摘   要： 針對(duì)在背景圖像開出任意形狀的剪裁區(qū)域（膜版）填充前景圖像的問題，采用多圖層方法，在背景和前景圖像之間增加一個(gè)存放膜版的圖層，提出一種多圖層任意形狀膜版的圖像疊加技術(shù)，介紹了其工作原理和具體算法，并討論了其運(yùn)行實(shí)例。
關(guān)鍵詞： 圖像疊加  區(qū)域連通性  膜版  多圖層

　　在處理圖像的過程中，常常需要在背景圖像開出任意形狀的剪裁區(qū)域來(lái)填充前景圖像，使得前景圖像在背景給定范圍內(nèi)顯示和活動(dòng)。Photoshop軟件采用套索工具，微軟的畫圖軟件采用“任意形狀的剪裁”工具，二種方式均可獲得任意形狀的圖像。但這種疊加需求實(shí)際上是想要事先獲得一個(gè)任意形狀外輪廓，然后在背景的該輪廓區(qū)域內(nèi)填充上前景圖像，現(xiàn)有軟件較難實(shí)現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)起來(lái)較繁瑣。
　　為解決該問題，本文借鑒Photoshop軟件的多圖層制作思想，先提取或勾勒出任意形狀的剪裁區(qū)域（膜版），形成底色為白色的膜版圖層。再通過程序?qū)υ搱D層進(jìn)行二值化、求取膜版外接矩形、消除其內(nèi)部白色孤立點(diǎn)、利用區(qū)域連通性消除其內(nèi)部白色孤立區(qū)域等處理，形成黑色膜版，再將它與背景和前景疊加獲得復(fù)合圖像。本文給出了該疊加技術(shù)的工作原理和具體算法，通過實(shí)例說(shuō)明達(dá)到的效果，并討論了該技術(shù)的擴(kuò)展使用。
1  多圖層膜版疊加技術(shù)的工作原理
　　本疊加技術(shù)的主要思路是，先由美工人員運(yùn)用Photoshop的套索工具或畫圖軟件的“任意形狀的剪裁”工具在一張包含有目標(biāo)膜版的原始圖像上，提取所需的任意形狀的剪裁區(qū)域，然后復(fù)制、粘貼到一個(gè)底色為白色的圖像上，此時(shí)膜版內(nèi)部仍保留原始圖像。當(dāng)圖像結(jié)構(gòu)和顏色復(fù)雜時(shí)，如果采用手工將膜版內(nèi)部填充或涂成黑色則很繁瑣。因此這里采取專門的處理算法可將膜版內(nèi)部全部變成黑色，得到的就是完整的膜版圖層，再將膜版圖像存成文件即可。進(jìn)行圖像疊加時(shí)，判斷背景上的點(diǎn)是否屬于膜版區(qū)域，如果屬于，則把背景上該點(diǎn)顏色用前景上相應(yīng)點(diǎn)顏色替代，就可達(dá)到預(yù)期的疊加目標(biāo)。整個(gè)多圖層膜板疊加技術(shù)的工作原理如圖1所示。

　　膜版處理算法先對(duì)膜版原始圖像進(jìn)行二值化，變成白色或黑色，再消除膜版內(nèi)部白色孤立奇異點(diǎn)（四周8個(gè)鄰點(diǎn)均為黑色的白色點(diǎn)）。求取膜版的外接矩形是為了加快處理速度。為消除膜版內(nèi)部的白色區(qū)域（白色空洞），利用區(qū)域連通性原理對(duì)膜版外接矩形內(nèi)的白色點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域連通性計(jì)算，獲得白色點(diǎn)的連通標(biāo)記。由于膜版內(nèi)部白色區(qū)域點(diǎn)的連通標(biāo)記大于膜版外部白色點(diǎn)的連通標(biāo)記，由此判定該白色點(diǎn)為膜版內(nèi)部點(diǎn)，可變成黑色，從而消除膜版內(nèi)的白色空洞，產(chǎn)生完整的黑色膜版，為疊加準(zhǔn)備好所需的膜版圖層。
2  具體算法
2.1 膜版圖像二值化
　　對(duì)膜版原始圖像進(jìn)行二值化，對(duì)圖層每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行處理，保留白色和黑色點(diǎn)，把非白非黑的點(diǎn)顏色變成黑色。
2.2 消除膜版內(nèi)白色孤立點(diǎn)
　　二值化后的膜版圖像可能存在一些白色孤立點(diǎn)，會(huì)影響后面的疊加處理，因此需消除。消除方法是對(duì)圖像中每個(gè)白色點(diǎn)判斷其四周8個(gè)鄰點(diǎn)是否均為黑色，如果是，則將該點(diǎn)變成黑色。
2.3 求取膜版的外接矩形
　　為縮小后面區(qū)域連通性計(jì)算的范圍，需要求取膜版的外接矩形，即獲得膜版的最左邊界點(diǎn)和最右邊界點(diǎn)的橫坐標(biāo)Xmin、Xmax及最上邊界點(diǎn)和最下邊界點(diǎn)的縱坐標(biāo)Ymin、Ymax。
2.4 區(qū)域連通性計(jì)算
