一种单一背景图像的快速抠图方法与流程

本发明涉及虚拟现实技术领域，特别是涉及虚拟演播室、影视特效制作。

背景技术：

抠图是一种特殊的图像分割技术。图像分割只需将图片分割成前景区域与背景区域两部分，图像中的每个像素不是前景就是背景。然而，实际中在前景和背景的边界区域，往往存在前景和背景相互融合的现象，如人的头发，这部分像素的颜色c是由前景色f与背景色b线性组合得到，即：

c＝(1-α)b+αf

因此，抠图技术不但需要确定像素的前景色f，背景色b，还需确定每个像素的不透明度α。给定一幅图像，对于每个像素而言，已知的变量只有3个，即该点颜色的rgb分量，未知的变量却有7个，前景色f和背景色b的rgb值以及不透明度α，因此，该问题是一个高度病态的问题，需借助一些先验知识才能解决。

现有的方法中，使用最多的是蓝屏抠像或绿屏抠像技术。该方法中假设背景为蓝色或绿色，因此无需用户手工指定三分图，可以很容易分离背景和前景，但是该方法对于场景的光照有着比较苛刻的要求，alpha精度不高。另外一类方法则是在用户指定三分图的基础上，实现比较精细的抠图效果，包括基于颜色采样思想的抠图方法，即通过查找最近的前景样本点和背景样本点估计前景色和背景色，而后估计alpha值，如robustmatting，sharematting和贝叶斯抠图，以及基于相似性原理的抠图方法，包括poissonmatting，closedformmatting，spectralmatting。这类方法虽然alpha精度比较高，能处理复杂的自然场景，但是计算量大、难以实时，并且需要用户手工输入一个比较精细的三分图，对于实时视频流的处理并不适用。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种针对只包含单一背景颜色的图像的快速抠图方法。该方法无需像蓝屏抠像技术中假设背景色为蓝色或绿色，可自动侦测图像中的背景颜色；结合基于颜色采样的抠图技术的思想，可提高蓝屏抠像技术中的alpha值精度；并且无需人工交互指定三分图，计算速度快，可实现实时的视频抠图。

本发明所采用的技术方案为：

单一背景下的图像快速抠图方法主要包括四个步骤：背景色自动识别与前景分割，三分图自动生成，基于三分图的alpha值计算以及alpha值的优化。

背景色的自动识别通过对图像的左上、右上、左下、右下四个边界区域进行采样实现。为了减少光照的影响，首先将图像的颜色空间转换为hsi，仅利用hsi颜色空间中的h分量，即色度信息来自动识别图像的背景色。设图像的宽和高分别为w和h，分别在图像的(15,15)，(w-15，15)，(15，h-15)，(w-15，h-15)四个位置采样一个5x5的子区域，计算每个子区域的平均h值，图像背景色的h值即为四个子区域的平均h值的中值。利用计算得到的图像的背景色，对于图像中的每个像素，若像素的h值与背景色的h值的差别小于给定的阈值，则该像素属于背景区域，否则属于前景区域。这样，就实现了图像的前景与背景的分割。

基于分割的结果，通过分别对前景和背景进行腐蚀，可以自动生成一个三分图。腐蚀后的前景构成三分图中的前景部分，腐蚀后的背景构成三分图中的背景部分，剩下的像素则构成三分图中的未知区域。腐蚀的模板如图1所示，为一个5x5的矩形模板。

基于得到的三分图，计算三分图未知区域中每个像素的alpha值。具体方法为：对于三分图中未知区域的每一个像素点p，在背景区域找出离该点最近的背景点，计该点的颜色为b，在前景区域找出离该点最近得前景点，以该点为中心，选择5x5范围内的前景点，对于每一个前景点，按式(1)计算对应的α值。点p的alpha值则为所有这些点对中误差最小的α值。误差的计算如式(2)所示。

最后针对计算得到的alpha值利用引导滤波的方法进行优化，减少计算过程中的误差与噪声。引导滤波中的引导图像为原始图像，待滤波的的图像为alpha值构成的图像。

与现有技术相比，本发明的有益效益是避免了人工交互，无需指定三分图及假设背景色；减少了计算复杂度，提高了计算效率，可实现实时抠图，因此可适用于虚拟演播室等虚拟在线应用。

附图说明

图1为图像腐蚀过程中应用的5x5模板。

图2为单一背景下的图像抠图的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

如图2所示，单一背景下的图像快速抠图方法，主要包括四个步骤：背景色自动识别与图像分割，三分图自动生成，alpha值计算与基于引导滤波的alpha值优化。

输入一幅图像，首先将颜色空间转换为hsi颜色空间。若图像的宽和高分别为w和h，分别在图像的(15,15)，(w-15，15)，(15，h-15)，(w-15，h-15)四个位置采样一个5x5的子区域，计算每个子区域的平均h值。四个子区域平均h值的中值即为背景色的h值。对于图像中的每个像素，若该像素的h值与背景色的h值差别小于给定的阈值(通常取值为20)，则该像素属于背景区域，否则属于前景区域，从而实现图像的自动分割。

对于分割后得到的前景和背景，使用图1所示的模板进行腐蚀，从而自动生成一个精细的三分图。

基于生成的三分图，对于未知区域中的每个像素，查找最近的前景点和背景点，利用式(1)计算具有最小误差的alpha值。

最后，基于引导滤波的方式对计算得到的alpha值进行平滑，以减少计算过程中存在的噪声。

技术特征：

技术总结
本发明针对蓝屏抠像方法的不足，公布了一种单一背景图像的快速抠图方法。该方法包括背景色自动识别、三分图自动生成与alpha值计算三步。首先，通过对图像边界采样自动识别图像的背景色，并将RGB颜色模型转换为HSI颜色模型，减少光照的影响，从而实现前景和背景的自动分割；其次，通过分别对前景和背景的腐蚀得到一个三分图；基于三分图，基于颜色采样的思想计算出未知区域的每个像素的alpha值，最后利用引导滤波的方法对计算得到的alpha值进行平滑，减少计算中的噪声。该方法实现简单、无需用户指定背景、alpha值计算精度高、计算速度可达到实时，对于虚拟演播室、影视动画的合成具有重要意义。

技术研发人员：谭光华;蔡青宏
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：2017.03.01
技术公布日：2017.07.14