OpenCV 像素操作—证件照换底色详细原理 C++纯手写实现

news2024/9/22 5:31:07

文章目录

    • 总体步骤
      • 1.RGB转HSV
      • 2.找出要换的底色
      • 3.取反，黑白颠倒
      • 4.将原图像的非背景部分复制到新背景上
    • 完整代码
      • 1.C++纯手写版
      • 2.官方API版本

总体步骤

在这里插入图片描述

1.RGB转HSV

为什么一定要转为HSV 颜色空间？

将图像从BGR颜色空间转换为HSV颜色空间是因为HSV颜色空间更适合进行颜色分割和提取操作。这是因为HSV颜色空间将颜色表示为色相（Hue）、饱和度（Saturation）和明度（Value），这使得颜色的分离更加直观和有效。具体原因如下：

色相（Hue）分离：

  • 在HSV颜色空间中，色相（H）直接表示颜色的种类，例如红色、绿色、蓝色等。通过指定色相范围，可以非常容易地分离出特定的颜色。例如，**绿色的色相范围通常集中在一个较小的区间内，这使得提取绿色对象变得简单而精确。**这也是为什么特效制作的时候需要使用绿色幕布，更加方便提取图像。

饱和度（Saturation）和明度（Value）独立：

  • 饱和度表示颜色的纯度，明度表示颜色的亮度。在BGR颜色空间中，这些属性是混合在一起的，不容易分离。但是在HSV颜色空间中，饱和度和明度是独立的，可以单独进行调节和阈值化，从而实现更好的颜色分割效果。

处理光照变化：

  • HSV颜色空间对于光照变化更为鲁棒。由于明度和饱和度是独立的，即使在光照发生变化时，色相也相对稳定，使得颜色分割在不同光照条件下表现更好。

HSV范围取色表

在这里插入图片描述

例如在H：35 -77 S：43-255 V：46-255 之间的可以认为是绿色。 有了这张图参考，我们能够更容易地过滤掉某种颜色。

2.找出要换的底色

以将一张蓝底的证件照换成红底证件照为例：

在这里插入图片描述

转为HSV颜色空间之后，我们要找出蓝色的底色所在区域。可以通过遍历像素的方式实现

// 根据范围创建 掩码图像 二值化图像
void customInRange(const Mat& src, Scalar lowerBound, Scalar upperBound, Mat& dst) {
    // 创建与源图像大小相同的掩码图像
    dst = Mat::zeros(src.size(), CV_8UC1);
    // 遍历图像的每个像素
    for (int y = 0; y < src.rows; y++) {
        for (int x = 0; x < src.cols; x++) {
            Vec3b pixel = src.at<Vec3b>(y, x);
            bool inRange = true;
            // 检查像素值是否在指定范围内 通过HSV范围表来指定
            for (int c = 0; c < 3; c++) {
                if (pixel[c] < lowerBound[c] || pixel[c] > upperBound[c]) {
                    inRange = false;
                    break;
                }
            }
            // 如果在范围内，设置掩码图像中的对应位置为255
            if (inRange) {
                dst.at<uchar>(y, x) = 255;
            }
        }
    }
}

这里涉及到一个新概念 掩码图像

掩码（mask）在计算机视觉和图像处理领域中，是一种用于选择、过滤或操作图像中特定部分的工具。掩码本质上是一张与原图像大小相同的二值图像，其中每个像素要么是0，要么是1（在OpenCV中通常用0和255来表示）。掩码图像中值为1（或255）的部分表示感兴趣的区域（ROI，Region of Interest），而值为0的部分则表示不感兴趣的区域。

掩码的具体作用可以包括以下几种：

  1. 区域选择：
    • 通过掩码，可以选择图像中的某个特定区域进行操作，而忽略其他部分。例如，只对图像中的某个颜色范围进行处理。
  2. 图像分割：
    • 掩码可以用于将图像分割成前景和背景。前景是感兴趣的部分，背景则是其他部分。
  3. 图像修复：
    • 掩码可以用于图像修复，指定需要修复的区域。
  4. 遮罩操作：
    • 在图像合成时，掩码可以用作遮罩，控制哪些部分需要叠加或混合。

上述代码通过遍历可以找到蓝色底色的区域，并置为白色。其余的全部设置为黑色。

代码运行效果：（中间的白点，因为胖虎穿的偏蓝色领带，因此过滤出了一部分）

在这里插入图片描述

此时，基本上已经找出原来底色的区域，已经全部置成了白色。

3.取反，黑白颠倒

主要目的是找到除了背景色的其他元素，这一步是选择 非背景色的元素 置为白色，因为除了背景色，其他像素均要移到新的背景色上去， 非背景色成为了ROI（感兴趣区域），背景色置为黑色，代表不再关注原来的背景色。遍历每个像素，用255减去原来的像素便可反转颜色，黑白颠倒。

//    bitwise_not(mask,mask);
    for (int y = 0; y < mask.rows; ++y) {
        for (int x = 0; x < mask.cols; ++x) {
            //对每个像素进行取反
            mask.at<uchar>(y, x) = 255 - mask.at<uchar>(y, x);
        }
    }

