摘 要： 針對在背景圖像開出任意形狀的剪裁區域（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，介紹了其工作原理和具體算法，并討論了其運行實例。
關鍵詞： 圖像疊加 區域連通性 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域來填充前景圖像，使得前景圖像在背景給定范圍內顯示和活動。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。但這種疊加需求實際上是想要事先獲得一個任意形狀外輪廓，然后在背景的該輪廓區域內填充上前景圖像，現有軟件較難實現或實現起來較繁瑣。
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域（膜版），形成底色為白色的膜版圖層。再通過程序對該圖層進行二值化、求取膜版外接矩形、消除其內部白色孤立點、利用區域連通性消除其內部白色孤立區域等處理，形成黑色膜版，再將它與背景和前景疊加獲得復合圖像。本文給出了該疊加技術的工作原理和具體算法，通過實例說明達到的效果，并討論了該技術的擴展使用。
1 多圖層膜版疊加技術的工作原理
本疊加技術的主要思路是，先由美工人員運用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膜版的原始圖像上，提取所需的任意形狀的剪裁區域，然后復制、粘貼到一個底色為白色的圖像上，此時膜版內部仍保留原始圖像。當圖像結構和顏色復雜時，如果采用手工將膜版內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。進行圖像疊加時，判斷背景上的點是否屬于膜版區域，如果屬于，則把背景上該點顏色用前景上相應點顏色替代，就可達到預期的疊加目標。整個多圖層膜板疊加技術的工作原理如圖1所示。
膜版處理算法先對膜版原始圖像進行二值化，變成白色或黑色，再消除膜版內部白色孤立奇異點（四周8個鄰點均為黑色的白色點）。求取膜版的外接矩形是為了加快處理速度。為消除膜版內部的白色區域（白色空洞），利用區域連通性原理對膜版外接矩形內的白色點進行區域連通性計算，獲得白色點的連通標記。由于膜版內部白色區域點的連通標記大于膜版外部白色點的連通標記，由此判定該白色點為膜版內部點，可變成黑色，從而消除膜版內的白色空洞，產生完整的黑色膜版，為疊加準備好所需的膜版圖層。
2 具體算法
2.1 膜版圖像二值化
對膜版原始圖像進行二值化，對圖層每個點進行處理，保留白色和黑色點，把非白非黑的點顏色變成黑色。
2.2 消除膜版內白色孤立點
二值化后的膜版圖像可能存在一些白色孤立點，會影響后面的疊加處理，因此需消除。消除方法是對圖像中每個白色點判斷其四周8個鄰點是否均為黑色，如果是，則將該點變成黑色。
2.3 求取膜版的外接矩形
為縮小后面區域連通性計算的范圍，需要求取膜版的外接矩形，即獲得膜版的最左邊界點和最右邊界點的橫坐標Xmin、Xmax及最上邊界點和最下邊界點的縱坐標Ymin、Ymax。
2.4 區域連通性計算
為消除膜版內部的白色區域，同時避免錯誤地消除膜版外部的白色點，采用4鄰域法[1][2]計算圖層中外接矩形以內白色點所屬的連通區域標記。這里采用的技巧：將膜版外接矩形向外擴大1個象素，得到外擴矩形。求取膜版的外擴矩形如圖2所示。該外擴矩形上都是白色點，先將這些點的連通區域標記賦為1，再計算外接矩形內白色點的連通區域標記。這樣外接矩形以內而膜版以外的白色點的標記肯定為1，膜版內部白色區域的標記將大于1。圖2中，A點為膜版以外的白色點，C點為膜版內的白色區域中的點，B點為白色孤立點。
計算區域連通性的算法描述如下：
(1)對連通標記數組初始化，外擴矩形四邊上的點標記為1，外擴矩形內部黑色點的標記為0。
(2)從左至右、從上到下掃描圖像。
(3)對于每行的各點，如果某點的象素值為白色，則：如果上面點和左面點有一個標記，則復制該標記；如果2點有相同的標記，則復制該標記；如果2點有不同的標記，則復制2點中較小標記；將2標記寫入等價表中作為等價標記；否則給這個象素點分配一個新標記，并將這一標記寫入等價表。
