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微軟新成果:為懶人準備的摳圖技術

時間:2005-11-27 13:57:33人氣:170作者:網友整理
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  什麼叫“摳圖”?顧名思義,所謂摳圖就是從一幅圖片中將某一部分截取出來,和另外的背景進行合成。不要小看這一工作,我們生活中的很多圖像製品都曾經經過這種加工,例如廣告等,需要設計人員將模特照片中的人像部分摳取出來,然後再和背景進行合成。事實上,摳圖在您的生活中也大有用武之地,尤其是隨著數碼相機、掃描儀等設備的普及,越來越多的人開始樂於對自己手中的照片進行各種各樣的“特殊處理”,譬如把自己的全身像摳取出來放到別的背景中,把戀人的單人照片進行摳圖後與自己的照片合成雙人照等等,都需要用到摳圖。  

  在過去,人們往往使用套索工具進行摳圖操作。作為Adobe公司的知名圖形處理軟件,PhotoShop可以對圖形進行非常精確的處理,無論要摳取的圖形有多複雜,也可以分毫不差地全部截取出來。但是,對於新手來說,PhotoShop的使用略嫌複雜,如果不經過一段時間的培訓和練習,用戶很難掌握操作的要領。為了將圖片中的某一部分取出來,用戶必須沿著對象的邊緣“剪”一圈,如果圖片本身有較多的棱角或者突起,工作的難度就會成倍增加。  

  與PhotoShop相比,Lazy Snapping的使用就要簡單多了,對於絕大多數圖形來說,隻需要三步,就可以將我們需要的內容截取出來。 


 
  摳圖三部曲

   讓我們以一幅貓的照片為例來看看這款軟件是如何簡單易用的。首先,我們按住鼠標左鍵,在需要截取的目標——貓的身上,隨意劃條線,這條線既不必準確地沿著貓的身體邊沿部分,也不必要求什麼“橫平豎直”,隻要是畫在貓身上即可。然後,在貓的身邊,也就是我們不需要的背景上,點住鼠標右鍵劃一道。幾乎在我們劃完這條線的同時,圖片中貓的部分就被套在一個取景框中了。怎麼,還有一部分沒有被選中?沒關係,您隻要在需要選中的位置再按住鼠標左鍵劃幾下,該部分就可以被選中了。

  如果圖形非常簡單的話,那麼隻需要做到這一步就可以“大功告成”了。但是現在我們的目標是一隻貓,其身體的邊沿存在少數不規則或者低對比度的邊緣,我們還需要進行第二步:微調。聽到“微調”這個詞,有的朋友可能認為會非常複雜。但事實上,這一步的操作依然非常簡單。您可以通過調節套住貓身體的取景框來更準確地選取要截取的圖片。如果您想更簡單,也可以選擇軟件的“brush”功能,在不夠準確的地方隨著邊界刷兩下,軟件就會自動將需要截取的目標圖形的邊界準確地勾畫出來。

  完成第二步操作後,圖片中貓的部分已經基本上都被取景框選中了。但如果我們仔細觀察就會發現,在前景和背景顏色不同的時候,背景的顏色往往會滲透到前景上來。在使用PhotoShop摳圖的時候,這就需要做“羽化”操作,以盡量弱化這種情況,但在大多數情況下,羽化並不能完美地解決這一問題,往往需要將前景的邊界收縮,“割”掉那些被背景顏色滲透的部分,也就是說要損失一定的前景。而在Lazy Snapping中,這一操作步驟被極大地增強並簡化了,不論前景和背景的顏色對比度是高還是低,Lazy Snapping都可以非常準確地將前景的顏色清楚地分離出來,既不會缺少一部分,也不會讓背景的顏色滲透到前景中去。  

