给我一顶圣诞帽

原文来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/32283641
Github上的python代码及素材库： https://github.com/LiuXiaolong19920720/Add-Christmas-Hat

偶然在知乎上看到有人用python代码实现给头像加上圣诞帽， 遂跟着教程尝试之。

实验环境及文章中用到的库：

OpenCV

是一个跨平台计算机视觉库，OpenCV可用于开发实时的图像处理、计算机视觉以及模式识别程序。OpenCV有两个Python接口，老版本的cv模块使用OpenCV内置的数据类型，新版本的cv2模块使用NumPy数组。

Dlib

Dlib是一个机器学习的C++库，包含了许多机器学习常用的算法。作者使用它是由于dlib的人脸识别能力强于OpenCV中的人脸识别（并包含人脸的关键点检验）

环境

我依然使用的是windows系统下的Anaconda并用jupyter notebook完成编译

准备工作：

下载openCV库
在windows powershell中键入 conda install -c menpo cv2
下载dlib库
在windows powershell中键入 conda install -c conda-forge dlib 或者conda install -c menpo dlib
实验中用到的素材可在作者的github上下载：https://github.com/LiuXiaolong19920720/Add-Christmas-Hat

（1）圣诞帽素材

hat.jpg
hat2.png

注：关于这两图的差别在于用hat.png的shape是三维（R,G,B）层而hat2.png的shape是四维（R,G,B,α）层，这一点可以通过img.shape查询：

hat_img = cv2.imread("hat.png")
print hat_img.shape
hat2_img = cv2.imread("hat2.png",-1)
print hat2_img.shape

输出结果如下：
(579, 717, 3)
(702, 880, 4)
前两个数字代表图像的大小，由第三个数字可得hat2.png是4维， cv2.imread中的第二个参数-1是提取alpha通道， 至于hat.png存在的意义...我还在问作者...
在这里顺便介绍一下shape提取的四个维度是什么吧...
前三个维度R,G,B分别是红色通道，绿色通道，蓝色通道， 你可以将之理解为一副图我们分别在三个通道上着色，覆盖混合在一起生成的新的颜色就是我们最后在图像上看到的颜色。α（阿尔法）通道（也就是我们提取的-1，最后一个通道）指的是特别的通道，意思是“非彩色”通道，主要是用来保存选区和编辑选区，用来描述图片的透明与半透明度。值得一提的是, png图像具有α通道而jpg图像没有。
(2) 头像素材
这个就自己随便在网上选啦， 最好选择含人物正脸的图像（用到的是dlib中的get_frontal_face_detector）， 由于我们用的dlib的数据库的学习对象大都是人物头像， 好像萌宠与二次元人物的人脸是无法识别的目前。 我充满恶意的用了这一张：

test.jpg

（3）人脸识别数据库
依然见作者的github， 文件名是shape_predictor_5_face_landmarks.dat

代码部分

首先依然是导入我们需要的库：刚刚下载好的dlib,cv2还有用作计算的NumPy.

import dlib
import cv2
import numpy as np

把加帽子写成一个完整的函数啦
这一段实现的分别是：
<1>将帽子素材图分离为r,g,b,α通道
<2> 将帽子图的r,g,b三通道合成在一起
<3>将α通道图层保存，将帽子图的

def add_hat(img,hat_img):
    # 分离rgba通道，合成rgb三通道帽子图，a通道后面做mask用
    r,g,b,a = cv2.split(hat_img) 
    rgb_hat = cv2.merge((r,g,b))

    cv2.imwrite("hat_alpha.jpg",a)

保存成功的alpha通道帽子图如下：

hat_alpha.jpg

下面这一段是用我们刚刚提到的从作者github上下载的人脸识别数据库进行人脸识别以及正脸检测

    # dlib人脸关键点检测器
    predictor_path = "shape_predictor_5_face_landmarks.dat"
    predictor = dlib.shape_predictor(predictor_path)  

    # dlib正脸检测器
    detector = dlib.get_frontal_face_detector()

    # 正脸检测
    dets = detector(img, 1)

检测到人脸后的处理过程，细节解释见代码中#后的注释部分，#中的非文字说明部分为原作者的测试代码。

    # 如果检测到人脸
    # x,y,w,h 分别为检测到的正脸裁剪出的正方形图块对应的坐标点
    # 正脸正方形图块左上角坐标为（x,y）， 右下角坐标为(x+w, y+h）
    if len(dets)>0:  
        for d in dets:
            x,y,w,h = d.left(),d.top(), d.right()-d.left(), d.bottom()-d.top()