效果如图：

在这里插入图片描述

4.将原图像的非背景部分复制到新背景上

//将非背景色像素移到事先准备好的背景上
void customCopyTo(const Mat& src, Mat& dst, const Mat& mask) {
    // 确保源图像和掩码图像的大小一致
    if (src.size() != dst.size() || src.size() != mask.size()) {
        throw std::invalid_argument("Size of src, dst, and mask must be the same");
    }
    // 遍历图像的每个像素
    for (int y = 0; y < src.rows; y++) {
        for (int x = 0; x < src.cols; x++) {
            // 如果掩码中的值为非零（通常是255），则复制源图像的像素到目标图
            if (mask.at<uchar>(y, x) != 0) {
                dst.at<Vec3b>(y, x) = src.at<Vec3b>(y, x);
            }
        }
    }
}

遍历像素，与掩码图像对比，如果不是黑色，说明是ROI区域，将像素替换到准备好的纯色背景上面。就完成了背景换色

效果如下：

在这里插入图片描述

完整代码

1.C++纯手写版

//将非背景色像素移到事先准备好的背景上
void customCopyTo(const Mat& src, Mat& dst, const Mat& mask) {
    // 确保源图像和掩码图像的大小一致
    if (src.size() != dst.size() || src.size() != mask.size()) {
        throw std::invalid_argument("Size of src, dst, and mask must be the same");
    }
    // 遍历图像的每个像素
    for (int y = 0; y < src.rows; y++) {
        for (int x = 0; x < src.cols; x++) {
            // 如果掩码中的值为非零（通常是255），则复制源图像的像素到目标图像
            if (mask.at<uchar>(y, x) != 0) {
                dst.at<Vec3b>(y, x) = src.at<Vec3b>(y, x);
            }
        }
    }
}
// 根据范围创建 掩码图像 二值化图像
void customInRange(const Mat& src, Scalar lowerBound, Scalar upperBound, Mat& dst) {
    // 创建与源图像大小相同的掩码图像
    dst = Mat::zeros(src.size(), CV_8UC1);
    // 遍历图像的每个像素
    for (int y = 0; y < src.rows; y++) {
        for (int x = 0; x < src.cols; x++) {
            Vec3b pixel = src.at<Vec3b>(y, x);
            bool inRange = true;
            // 检查像素值是否在指定范围内
            for (int c = 0; c < 3; c++) {
                if (pixel[c] < lowerBound[c] || pixel[c] > upperBound[c]) {
                    inRange = false;
                    break;
                }
            }
            // 如果在范围内，设置掩码图像中的对应位置为255
            if (inRange) {
                dst.at<uchar>(y, x) = 255;
            }
        }
    }
}

void inRange_dmeo(Mat &image){
    Mat hsv;
    //先将图片转为HSV
    cvtColor(image,hsv,COLOR_BGR2HSV);
    // 提取左上角像素的HSV值 ,也就是对应底色的值 有利于更好控制提取
    Vec3b hsvValue = hsv.at<Vec3b>(0, 0);
    cout<<hsvValue<<endl;
    Mat mask;
    //设置 下限 和上限根据设定的HSV颜色范围  生成一个二值化的掩码（mask），掩码中白色部分表示图像中符合设定颜色范围的部分，黑色部分表示不符合的部分。
    customInRange(hsv,Scalar(100,43,46),Scalar(115,225,227),mask);
    imshow("mask",mask);
    //准备好一个背景颜色 以红色为例
    Mat red_background = Mat::zeros(image.size(),image.type());
    red_background = Scalar (40,40,200);
    //对掩码取反， 黑白颠倒,选择除了背景色的区域 ，也就是欲复制的区域
//    bitwise_not(mask,mask);
    for (int y = 0; y < mask.rows; ++y) {
        for (int x = 0; x < mask.cols; ++x) {
            //对每个像素进行取反
            mask.at<uchar>(y, x) = 255 - mask.at<uchar>(y, x);
        }
    }
    imshow("bitwise_not mask",mask);
    //使用掩码（mask）将输入图像中符合条件的部分复制到红色背景图像上
    customCopyTo(image,red_background,mask);
    imshow("roi",red_background);
}

2.官方API版本

OpenCV提供了生成掩码，掩码取反，复制非背景色元素到新背景的API 如下，

inRange 根据HSV范围 生成掩码

bitwise_not 掩码取反

copyTo 根据掩码复制到新背景色

void inRange_dmeo(Mat &image){
    Mat hsv;
    //先将图片转为HSV
    cvtColor(image,hsv,COLOR_BGR2HSV);
    // 提取左上角像素的HSV值 ,也就是对应底色的值 有利于更好控制提取
    Vec3b hsvValue = hsv.at<Vec3b>(0, 0);
    cout<<hsvValue<<endl;
    Mat mask;
    //设置 下限 和上限根据设定的HSV颜色范围  生成一个二值化的掩码（mask），掩码中白色部分表示图像中符合设定颜色范围的部分，黑色部分表示不符合的部分。
    inRange(hsv,Scalar(100,43,46),Scalar(115,225,227),mask);
    imshow("mask",mask);
    //准备好一个背景颜色 以红色为例
    Mat red_background = Mat::zeros(image.size(),image.type());
    red_background = Scalar (40,40,200);
    //对掩码取反， 黑白颠倒,选择除了背景色的区域 ，也就是欲复制的区域
    bitwise_not(mask,mask);
    imshow("bitwise_not mask",mask);
    //使用掩码（mask）将输入图像中符合条件的部分复制到红色背景图像上
    image.copyTo(red_background,mask);
    imshow("roi",red_background);
}

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