影像變形演算法:實作Photoshop液化工具箱中向前變形工具

很多時候，我們需要對一個影像的局部進行調整，這個調整必須是平滑的、可互動的。 Photoshop液化濾鏡中向前變形工具就是這樣一個工具，很好用。類似工具有美圖秀秀的瘦臉功能。本文描述這類工具背後的原理與演算法。

先以美圖秀秀為例子，簡單描述下向前變形功能。

首先，用滑鼠控制一個圓形的選取範圍。

然後，點擊滑鼠左鍵，往某個方向拖曳，就可以產生光滑的向前變形圖片：

透過這個工具，可對圖片的局部進行調整，自由度比較大，因此比較實用。

下面講講這類演算法的原理。

上圖中，陰影圓環代表一個半徑為 rmax 的圓形選取範圍。其中，C點是滑鼠點下時的點，也就是圓形選區的圓心。滑鼠從C拖曳到M，致使影像中的點U變換到點X。所以，關鍵問題是找到上面這個變換的逆變換－給出點X時，可以求它變換前的座標U（精確的浮點座標），然後用變化前影像在U點附近的像素進行插值，求U的像素值。如此對圓形選取範圍內的每一個像素進行求值，便可得出變換後的影像。

Andreas Gustafsson 的Interactive Image Warping 一文給出了這個逆變換公式：

這個變形演算法的特點是：

1 只有越圓形選區內的圖像變形越大，越靠近邊緣的變形越小，邊界處無變形

3 變形是平滑的

具體實現步驟如下：

1 對於圓形選區裡的每一像素，取出其R,G,B各分量，存入3個Buff（rBuff, gBuff, bBuff）中（也即，三個Buff分別存儲選區內的原圖像的R,G,B三個通道的數值）

2 對於圓形選區裡的每一個像素X，

2.1 根據上面的公式，算出它變形前的位置座標精確值U

2.2 用插值方法，根據U的位置，和rBuff, gBuff, bBuff中的數值，計算U所在位置處的R,G,B等分量

2.3 將R，G，B等分量合成新的像素，作為X處的像素值

代碼我就不貼了，真正對這功能有需求的，根據上面的文字可以很容易寫出來——解決這類問題，重要的不是程式碼，而是想法和演算法。

下面是我的實作示範：

 

上圖中，左上角是原圖，右下角是變形後的圖。紅色圓圈圈起來的是變形區域。可以看見，變形很光滑。我在上面的演算法中引入了變形強度s(strength)，上圖中strength=20。

引入strength，公式就得修改下，以下是我的修改版公式：

看結果－

原圖：

原圖：

🎜🎜

變形，strength=120：

 

photoshop與美圖秀裡這個功能可以連續的進行變形。我猜測，這個連續的變形是由一系列基礎變形串聯起來的，也就是，滑鼠從M0拖到Mn位置，並不是只計算M0->Mn這個變換，而是在滑鼠軌跡上引入一系列中間點，M1,M2…Mn-1，然後，對影像進行M0->M1,M1->M2,…,Mn-1->Mn等一系列變換。

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