圖像特效濾鏡算法研究與實(shí)現(xiàn)

王昕瑞 林忠

摘要：隨著自媒體以及移動(dòng)設(shè)備拍攝成為社會(huì)主流媒體，對(duì)照片進(jìn)行編輯以得到特殊效果的需求應(yīng)運(yùn)而生。研究了目前常見的幾款圖像特效濾鏡的算法原理，詳細(xì)描述了算法流程，并用C++語言及MFC編程框架實(shí)現(xiàn)了水彩畫濾鏡、漫畫濾鏡、交叉沖印濾鏡、懷舊風(fēng)格濾鏡、光照效果濾鏡、漏光濾鏡等6個(gè)特效濾鏡。為開發(fā)圖像編輯軟件中的濾鏡組件提供了良好的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：圖像濾鏡；水彩畫濾鏡；漫畫濾鏡； 交叉沖印濾鏡； 光照效果濾鏡

中圖分類號(hào)：TN911 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）33-0200-03

Abstract：As the self-Media and mobile devices became the mainstream media in the society， the need to edit photos to get special effects came into being. This paper studies the algorithm principles of several common image effects filters， describes the algorithm flow in detail， and realizes six special effects filters， such as watercolor filter， comic filter， cross-print filter， nostalgic style filter， light effect filter and leak filter， with C++ language and MFC programming framework. It provides a good reference and reference for developing filter components in image editing software.

Key words：Image filters； comic filters； sketch filters； lighting effects filters； watercolor filters

1引言

隨著計(jì)算機(jī)硬件性能發(fā)展和圖像處理算法的不斷進(jìn)步，數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛[1]。在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，手機(jī)和攝像設(shè)備的完美結(jié)合實(shí)現(xiàn)了對(duì)圖像的強(qiáng)力支持。在此背景下，誕生了眾多的優(yōu)秀的移動(dòng)端圖像編輯軟件和圖像社交軟件。圖像編輯軟件比較著名的有美圖秀秀和Snapseed，圖像社交軟件有大名鼎鼎的Instagram。圖像特效濾鏡是這些軟件的核心功能之一，Instagram相機(jī)更是以精美豐富多彩的濾鏡著稱，而Snapseed和美圖秀秀具有復(fù)雜優(yōu)秀的修圖功能，其中也包括豐富的濾鏡功能。Instagram的設(shè)計(jì)者開發(fā)了數(shù)十種，用來適應(yīng)不同場(chǎng)景和不同風(fēng)格的濾鏡，簡(jiǎn)化了步驟，極大地方便了用戶的操作，使得用戶只要通過點(diǎn)擊手機(jī)屏幕就能夠獲得攝像師修圖之后的圖片效果，廣大用戶對(duì)它贊不絕口。而Snapseed相機(jī)軟件則是另外一種實(shí)現(xiàn)圖像處理類的移動(dòng)終端手機(jī)app，它不僅有濾鏡特效處理圖片的功能，而且在此基礎(chǔ)上還添加了一些別的自定義修改圖片的功能[2]。這些軟件提供的濾鏡雖然各有差異，但是有一些常用的濾鏡基本上各個(gè)軟件都會(huì)支持，比如，水彩畫濾鏡、漫畫濾鏡、交叉沖印濾鏡、懷舊風(fēng)格濾鏡、光照效果濾鏡、漏光濾鏡。研究這些濾鏡的算法原理及其實(shí)現(xiàn)，對(duì)于理解濾鏡效果，設(shè)置合適的濾鏡參數(shù)，編程實(shí)現(xiàn)濾鏡組件等具有極大的意義[3]。

2圖像濾鏡算法設(shè)計(jì)

針對(duì)某一類功能的圖像濾鏡，各個(gè)軟件實(shí)現(xiàn)的功能略有差異，這說明濾鏡算法是一個(gè)比較開放的算法：只要能實(shí)現(xiàn)某個(gè)特定目的，具體所采用的算法流程可以多種多樣。設(shè)計(jì)了水水彩畫濾鏡、漫畫濾鏡、交叉沖印濾鏡、懷舊風(fēng)格濾鏡、光照效果濾鏡、漏光濾鏡等6種常見濾鏡的算法流程如下。

2.1水彩畫濾鏡

4.統(tǒng)計(jì)鄰域直方圖Hist最大的值所對(duì)應(yīng)的C值，將該值賦給鄰域中心點(diǎn)像素。

該算法存在兩個(gè)參數(shù)：鄰域半徑和平滑度Strength。鄰域半徑越大，則圖像越模糊，邊緣細(xì)節(jié)越少。平滑度越大則圖像色彩越豐富，反則，則圖像色彩越單調(diào)。