  不過,如果您細心觀察的話,就會發現,貓的胡須並沒有被選中。這是因為貓的胡須為半透明,而且又長又細,相互之間又比較分散,因此軟件難以自動將其選中。這時就需要用到第三步操作。這一步的操作更加簡單,我們隻要用鼠標在貓胡須部位隨意塗抹兩下,將胡須部位覆蓋住,這些胡須就會被選中了。當然,嚴格地說,這並不是第三步操作的主要功能,軟件設計者之所以為軟件添加這一功能,其實更主要地是為了更好地完成前景和背景顏色的分離(Coherent Matting)。


  Lazy Snapping的基礎:Graph Cut

  Graph Cut技術是圖論中的一個概念,也是Lazy snapping這款軟件的核心技術。在軟件的第一步和第二步操作中,對前景的輪廓計算和對細節部分進行修補的操作,都是基於該技術進行的。

  首先,當一張圖被導入到Lazy snapping中時,軟件會自動采用一種被稱為“水線(watershed)”的算法對該圖進行處理。
  所謂水線,通俗地說,就是把一張圖像的梯度圖想像成為一片凹凸不平的山地,其中,顏色變化小的區域就是山脊,而顏色變化劇烈的區域就是山窪。我們知道,每一個山窪周圍必然都是一圈山脊,如果在每一個山窪的最低點打一個洞,然後通過這個洞向山窪裏注水,則經過一段時間之後,相鄰山窪裏的水必然會越過山脊連接到一起。兩個山窪之間的水連接在一起的這條線,就是水線。通過這些水線,軟件就可以把圖片分為大小不等的若幹“碎片”。我們可以注意到,每一個區域中的顏色基本上都是相同的。

  為什麼要先對圖片進行“水線”處理呢?因為我們知道,在計算機中,每一幅圖都是由無數個像素點構成的,當軟件需要分辨出圖像的前景和背景時,就需要對圖像中的所有像素點進行分析,這樣一來工作量會成立方級數增加,大大減緩處理的速度。而采用了“水線”處理之後,圖像中需要分析的就是那些被分割出的區域了,其數量比像素點要少數十倍,從而大大加快了軟件的處理速度。

  接下來,就該是用戶需要做的工作了——通過劃線,告訴計算機哪些是我們想要的前景,而哪些是我們不想要的背景。如果從像素點的角度來看,一旦我們在圖像上畫了一條線,則這條線經過的像素點被我們稱為“種子點”,這些“種子點”所涉及到的區域,則被稱為“種子區域”。接下來,我們就需要借助這些“種子區域”將圖片分為“前景區域”和“背景區域”兩大塊。利用Graph Cut優化算法,圖片上所有區域會被賦予惟一的屬性,不屬於“前景區域”就一定會屬於“背景區域”。

  在經過“水線”處理後的圖片中,我們把相鄰的區域連接在一起。而接下來Graph Cut優化算法要做的,就是嚐試將每個非“種子區域”分別與“前景區域”(或“背景區域”)之間的通路“打斷”。如果全部通路都可以被打斷,則軟件猜測該區域不屬於“前景區域”,反之則可能屬於。這樣,經過一番運算後,軟件就可以將圖形分為“前景區域”和“背景區域”兩大部分了,也就將我們所需要的前景的大致輪廓勾勒了出來。

  Graph Cut 優化的準則,考慮了每一個區域的顏色與種子區域之間的顏色相似性,顏色越像“前景區域”就越可能被分在前景。同時它也考慮了相鄰區域的顏色差別,顏色差別越大這兩個區域越可能被分開。這個優化問題可以用圖論中極大流(極小割)的方法很快解決。

  對於一張結構較為簡單的圖形來說,如果其前景和背景的對比非常明顯,且前景的形狀較為簡單,則經過前麵的處理後,前景圖形就已經被“摳”出來了。不過,如果圖片的內容較為複雜,且前景和背景之間的對比度不是很明顯的話,則需要對圖片進行進一步的微調。