　　為消除膜版內(nèi)部的白色區(qū)域，同時(shí)避免錯(cuò)誤地消除膜版外部的白色點(diǎn)，采用4鄰域法[1][2]計(jì)算圖層中外接矩形以內(nèi)白色點(diǎn)所屬的連通區(qū)域標(biāo)記。這里采用的技巧：將膜版外接矩形向外擴(kuò)大1個(gè)象素，得到外擴(kuò)矩形。求取膜版的外擴(kuò)矩形如圖2所示。該外擴(kuò)矩形上都是白色點(diǎn)，先將這些點(diǎn)的連通區(qū)域標(biāo)記賦為1，再計(jì)算外接矩形內(nèi)白色點(diǎn)的連通區(qū)域標(biāo)記。這樣外接矩形以內(nèi)而膜版以外的白色點(diǎn)的標(biāo)記肯定為1，膜版內(nèi)部白色區(qū)域的標(biāo)記將大于1。圖2中，A點(diǎn)為膜版以外的白色點(diǎn)，C點(diǎn)為膜版內(nèi)的白色區(qū)域中的點(diǎn)，B點(diǎn)為白色孤立點(diǎn)。

　　計(jì)算區(qū)域連通性的算法描述如下：
　　(1)對(duì)連通標(biāo)記數(shù)組初始化，外擴(kuò)矩形四邊上的點(diǎn)標(biāo)記為1，外擴(kuò)矩形內(nèi)部黑色點(diǎn)的標(biāo)記為0。
　　(2)從左至右、從上到下掃描圖像。
　　(3)對(duì)于每行的各點(diǎn)，如果某點(diǎn)的象素值為白色，則：如果上面點(diǎn)和左面點(diǎn)有一個(gè)標(biāo)記，則復(fù)制該標(biāo)記；如果2點(diǎn)有相同的標(biāo)記，則復(fù)制該標(biāo)記；如果2點(diǎn)有不同的標(biāo)記，則復(fù)制2點(diǎn)中較小標(biāo)記；將2標(biāo)記寫入等價(jià)表中作為等價(jià)標(biāo)記；否則給這個(gè)象素點(diǎn)分配一個(gè)新標(biāo)記，并將這一標(biāo)記寫入等價(jià)表。
　　第一遍從上到下4連通序貫的相關(guān)Delphi代碼如下：
　　MaxEquValue：=1；//連通標(biāo)記變量，初始為1
　　for j：=Ymin to Ymax do
　　　    for i：=Xmin to Xmax do
　　　    begin
　　　    if ImgTempGood.Canvas.Pixels[i，j]=clWhite then //是否白色
　　　　　begin
　　　　　if(ImgTempGood.Canvas.Pixels[i，j-1]=clBlack) and
　　    　　　  (ImgTempGood.Canvas.Pixels[i-1，j]=clBlack) then
　　      begin //上點(diǎn)和左點(diǎn)均為黑色點(diǎn)
　　　　　      MaxEquValue：=MaxEquValue+1；  //新的連通標(biāo)記
　　    　　　  EquTable[i，j]：=MaxEquValue；  //賦值到標(biāo)記數(shù)組
　　　　end
　　else if (ImgTempGood.Canvas.Pixels[i，j-1]=clWhite)
　　    and (ImgTempGood.Canvas.Pixels[i-1，j]=clWhite) then
　　    begin 　　　　　　 //上點(diǎn)和左點(diǎn)同時(shí)為白色點(diǎn)
　　　　    Lj_1：=EquTable[i，j-1]；  //上邊點(diǎn)的標(biāo)記
　　　　　Li_1：=EquTable[i-1，j]；  //左邊點(diǎn)的標(biāo)記
　　　   　if(Li_1>0) and (Lj_1>0) then  //標(biāo)記同時(shí)存在
     　　begin
     　　   　if Li_1=Lj_1 then   //上點(diǎn)和左點(diǎn)標(biāo)記相同
   　　　　　　EquTable[i，j]：=Li_1
　　　　　else  //上點(diǎn)和左點(diǎn)標(biāo)記不相同，取二者中小的
 　　　　　　　EquTable[i，j]：=MIN(Li_1，Lj_1)；
  　　end；
    end  //end for else if
else   //上點(diǎn)或左點(diǎn)只有一個(gè)為白色點(diǎn)
begin
　　   //上點(diǎn)為1，且有標(biāo)記L，則該點(diǎn)的標(biāo)記也為L(zhǎng)，上點(diǎn)優(yōu)先