第一遍從上到下4連通序貫的相關Delphi代碼如下：
MaxEquValue：=1；//連通標記變量，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 //上點和左點均為黑色點
MaxEquValue：=MaxEquValue+1； //新的連通標記
EquTable[i，j]：=MaxEquValue； //賦值到標記數組
end
else if (ImgTempGood.Canvas.Pixels[i，j-1]=clWhite)
and (ImgTempGood.Canvas.Pixels[i-1，j]=clWhite) then
begin //上點和左點同時為白色點
Lj_1：=EquTable[i，j-1]； //上邊點的標記
Li_1：=EquTable[i-1，j]； //左邊點的標記
if(Li_1>0) and (Lj_1>0) then //標記同時存在
begin
if Li_1=Lj_1 then //上點和左點標記相同
EquTable[i，j]：=Li_1
else //上點和左點標記不相同，取二者中小的
EquTable[i，j]：=MIN(Li_1，Lj_1)；
end；
end //end for else if
else //上點或左點只有一個為白色點
begin
//上點為1，且有標記L，則該點的標記也為L，上點優先
if(ImgTempGood.Canvas.Pixels[i，j-1]=clWhite) and
(EquTable[i，j-1]>0) then
EquTable[i，j]：=EquTable[i，j-1]
//左點為1，且有標記L，則該點的標記也為L
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，則重復第(3)步。
(5)從下到上掃描圖像，重復(3)、(4)步。
(6)在等價表的每一等價集中找到該等價集中最低的標記。
(7)掃描圖像，用等價表中的最低標記取代每一標記，即標記出較大的連通域。
2.5 消除膜版內白色區域
對外接矩形內各點，判斷其連通標記是否大于1，若是，則說明該點是膜版內部白色點(空洞點)，則置為黑色。
2.6 多圖層疊加
圖層疊加時，對于膜版外接矩形內各點，如果是黑色點，則用該點坐標對應的前景點顏色去替代背景上相應點的顏色來完成圖像的復合疊加。相關代碼如下：
for y：=Ymin to Ymax do
for x：=Xmin to Xmax do
//點(x，y)是否屬于模版區域?
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域的點填充成前景顏色
3 運行實例
本算法采用Delphi7實現，一個疊加的運行實例如圖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和白色區域，需要消除掉。圖O是最后疊加產生的合成結果。有關本疊加技術的擴展使用討論如下：
(1)上述方法是針對在背景上開一個裁減窗口設計的。如果想開多個不交叉的裁減窗口，同樣可為每個裁減窗口準備一個膜版圖層，分別把前景、背景和每個膜版疊加。還可通過在膜版圖層移動膜版的位置，實現前景被移動過濾的效果。(2)當多個裁減窗口有交叉部分，就要注意事先安排好各膜版對應前景的遮擋關系，然后程序依照預定的前后順序進行疊加。(3)本疊加技術可用于人物拍攝時，在背景上給出藝術化外輪廓，其內部區域供被拍攝者來拍照。也可用于電視節目的制作，屏幕上留出專門形狀的區域來播放其他文字或視頻圖像。還可用于游戲制作程序，屏幕上限制某區域，供顯示游戲中人物或動畫。
4 結 論
本文采用多圖層方法，在背景和前景之間增加一個膜版圖層來過濾前景實現圖像復合，利用區域連通性原理消除膜版內部白色孤立區域，產生黑色膜版。這些技術的運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
1 賈云得.機器視覺.北京：科學出版社，2000
2 童曉陽，楊名利.人臉輪廓定位和歸一化的研究.系統仿真學報，2005；17(3)