  所謂進一步處理,其實就是將前景與背景之間的“邊界”清晰地確定下來。由於在此之前我們已經確定了前景的大致輪廓,因此在這裏我們隻對前景和背景相交處的邊界附近進行處理,也就是已經確定好的“前景區域”和“背景區域”之間的那一塊地帶。

  要說明的是,在前一步操作中,軟件通過“水線”算法將圖像分為一塊塊區域以加快處理的速度。而現在,由於要對圖像的邊緣部分進行調整,軟件處理的對象又變成了像素而不再是區域,以滿足處理精度方麵的要求。



  無心插柳柳成蔭

  “這是一款‘懶人’用的摳圖工具。”微軟亞洲研究院的兩位研究員孫劍和李寅笑著對記者說。確實,從這款軟件的名字“Lazy Snapping”我們就不難看出,為那些需要經常進行摳圖操作的“懶人”們造福,正是這款軟件設計的目的,不過,這卻不是最開始時設計這款軟件的初衷。用研究員李寅的話來說,這完全是一個無心插柳柳成蔭的“偶然”結果。  

  最初,李寅和孫劍都是在製作IBR(Image-based Rendering基於圖形的繪製)項目,例如同心拚圖等。在這一項目的製作過程中,李寅發現,如果想使最終的製作結果取得較好的效果,就必須將每一個圖形的邊界都定義得非常準確。為此,在最初,他們設計了一個軟件,專門用於將圖片分成很多層,將圖片前景和背景中的各種顏色都非常清晰、準確地分開,這在當時需要耗費大量的人工。由此,李寅想到,在處理圖像的過程中,雖然有部分工作因為對細節部分要求非常高而不得不通過人去手動處理,但大多數工作完全不需要過多的人為參與應該就可以完成,那麼,為什麼不將這部分工作交給計算機去做呢?  

  正是這一想法最終導致了Lazy Snapping的誕生。為了使工作可以更加簡化、快速,研究人員不僅要使軟件的精確度大幅度提高,從而在極大程度上提升了計算的速度;更為重要的是,讓使用者可以隨時看到自己操作的結果,並且及時進行修改。當他們完成了軟件的初步設計,尤其是將軟件的處理速度和操作簡易度大幅提高後,他們發現,這個軟件已不再是最初設想的那種隻能用於工作輔助的工具,而變成了一款足以獨立出來完成摳圖工作的專業軟件。接下來,研究人員不斷加強這款軟件的精確度和流暢程度,使軟件可以越來越迅速、準確地完成所需的工作。  

  在研發過程中,人們發現,由於現有的算法是對全圖進行優化,因此軟件在處理過程中容易產生錯誤。於是研究人員開始為軟件添加一些更加人性化的設計,允許用戶對局部圖形進行調整,使得軟件的處理結果可以更加準確。隨著軟件的日漸完善,研究人員又為其添加了處理半透明邊緣的能力,例如處理貓的胡須等,效果也非常好。至此,Lazy Snapping的雛形就已經大致完成了。

  在軟件初步完成後,研究人員開始征集誌願者對其進行對比測試,對比的對象是PhotoShop。當然,對比的隻是PhotoShop中的摳圖功能這一部分。測試的方法很簡單,他們將誌願人員分為兩組,一組是曾經使用過PhotoShop的,一組則是沒有使用過的。然後,對每一位人員分別進行兩段時間為5分鍾的培訓,其內容則分別為PhotoShop的摳圖功能和Lazy Snapping的使用。

  然後,每一個人分別使用兩個工具對兩組圖形進行摳取,一組要求做到最好的質量,另一組要求在一分鍾內完成任務。從測試結果來看,誌願人員掌握Lazy Snapping的速度要明顯快於掌握PhotoShop,而兩個軟件在處理精度上的差別則不是很大。不過,專業用戶表示,軟件雖然可以通過非常簡單的操作實現精度較高的處理,但其“可參與度”較低,無法進行更進一步的細致操作。 通過這次用戶調查,研究人員不僅獲得了信心,也掌握了進一步發展的方向。

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