[发明专利]一种基于优化方向采样的自然图像抠图方法

说明书

技术领域

本发明涉及数字图像处理技术，特别涉及数字图像抠图技术。

背景技术

Matting即抠图，与图像融合互为逆过程，通过抠图，能够将场景中的前景对象准确的提取出来，并且合成到新的场景中。目前数字图像抠图的相关技术已经广泛应用于电影、电视、广告、杂志、视觉特效等领域。

数字图像抠图技术按是否引入了额外物理条件可以分为额外信息抠图和自然图像抠图两大类。

额外信息抠图方法有很多，但是只能用于特定场景。蓝屏技术主要用于摄影棚里，需要演员面对纯蓝色(或其它单一颜色)的屏幕进行表演，然后通过电脑制作将演员合成到场景中；闪频抠图需要快速对场景进行二次曝光，然后利用前景物体和背景物体曝光强度不同的特性进行抠图，然而该方法不能用于金属、玻璃等在曝光时有高光点的对象；阵列镜头抠图需要许多镜头同时对前景物体进行拍摄，然后利用不同视角下的信息估计出前景，该方法同样只能用于摄影棚，在露天环境中效果不好。

额外信息抠图的应用已经非常广泛了，然而自然图像抠图的方法由于已知信息少且场景信息复杂多变，当前还处于热点研究阶段。

使用自然图像抠图的图像需要事先将图像划分为三类区域：绝对背景区域、绝对前景区域，未知区域。图像中每一个像素点的像素值I均表示为，I＝αF+(1-α)B，其中α为alpha掩膜值，F为前景像素值，B为背景像素值。alpha掩膜值用于体现前景的不透明度，取值在0到1之间；当α为0，表示前景完全透明，当前像素值完全由背景决定；当α为1，表示前景完全不透明，当前像素值完全由前景决定。在绝对背景区域中，掩膜值为0；在绝对前景区域，掩膜为1；在未知区域中掩膜值需要后续求解得到；当未知区域各像素点的掩膜值确定后，抠图即完成。

自然图像抠图方法按算法思想，可以分为基于采样，基于传播以及基于采样与传播相结合三大类方法。基于采样的思想首先采集前景和背景样本点的信息，然后通过聚类、拟合、置信度计算等方式从采集到的样本点中估计出未知区域中每一个像素点最接近真实情况的前景信息和背景信息，从而根据合成公式得到alpha掩膜；基于传播的思想认为前景和背景像素的同一类样本间具有某种相似性和平滑性，因此可以通过这种性质估计出未知区域中每一个像素点属于前景和背景的概率，从而得到alpha掩膜；采样与传播相结合的方法认为，通过采样可以估计未知区域中每一像素点的前景和背景信息，然后利用像素间的相似性和平滑性可以对估计出的每个像素点的前景和背景信息进行最优化求解，使得估计出的alpha掩膜最接近真实情况。

自然图像抠图方法的抠图效果体现在是否能够求的最接近真实情况的掩膜值，而求得最接近真实情况的的基础是，需要采集到最佳的前景像素和背景像素的样本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种快速、准确的自然图像抠图方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种基于优化方向采样的自然图像抠图方法，包括以下步骤：

初始化步骤：将图像划分为绝对背景区域、绝对前景区域以及未知区域；

优化方向采样步骤：对未知区域中的每个像素点进行优化方向采样，获得各像素点的前景和背景样本集合；

前景与背景像素值选取步骤：从未知区域各个像素的前景和背景样本集合中选择一对最优的样本对作为未知区域各个像素对应的前景像素估计值和背像素估计值；

未知区域像素点的掩膜值计算步骤：根据已知的未知区域像素点的像素值以及计算得到该像素点对应的前景像素估计值和背像素估计值，最终得到各未知区域像素点的掩膜值；

其中，优化方向采样步骤的具体实现方法是，获得各像素点的前景和背景样本的集合，具体方法为：未知区域内，计算以当前像素点i为中心点的像素块的像素值Pi在0，π/4，π/2，3π/4，π，5π/4，3π/2，7π/4这8个方向上的像素值的变化速度，沿着变化速度最慢的方向的垂直方向发射射线，采集该射线与前景轮廓线和背景轮廓线的交点分别为像素点i对应的第一前景样本点与第一背景样本点，再采集前景轮廓线和背景轮廓线上距离当前像素点i最近的像素点为第二前景样本点与第二背景样本点；在前景轮廓线上，在第一前景样本点两边稀疏地各采集一个像素点，在第二前景样本点两边稀疏地各采集一个像素点；在背景轮廓线上，在第一背景样本点两边稀疏地各采集一个像素点，在第二背景样本点两边稀疏地各采集一个像素点；将在前景轮廓线上采集到的六个像素点作为前景样本集合，将在背景轮廓线上采集到的六个像素点作为背景样本集合。