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OpenCV實(shí)現(xiàn)圖像背景虛化效果原理詳解

 更新時(shí)間：2022年03月21日 09:05:06   作者：Mr.Winter`  
相信用過(guò)相機(jī)的同學(xué)都知道虛化特效，這是一種使焦點(diǎn)聚集在拍攝主題上，讓背景變得朦朧的效果。本文將詳細(xì)介紹一些這一效果的實(shí)現(xiàn)原理以及代碼，需要的可以參考一下

0 寫(xiě)在前面

相信用過(guò)相機(jī)的同學(xué)都知道虛化特效，這是一種使焦點(diǎn)聚集在拍攝主題上，讓背景變得朦朧的效果，例如本文最后實(shí)現(xiàn)的背景虛化效果

相機(jī)虛化特效背后的原理是什么？和計(jì)算機(jī)視覺(jué)有什么關(guān)系？本文帶你研究這些問(wèn)題。

1 小孔成像

小學(xué)我們就知道，沒(méi)有光就不存在圖像，為了產(chǎn)生圖像，場(chǎng)景必須有一個(gè)或多個(gè)、直接或間接的光源。

如圖所示，光照主要分為三類：

  • 散射
  • 直接光照
  • 漫反射

在獲得光源后，將產(chǎn)生從物體到檢測(cè)平面的光線。

由于從物體上某點(diǎn)A出發(fā)存在無(wú)數(shù)條四散的光線到達(dá)檢測(cè)平面，因此可以認(rèn)為A的成像點(diǎn)A’均勻地分布在成像平面上，同理其他點(diǎn)亦然。所以這種情況下，檢測(cè)平面上是無(wú)數(shù)張物體圖像的混疊，導(dǎo)致成像模糊甚至無(wú)法成像。

面對(duì)一張白紙上看不到你的臉，不是因?yàn)榘准埳蠜](méi)有來(lái)自于你的光線，而是因?yàn)閬?lái)自于你不同部分的光線在白紙上產(chǎn)生了重疊，不信你試試？

那如何在白紙上成像？

其實(shí)非常簡(jiǎn)單，采用小學(xué)就嘗試過(guò)的小孔成像

本質(zhì)上小孔相當(dāng)于一個(gè)濾光器，僅保留從物點(diǎn)發(fā)出的少數(shù)光線，此時(shí)應(yīng)能獲得清晰的圖像。

2 光學(xué)成像

小孔成像的缺陷是成像光線較少，亮度低。為了既能獲得較多光線，又不讓像點(diǎn)四散在檢測(cè)面上造成影像重疊，引入具有聚光性的透鏡。透鏡成像與小孔成像的本質(zhì)都是避免因像點(diǎn)四散導(dǎo)致的無(wú)法成像，前者利用聚光，后者則利用濾光。

現(xiàn)代相機(jī)在應(yīng)用上通常使用透鏡成像，但不管是透鏡成像還是小孔成像，都是計(jì)算機(jī)視覺(jué)研究的基本模型和假設(shè)，例如透視幾何、相機(jī)內(nèi)參矩陣、畸變修正等等，因此本節(jié)對(duì)于建立機(jī)器視覺(jué)的研究思維很有幫助。

3 虛化效果

介紹完前面的基礎(chǔ)知識(shí)，終于開(kāi)始圖像虛化特效的原理啦！

理想透鏡應(yīng)保證光線聚焦于一點(diǎn)——焦點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)不會(huì)產(chǎn)生任何成像混疊，圖像最清晰。在焦點(diǎn)前后光線開(kāi)始四散，形成不同程度的成像重疊區(qū)域，稱為彌散圓，對(duì)于人眼而言，在一定范圍內(nèi)影象產(chǎn)生的模糊是不能辨認(rèn)的，不能辨認(rèn)的彌散圓范圍稱為容許彌散圓

當(dāng)對(duì)被攝主體平面調(diào)焦時(shí)，因?yàn)槿菰S彌散圓的存在，在一定離焦范圍內(nèi)，成像仍然清晰，這個(gè)范圍稱為焦深。調(diào)整成像面和鏡頭距離，使成像面處于焦深內(nèi)，物體可以清晰成像的過(guò)程，稱為對(duì)焦。

類似地，對(duì)被攝物體而言，位于調(diào)焦物平面前后的能相對(duì)清晰成像的景物間縱深距離稱為景深。圖像虛化效果就和這個(gè)景深有關(guān)系！

