指定RGB颜色生成保留原灰度图明暗特征的单色调图像
• 边界情况：若无灰度信息（或输入为纯色/空白图），则生成与原图尺寸一致的目标颜色填充图

现有问题 #

我尝试的代码生成结果过暗，无法达到GIMP 2的着色效果：

import cv2
import numpy as np

def colorize(img, rgb):
    grey = img[..., 0]
    channels = [grey * (channel / 256) for channel in rgb[::-1]]
    
    if img.shape[2] == 4:
        channels.append(img[..., 3])
    
    return np.dstack(channels).astype(np.uint8)

注：原图像使用cv2.IMREAD_UNCHANGED加载（带透明度），目标RGB值为(128, 192, 255)

研究方向与现有实现 #

经分析，正确的着色方式有两种：

1. Hard Light混合模式：创建目标颜色的填充图，与原图以Hard Light模式融合
2. HSL色彩替换：将原图的色相（Hue）和饱和度（Saturation）替换为目标颜色的对应分量，保留原图的亮度（Lightness）

我已自行实现了部分混合模式，但纯numpy实现效率不足，无法满足GUI实时着色需求：

import numpy as np
import cv2


def scale_down(base: np.ndarray, top: np.ndarray) -> np.ndarray:
    return base / 255, top / 255


def scale_up(img: np.ndarray) -> np.ndarray:
    return (img * 255).astype(np.uint8)


def blend_overlay(base: np.ndarray, top: np.ndarray) -> np.ndarray:
    mask = base >= 0.5
    result = np.zeros_like(base)
    result[~mask] = (mult_2 := (2 * base * top))[~mask]
    result[mask] = (2 * base + 2 * top - mult_2 - 1)[mask]
    return result


def blend_hardlight(base: np.ndarray, top: np.ndarray) -> np.ndarray:
    return blend_overlay(top, base)


def blend_multiply(base: np.ndarray, top: np.ndarray) -> np.ndarray:
    return base * top


def blend_screen(base: np.ndarray, top: np.ndarray) -> np.ndarray:
    return base + top - base * top


def blend_softlight(base: np.ndarray, top: np.ndarray) -> np.ndarray:
    return (1 - 2 * top) * base**2 + 2 * base * top


def blend_colorburn(base: np.ndarray, top: np.ndarray) -> np.ndarray:
    result = np.zeros_like(base)
    result[ones := base == 1.0] = 1
    result[zeros := top == 0.0] = 0
    mask = (~ones == ~zeros) == (ones == 0)
    result[mask] = 1 - np.minimum(1, (1 - base[mask]) / top[mask])
    return result

求助内容 #

寻求基于cv2和numpy的高效实现：

• Hard Light混合模式的灰度图着色方案
• HSL色彩替换模式的灰度图着色方案

注：该功能用于Python+PyQt6开发的AI井字棋游戏，需支持GUI元素的实时自定义着色

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Ξένη Γήινος