2.2漫畫濾鏡

漫畫濾鏡可以使圖像以漫畫風(fēng)格的形式重現(xiàn)。它的特點(diǎn)如下：

1.顏色單一。漫畫中，使用的顏色比較單一，一般不會(huì)有很多種顏色，不像拍攝的照片那樣，具有豐富的顏色信息[5]。

2.邊緣較強(qiáng)。漫畫中，前景物體的邊緣部分一般有比較明顯的邊緣痕跡，而且以黑色為主，給人一種邊緣突出的感覺。

3.形象夸張，內(nèi)容概括，漫畫中，作者在描述人物表情時(shí)，效果等等都十分夸張。這里由于表情的處理已經(jīng)涉及人臉識(shí)別算法，就不做深入研究。

由此漫畫濾鏡算法的流程設(shè)計(jì)如下：

步驟一：使用水彩畫濾鏡算法去除原圖像內(nèi)部過多的顏色信息。這里設(shè)置水彩畫算法強(qiáng)度值為10。

步驟二：將原始輸入圖像進(jìn)行灰度化，并使用Sobel算子進(jìn)行邊緣檢測(cè)，求得邊緣強(qiáng)度。

步驟三：設(shè)置邊緣強(qiáng)度控制變量m_value，調(diào)節(jié)邊緣強(qiáng)度。假設(shè)Pedge（x，y）是由Sobel算子得到的圖像（x，y）位置的圖像邊緣強(qiáng)度值。則邊緣強(qiáng)度值的調(diào)整公式如式（4）所示。

2.5光照效果濾鏡

光照效果濾鏡是模擬原圖像中點(diǎn)光源照射的圖像效果。在圖像后期處理中，處理人員通常會(huì)對(duì)在拍攝環(huán)境較暗的照片或者是沒有陽光的日景照片使用這種方法，這會(huì)使得圖片局部亮度得到很好的調(diào)整。調(diào)整參數(shù)主要有光照半徑，光源位置和光照強(qiáng)度系數(shù)，通過對(duì)這三個(gè)參數(shù)的調(diào)整，達(dá)到預(yù)期的光照的效果[8]。

光照效果濾鏡的實(shí)際原理為：光照強(qiáng)度按照像素點(diǎn)與光源的距離長(zhǎng)度增加而逐漸衰減，當(dāng)距離超過光照半徑后光照強(qiáng)度為0，整幅圖像的像素值修改為光照強(qiáng)度值加上原始值。根據(jù)該原理，設(shè)計(jì)該濾鏡算法以式12和式13的方式進(jìn)行濾波，式中X和Y表示光源的坐標(biāo)，x和y表示待處理像素的坐標(biāo)值，K表示光照強(qiáng)度系數(shù)，R表示光照半徑，I表示像素值。

4結(jié)論

濾鏡是圖像編輯軟件或者圖像社交軟件中的必備元素。濾鏡的豐富效果可以模擬多種拍攝風(fēng)格及繪畫風(fēng)格，給攝影的后期處理提供了豐富的選擇。濾鏡的實(shí)現(xiàn)可以采用多種不同的算法，實(shí)現(xiàn)濾鏡的關(guān)鍵步驟是研究該濾鏡模擬的拍攝風(fēng)格或者繪畫風(fēng)格的特點(diǎn)，抽象出其中的數(shù)學(xué)模型，從而將其和傳統(tǒng)的圖像處理技術(shù)相聯(lián)系，設(shè)計(jì)出相關(guān)效果的濾鏡。本文分析了水彩畫濾鏡、漫畫濾鏡、交叉沖印濾鏡、懷舊風(fēng)格濾鏡、光照效果濾鏡和漏光濾鏡等6中濾鏡的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)這這些濾鏡的算法步驟，并基于C++語言編寫了相關(guān)程序。通過測(cè)試，驗(yàn)證了這6個(gè)濾鏡算法的效果是比較理想的，和其模擬的拍攝模式或者繪畫風(fēng)格是想近的。為圖像編輯軟件或者圖像社交軟件中濾鏡組件的研發(fā)提供了可靠的算法參考和借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉美芳，石春菊.淺談?dòng)?jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的發(fā)展[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2016，12（32）：241-242+250.

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[8]詹依寧. 圖像濾鏡與風(fēng)格化技術(shù)研究[D].北京理工大學(xué)，2016

【通聯(lián)編輯：唐一東】