Python实现PhotoShop人脸液化变形效果

在PhotoShop中,我们经常利用液化工具的向前工具来对人脸进行形变处理,例如瘦脸、放大眼睛等常规P图操作。

瘦脸与眼睛放大可以算作图像局部扭曲算法的一个应用,其参考文献可以追溯至1993年的一篇博士论文:Interactive Image Warping。这篇论文详细描述了算法原理,并提供了伪码实现。

图像局部扭曲算法有三个:局部缩放(Local Scaling)算法、局部平移(Local Transition)算法和局部旋转(Local Rotation)算法。其中应用局部缩放算法可实现眼睛放大,局部平移算法则可用于实现瘦脸效果。下面来应用图像局部平移算法让一张图片“笑”起来,其背后原理和瘦脸原理如出一辙。

实现效果

在这里插入图片描述

具体实现步骤

  • 利用dlib库的人脸关键点检测器检测出人脸的68个关键点,其68个特征点在人脸中的位置和在关键点序列中的次序如下

    在这里插入图片描述

  • 划定一个圆形选区,一般是要让哪里的局部图像变形就在哪里划定圆形选取,因为这里要让人脸“笑”起来,所以分别在关键点49、60(左嘴角)和55、56(右嘴角)之间划定圆形选区

  • 对于圆形选区里的每一像素,取出其R,G,B各分量,存入3个变量(r, g, b)中(也即,三个变量分别存储选区内的原图像的R,G,B三个通道的数值)

  • 对于圆形选区里的每一个像素U

  • 根据图像局部平移算法公式的映射关系,算出它变形后的位置坐标X(实际运算过程采取逆运算,即由变形后坐标X推出变形前坐标U)

在这里插入图片描述

  • 用双线性插值方法,根据U的位置,和r, g, b中的数值,计算U所在位置处的R,G,B等分量,将R,G,B等分量合成新的像素,作为X处的像素值(bilinearInsert方法)

代码实现(代码已附上详细注释)

import dlib
import cv2
import numpy as np
import math
import matplotlib.pyplot as plt


class FaceAdjust():
    def __init__(self):

        self.predictor_path = "dat/shape_predictor_68_face_landmarks.dat"
        #获取人脸框检测器
        self.detector = dlib.get_frontal_face_detector()
        #获取人脸关键点检测器
        self.predictor = dlib.shape_predictor(self.predictor_path)


    def landmark_dec_dlib_fun(self,img_src):
        img_gray = cv2.cvtColor(img_src, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
        #用于绘制人脸关键点的img
        img_tag = img_src.copy()

        land_marks = []
        rects = self.detector(img_gray, 0)

        for i in range(len(rects)):
            #把人脸关键点列表转为矩阵保存至列表中
            land_marks_node = np.matrix([[p.x, p.y] for p in self.predictor(img_gray, rects[i]).parts()])        
            land_marks.append(land_marks_node)
            #在图中标记出人脸关键点
            for j in land_marks_node:
                pt_pos = (j[0,0],j[0,1])
                cv2.circle(img_tag, pt_pos, 2, (0, 255, 0), -1)
            
        cv2.imwrite(r'tag.jpg', img_tag)
        return land_marks


    '''
    localTranslationWarp:Interactive Image Warping 局部平移算法(移动圆内的像素)
    具体实现步骤
    2.1 对于圆形选区里的每一像素,取出其R,G,B各分量,存入3个变量(r, g, b)中(也即,三个变量分别存储选区内的原图像的R,G,B三个通道的数值)
    2.2 对于圆形选区里的每一个像素U
    2.3 根据图像局部平移变形,算出它变形后的位置坐标精确值X
    2.4 用插值方法,根据U的位置,和r, g, b中的数值,计算U所在位置处的R,G,B等分量,将R,G,B等分量合成新的像素,作为X处的像素值(bilinearInsert方法)
    '''


    def localTranslationWarp(self,srcImg, startX, startY, endX, endY, radius):
        ddradius = float(radius * radius)
        copyImg = np.zeros(srcImg.shape, np.uint8)
        copyImg = srcImg.copy()

        # 计算公式中的|m-c|^2
        ddmc = (endX - startX) * (endX - startX) + (endY - startY) * (endY - startY)
        H, W, C = srcImg.shape
        for i in range(W):
            for j in range(H):
                # 计算该点是否在形变圆的范围之内
                # 优化,第一步,直接判断是会在(startX,startY)的矩阵框中
                if math.fabs(i - startX) > radius and math.fabs(j - startY) > radius:
                    continue

                distance = (i - startX) * (i - startX) + (j - startY) * (j - startY)

                if (distance < ddradius):
                    # 计算出(i,j)坐标的原坐标
                    # 计算公式中右边平方号里的部分
                    ratio = (ddradius - distance) / (ddradius - distance + ddmc)
                    ratio = ratio * ratio

                    # 映射原位置(向后变形,j后+变-即为向前变形)
                    UX = i + ratio * (endX - startX)
                    UY = j + ratio * (endY - startY)

                    # 根据双线性插值法得到UX,UY的值
                    value = self.bilinearInsert(srcImg, UX, UY)
                    # 改变当前 i ,j的值
                    copyImg[j, i] = value

        return copyImg

    """
    bilinearInsert:双线性插值法(变换像素)
    """
    def bilinearInsert(self,src, ux, uy):
        w, h, c = src.shape
        if c == 3:
            x1 = int(ux)
            x2 = x1 + 1
            y1 = int(uy)
            y2 = y1 + 1

            part1 = src[y1, x1].astype(np.float) * (float(x2) - ux) * (float(y2) - uy)
            part2 = src[y1, x2].astype(np.float) * (ux - float(x1)) * (float(y2) - uy)
            part3 = src[y2, x1].astype(np.float) * (float(x2) - ux) * (uy - float(y1))
            part4 = src[y2, x2].astype(np.float) * (ux - float(x1)) * (uy - float(y1))

            insertValue = part1 + part2 + part3 + part4

            return insertValue.astype(np.int8)


    def face_adjust_auto(self,src):
        #1.获取人脸关键点
        landmarks = self.landmark_dec_dlib_fun(src)

        # 如果未检测到人脸关键点,就不进行脸部微调
        if len(landmarks) == 0:
            return


        #2.对嘴巴关键点(左嘴角和右嘴角)进行局部平移算法(微笑)
        thin_image = src
        landmarks_node = landmarks[0]
        start_landmark1 = landmarks_node[48]
        end_landmark1 = landmarks_node[59]
        start_landmark2 = landmarks_node[54]
        end_landmark2 = landmarks_node[55]

        r = math.sqrt((start_landmark1[0, 0] - end_landmark1[0, 0]) * (start_landmark1[0, 0] - end_landmark1[0, 0]) +
            (start_landmark1[0, 1] - end_landmark1[0, 1]) * (start_landmark1[0, 1] - end_landmark1[0, 1]))
        thin_image = self.localTranslationWarp(thin_image, start_landmark1[0, 0], start_landmark1[0, 1], end_landmark1[0,0], end_landmark1[0, 1], r)
        thin_image = self.localTranslationWarp(thin_image, start_landmark2[0, 0], start_landmark2[0, 1], end_landmark2[0,0], end_landmark2[0, 1], r)

        # 显示
        # cv2.imshow('thin', thin_image)
        cv2.imwrite(r'thin.jpg', thin_image)


if __name__ == '__main__':
    src = cv2.imread(r'face_adjust.jpg')
    face_adjust_control = FaceAdjust()
    face_adjust_control.face_adjust_auto(src)

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