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用 Python 给头像加上圣诞帽

Yestone 邑石网正版图库

冰不语,公众号【CVPy】分享OpenCV的一些有意思的东西

引言

去年圣诞节,大家纷纷@官方微信给自己的头像加上一顶圣诞帽。当然这种事情用很多 P 图软件都可以做到。但是作为一个学习图像处理的技术人,还是觉得我们有必要写一个程序来做这件事情。而且这完全可以作为一个练手的小项目,工作量不大,而且很有意思。

用到的工具

  • OpenCV(毕竟我们主要的内容就是 OpenCV...)
  • dlib(前一篇文章刚说过,dlib 的人脸检测比 OpenCV 更好用,而且 dlib 有 OpenCV 没有的关键点检测。)

用到的语言为 Python。但是完全可以改成 C++ 版本,时间有限,就不写了。有兴趣的小伙伴可以拿来练手。

流程一、素材准备

首先我们需要准备一个圣诞帽的素材,格式最好为 PNG,因为 PNG 的话我们可以直接用 Alpha 通道作为掩膜使用。我们用到的圣诞帽如下图:

我们通过通道分离可以得到圣诞帽图像的 alpha 通道。代码如下:

r,g,b,a = cv2.split(hat_img) 
  rgb_hat = cv2.merge((r,g,b))
  
  cv2.imwrite("hat_alpha.jpg",a)

为了能够与 rgb 通道的头像图片进行运算,我们把 rgb 三通道合成一张 rgb 的彩色帽子图。Alpha 通道的图像如下图所示。

二、人脸检测与人脸关键点检测

我们用下面这张图作为我们的测试图片。

下面我们用 dlib 的正脸检测器进行人脸检测,用 dlib 提供的模型提取人脸的五个关键点。代码如下:

 # dlib 人脸关键点检测器
      predictor_path = "shape_predictor_5_face_landmarks.dat"
      predictor = dlib.shape_predictor(predictor_path)  
  
      # dlib 正脸检测器
      detector = dlib.get_frontal_face_detector()
  
      # 正脸检测
      dets = detector(img, 1)
  
      # 如果检测到人脸
      if len(dets)>0:  
          for d in dets:
              x,y,w,h = d.left(),d.top(), d.right()-d.left(), d.bottom()-d.top()
              # x,y,w,h = faceRect  
              cv2.rectangle(img,(x,y),(x+w,y+h),(255,0,0),2,8,0)
  
              # 关键点检测,5 个关键点
              shape = predictor(img, d)
              for point in shape.parts():
                  cv2.circle(img,(point.x,point.y),3,color=(0,255,0))
  
              cv2.imshow("image",img)
              cv2.waitKey()  

这部分效果如下图:

三、调整帽子大小

我们选取两个眼角的点,求中心作为放置帽子的 x 方向的参考坐标,y 方向的坐标用人脸框上线的 y 坐标表示。然后我们根据人脸检测得到的人脸的大小调整帽子的大小,使得帽子大小合适。

        # 选取左右眼眼角的点
              point1 = shape.part(0)
              point2 = shape.part(2)
  
              # 求两点中心
              eyes_center = ((point1.x+point2.x)//2,(point1.y+point2.y)//2)
  
              # cv2.circle(img,eyes_center,3,color=(0,255,0))  
              # cv2.imshow("image",img)
              # cv2.waitKey()
  
              #  根据人脸大小调整帽子大小
              factor = 1.5
              resized_hat_h = int(round(rgb_hat.shape[0]*w/rgb_hat.shape[1]*factor))
              resized_hat_w = int(round(rgb_hat.shape[1]*w/rgb_hat.shape[1]*factor))
  
              if resized_hat_h > y:
                  resized_hat_h = y-1
  
              # 根据人脸大小调整帽子大小
              resized_hat = cv2.resize(rgb_hat,(resized_hat_w,resized_hat_h))

四、提取帽子和需要添加帽子的区域

按照之前所述,去 Alpha 通道作为 mask。并求反。这两个 mask 一个用于把帽子图中的帽子区域取出来,一个用于把人物图中需要填帽子的区域空出来。后面你将会看到。

        # 用 alpha 通道作为 mask
              mask = cv2.resize(a,(resized_hat_w,resized_hat_h))
              mask_inv =  cv2.bitwise_not(mask)

从原图中取出需要添加帽子的区域,这里我们用的是位运算操作。

        # 帽子相对与人脸框上线的偏移量
              dh = 0
              dw = 0
              # 原图 ROI
              # bg_roi = img[y+dh-resized_hat_h:y+dh, x+dw:x+dw+resized_hat_w]
              bg_roi = img[y+dh-resized_hat_h:y+dh,(eyes_center[0]-resized_hat_w//3):(eyes_center[0]+resized_hat_w//3*2)]
  
              # 原图 ROI 中提取放帽子的区域
              bg_roi = bg_roi.astype(float)
              mask_inv = cv2.merge((mask_inv,mask_inv,mask_inv))
              alpha = mask_inv.astype(float)/255
  
              # 相乘之前保证两者大小一致(可能会由于四舍五入原因不一致)
              alpha = cv2.resize(alpha,(bg_roi.shape[1],bg_roi.shape[0]))
              # print("alpha size: ",alpha.shape)
              # print("bg_roi size: ",bg_roi.shape)
              bg = cv2.multiply(alpha, bg_roi)
              bg = bg.astype('uint8')

这是的背景区域(bg)如下图所示。可以看到,刚好是需要填充帽子的区域缺失了。

然后我们提取帽子区域。

        # 提取帽子区域
              hat = cv2.bitwise_and(resized_hat,resized_hat,mask = mask)

提取得到的帽子区域如下图。帽子区域正好与上一个背景区域互补。

五、添加圣诞帽

最后我们把两个区域相加。再放回到原图中去,就可以得到我们想要的圣诞帽图了。这里需要注意的就是,相加之前 resize 一下保证两者大小一致,因为可能会由于四舍五入原因不一致。

        # 相加之前保证两者大小一致(可能会由于四舍五入原因不一致)
              hat = cv2.resize(hat,(bg_roi.shape[1],bg_roi.shape[0]))
              # 两个 ROI 区域相加
              add_hat = cv2.add(bg,hat)
              # cv2.imshow("add_hat",add_hat) 
  
              # 把添加好帽子的区域放回原图
              img[y+dh-resized_hat_h:y+dh,(eyes_center[0]-resized_hat_w//3):(eyes_center[0]+resized_hat_w//3*2)] = add_hat

最后我们得到的效果图如下所示。

文章首发于:CVPy 公众号,欢迎关注。

本文全部代码的 Github 链接:LiuXiaolong19920720/Add-Christmas-Hat。(我的第一个 Github 上百 star 的项目竟是这么诞生的...)。

Dlib 的安装包:Python Package Index。(我不知道这个安装的时候是否需要 boost.python,安装成功的反馈一下。)