  • 景深越小，被攝物體前后能清晰成像的范圍越小，也就相應(yīng)地出現(xiàn)朦朧虛化的效果
  • 景深越大，被攝物體前后能清晰成像的范圍越大，也就沒(méi)有虛化效果

如何調(diào)節(jié)景深？記住一句話：光圈越大景深越小，所以拿手機(jī)拍照的時(shí)候，大光圈也就代表了虛化效果！

所以下次有機(jī)會(huì)給女生拍照的話，請(qǐng)先確認(rèn)

“請(qǐng)問(wèn)你喜歡小景深還是大景深？”

4 代碼實(shí)戰(zhàn)

相機(jī)背景虛化特效在圖像處理中可以采用引導(dǎo)濾波器實(shí)現(xiàn)，源碼如下。

//引導(dǎo)濾波器
Mat guidedFilter(Mat& srcMat, Mat& guidedMat, int radius, double eps)
{
    srcMat.convertTo(srcMat, CV_64FC1);
    guidedMat.convertTo(guidedMat, CV_64FC1);
    // 計(jì)算均值
    Mat mean_p, mean_I, mean_Ip, mean_II;
    boxFilter(srcMat, mean_p, CV_64FC1, Size(radius, radius));                      // 生成待濾波圖像均值mean_p 
    boxFilter(guidedMat, mean_I, CV_64FC1, Size(radius, radius));                   // 生成引導(dǎo)圖像均值mean_I   
    boxFilter(srcMat.mul(guidedMat), mean_Ip, CV_64FC1, Size(radius, radius));      // 生成互相關(guān)均值mean_Ip
    boxFilter(guidedMat.mul(guidedMat), mean_II, CV_64FC1, Size(radius, radius));   // 生成引導(dǎo)圖像自相關(guān)均值mean_II
    // 計(jì)算相關(guān)系數(shù)、Ip的協(xié)方差cov和I的方差var------------------
    Mat cov_Ip = mean_Ip - mean_I.mul(mean_p);
    Mat var_I = mean_II - mean_I.mul(mean_I);
    // 計(jì)算參數(shù)系數(shù)a、b
    Mat a = cov_Ip / (var_I + eps);
    Mat b = mean_p - a.mul(mean_I);
    // 計(jì)算系數(shù)a、b的均值
    Mat mean_a, mean_b;
    boxFilter(a, mean_a, CV_64FC1, Size(radius, radius));
    boxFilter(b, mean_b, CV_64FC1, Size(radius, radius));
    // 生成輸出矩陣
    Mat dstImage = mean_a.mul(srcMat) + mean_b;
    return dstImage;
}

關(guān)于引導(dǎo)濾波器的相關(guān)原理我們下次再開(kāi)新的章節(jié)闡述。

主函數(shù)內(nèi)調(diào)用濾波器即可，效果如文首所示。

int main()
{
    Mat resultMat; 
    Mat vSrcImage[3], vResultImage[3];
    Mat vResultImage[3];    
    Mat srcImage = imread("1.jpg");
    imshow("源圖像", srcImage);
    // 對(duì)源圖像進(jìn)行通道分離，并對(duì)每個(gè)分通道進(jìn)行引導(dǎo)濾波
    split(srcImage, vSrcImage);
    for (int i = 0; i < 3; i++)
    {
        Mat tempImage;
        vSrcImage[i].convertTo(tempImage, CV_64FC1, 1.0 / 255.0);
        Mat cloneImage = tempImage.clone();
        Mat resultImage = guidedFilter(tempImage, cloneImage, 5, 0.3);
        vResultImage[i] = resultImage;
    }
    // 將分通道導(dǎo)向?yàn)V波后結(jié)果合并
    merge(vResultImage, 3, resultMat);
    imshow("背景虛化特效", resultMat);
    waitKey(0);
    return 0;
}

一個(gè)小小的圖像虛化特效，背后牽扯出光學(xué)成像的各種原理，構(gòu)建了計(jì)算機(jī)視覺(jué)模型的地基。正如我們每個(gè)人一樣，也許你覺(jué)得自己很渺小，說(shuō)不定也是別人的中流砥柱呢！

到此這篇關(guān)于OpenCV實(shí)現(xiàn)圖像背景虛化效果原理詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)OpenCV圖像背景虛化內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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