   　　if(ImgTempGood.Canvas.Pixels[i，j-1]=clWhite) and
  　　　　(EquTable[i，j-1]>0) then
　　　　  EquTable[i，j]：=EquTable[i，j-1]
　　　　　　   //左點(diǎn)為1，且有標(biāo)記L，則該點(diǎn)的標(biāo)記也為L(zhǎng)
　　   else if(ImgTempGood.Canvas.Pixels[i-1，j]=clWhite) and
　　　     　(EquTable[i-1，j]>0) then
　　　　　  EquTable[i，j]：=EquTable[i-1，j]；
　　　　end；//end for else
　　   end；//end for if
end；//end for i
　　(4)考慮下一行，則重復(fù)第(3)步。
　　(5)從下到上掃描圖像，重復(fù)(3)、(4)步。
　　(6)在等價(jià)表的每一等價(jià)集中找到該等價(jià)集中最低的標(biāo)記。
　　(7)掃描圖像，用等價(jià)表中的最低標(biāo)記取代每一標(biāo)記，即標(biāo)記出較大的連通域。
2.5 消除膜版內(nèi)白色區(qū)域
　　對(duì)外接矩形內(nèi)各點(diǎn)，判斷其連通標(biāo)記是否大于1，若是，則說(shuō)明該點(diǎn)是膜版內(nèi)部白色點(diǎn)(空洞點(diǎn))，則置為黑色。
2.6 多圖層疊加
　　圖層疊加時(shí)，對(duì)于膜版外接矩形內(nèi)各點(diǎn)，如果是黑色點(diǎn)，則用該點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的前景點(diǎn)顏色去替代背景上相應(yīng)點(diǎn)的顏色來(lái)完成圖像的復(fù)合疊加。相關(guān)代碼如下：
　　for y：=Ymin to Ymax do
　　for x：=Xmin to Xmax do
　　　　　　　　　　　//點(diǎn)(x，y)是否屬于模版區(qū)域?
　　if ImgTempGood.Canvas.Pixels[x,y]=clBlack then
　　ImgObject.Canvas.Pixels[x，y]：=ImgForgrd.Canvas.Pixels[x，y]；
　　　　　　　　　　　　   //背景圖像上屬于膜版區(qū)域的點(diǎn)填充成前景顏色
3  運(yùn)行實(shí)例
　　本算法采用Delphi7實(shí)現(xiàn)，一個(gè)疊加的運(yùn)行實(shí)例如圖3所示。圖中，B、T0、F分別是背景、膜版的原始圖像及前景，圖T1是二值化后的膜版圖像，圖T2是去掉白色空洞后的膜版。從圖中可看到二值化后的膜版包含許多白色孤立點(diǎn)和白色區(qū)域，需要消除掉。圖O是最后疊加產(chǎn)生的合成結(jié)果。有關(guān)本疊加技術(shù)的擴(kuò)展使用討論如下：

　　(1)上述方法是針對(duì)在背景上開一個(gè)裁減窗口設(shè)計(jì)的。如果想開多個(gè)不交叉的裁減窗口，同樣可為每個(gè)裁減窗口準(zhǔn)備一個(gè)膜版圖層，分別把前景、背景和每個(gè)膜版疊加。還可通過在膜版圖層移動(dòng)膜版的位置，實(shí)現(xiàn)前景被移動(dòng)過濾的效果。(2)當(dāng)多個(gè)裁減窗口有交叉部分，就要注意事先安排好各膜版對(duì)應(yīng)前景的遮擋關(guān)系，然后程序依照預(yù)定的前后順序進(jìn)行疊加。(3)本疊加技術(shù)可用于人物拍攝時(shí)，在背景上給出藝術(shù)化外輪廓，其內(nèi)部區(qū)域供被拍攝者來(lái)拍照。也可用于電視節(jié)目的制作，屏幕上留出專門形狀的區(qū)域來(lái)播放其他文字或視頻圖像。還可用于游戲制作程序，屏幕上限制某區(qū)域，供顯示游戲中人物或動(dòng)畫。
4  結(jié)  論
　　本文采用多圖層方法，在背景和前景之間增加一個(gè)膜版圖層來(lái)過濾前景實(shí)現(xiàn)圖像復(fù)合，利用區(qū)域連通性原理消除膜版內(nèi)部白色孤立區(qū)域，產(chǎn)生黑色膜版。這些技術(shù)的運(yùn)用只是圖像疊加處理中的部分方法，起到拋磚引玉的效果。
參考文獻(xiàn)
1   賈云得.機(jī)器視覺.北京：科學(xué)出版社，2000
2   童曉陽(yáng)，楊名利.人臉輪廓定位和歸一化的研究.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2005；17(3)