            # 关键点检测，5个关键点
            shape = predictor(img, d)
            # for point in shape.parts():
            #     cv2.circle(img,(point.x,point.y),3,color=(0,255,0))

            # cv2.imshow("image",img)
            # cv2.waitKey()  

            # 选取左右眼眼角的点
            point1 = shape.part(0)
            point2 = shape.part(2)

            # 求两点中心
            eyes_center = ((point1.x+point2.x)//2,(point1.y+point2.y)//2)

            # cv2.circle(img,eyes_center,3,color=(0,255,0))  
            # cv2.imshow("image",img)
            # cv2.waitKey()

            #  根据人脸大小调整帽子大小
            factor = 1.5
            resized_hat_h = int(round(rgb_hat.shape[0]*w/rgb_hat.shape[1]*factor))
            resized_hat_w = int(round(rgb_hat.shape[1]*w/rgb_hat.shape[1]*factor))

            if resized_hat_h > y:
                resized_hat_h = y-1
                 # 根据人脸大小调整帽子大小
            resized_hat = cv2.resize(rgb_hat,(resized_hat_w,resized_hat_h))

            # 用alpha通道作为mask
            mask = cv2.resize(a,(resized_hat_w,resized_hat_h))
            mask_inv =  cv2.bitwise_not(mask)

            # 帽子相对与人脸框上线的偏移量
            dh = 0
            dw = 0
            # 原图ROI
            # bg_roi = img[y+dh-resized_hat_h:y+dh, x+dw:x+dw+resized_hat_w]
            bg_roi = img[y+dh-resized_hat_h:y+dh,(eyes_center[0]-resized_hat_w//3):(eyes_center[0]+resized_hat_w//3*2)]

            # 原图ROI中提取放帽子的区域
            bg_roi = bg_roi.astype(float)
            mask_inv = cv2.merge((mask_inv,mask_inv,mask_inv))
            alpha = mask_inv.astype(float)/255

            # 相乘之前保证两者大小一致（可能会由于四舍五入原因不一致）
            alpha = cv2.resize(alpha,(bg_roi.shape[1],bg_roi.shape[0]))
            # print("alpha size: ",alpha.shape)
            # print("bg_roi size: ",bg_roi.shape)
            bg = cv2.multiply(alpha, bg_roi)
            bg = bg.astype('uint8')

            cv2.imwrite("bg.jpg",bg)
            # cv2.imshow("image",img)
            # cv2.waitKey()

            # 提取帽子区域
            hat = cv2.bitwise_and(resized_hat,resized_hat,mask = mask)
            cv2.imwrite("hat.jpg",hat)
            
            # cv2.imshow("hat",hat)  
            # cv2.imshow("bg",bg)

            # print("bg size: ",bg.shape)
            # print("hat size: ",hat.shape)

            # 相加之前保证两者大小一致（可能会由于四舍五入原因不一致）
            hat = cv2.resize(hat,(bg_roi.shape[1],bg_roi.shape[0]))
            # 两个ROI区域相加
            add_hat = cv2.add(bg,hat)
            # cv2.imshow("add_hat",add_hat) 

            # 把添加好帽子的区域放回原图
            img[y+dh-resized_hat_h:y+dh,(eyes_center[0]-resized_hat_w//3) (eyes_center[0]+resized_hat_w//3*2)] = add_hat

            # 展示效果
            # cv2.imshow("img",img )  
            # cv2.waitKey(0)  

            return img

调用函数

# 读取帽子图，第二个参数-1表示读取为rgba通道，否则为rgb通道
hat_img = cv2.imread("hat2.png",-1)

# 读取头像图
img = cv2.imread("test.jpg")
output = add_hat(img,hat_img)

# 展示效果
cv2.imshow("output",output )  
cv2.waitKey(0)  
cv2.imwrite("output.jpg",output)

最后我得到的头像效果还可以，如下：

output.jpg

圣诞是来不及了，大家新年快乐！

以上