[發明專利]一種基于CUDA的摳像合成方法

在審

• 申請號: 201710336870.X
• 申請日: 2017-05-14
• 公開（公告）號: CN107194867A
• 公開（公告）日: 2017-09-22
• 發明（設計）人: 姬慶慶;陳楠;肖創柏;高暢;楊祎
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G06T3/00
• 分類號: G06T3/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司11203
• 代理人: 沈波

技術領域

本發明公開了一種基于CUDA的摳像合成方法，屬于數字拍攝技術領域。

背景技術

隨著數字拍攝技術的不斷發展成熟，影視劇清晰度不斷提高，電視直播也逐漸向高清甚至超清畫質靠攏。在此情況下，對于摳像效率的要求也在不斷提高。如何能夠在保證視頻原有畫質和良好的摳像效果的前提下提高摳像速度是當下研究的熱點。因此提高算法運行效率，利用現有硬件提升運行速度對于影視制作及電視直播等行業具有重要的現實應用價值。

隨著技術發展的成熟，現在的GPU已經在通用并行計算處理中得到了廣泛應用，利用GPU進行并行計算的優化設計，充分發揮GPU并行計算能力，不但可以滿足不斷增長的像素處理要求，更可以借助成熟的PC硬件平臺優勢，節約開發成本。同時PC平臺軟件易于修改升級的優勢，能夠使得用戶使用易于上手，同時還能夠產生更多的生產價值。

近幾年國內影視制作行業迅猛發展，因此對于相關技術的需求也越來越高，國內學者也紛紛投身相關領域的研究，并取得了一定的成果。

馬鉑倫以Motion Control系統和后期合成軟件After Effects為案例進行分析，主要研究其在電影拍攝制作中高科技交互式攝影控制系統的應用。分析其如何解決在電影制作過程中現實拍攝條件不允許或者危險性高以及資金花費高的畫面這一問題。[]這一研究介紹了國內外電影特效的發展現狀，介紹了Motion Control系統在電影特效中的應用，對摳像相關理論進行了簡要介紹，分析了摳像技術國內瓶頸問題。這一研究對于了解現階段國內外電影特效制作發展狀況及國內相關技術存在的問題具有很大幫助，但是這一研究停留在理論層面，沒有將相關理論進行應用，存在一定的局限性。

江旺強將CUDA技術應用于物理學領域，其首先對圖形處理器的并行架構與CUDA技術相關的編程模型進行了介紹。然后利用圖形處理器加速計算目標與環境相關的一些電磁散射領域的問題。[]該研究對于CUDA技術的發展及圖形處理器的并行架構研究較為深入，介紹十分詳細，對本研究具有一定的借鑒和啟發作用。但是研究者將CUDA技術應用于計算物理學中的電磁散射問題，而不是摳像處理中，摳像處理和電磁散射模型計算還存在一定的差別。本研究借鑒其對以CUDA技術的理論研究，將其應用于摳像處理中。

鄧爽，李磊民，黃玉清等人針對復雜場景下傳統的視頻摳像算法對目標物體與背景紋理相似或邊界不清晰的圖像分割困難的問題，提出了一種基于視覺傳感器和激光雷達信息相融合的視頻實時摳像算法。該算法從原始激光雷達點云數據中獲取感興趣區域深度信息，并作為先驗知識融合到改進的譜摳像算法，創建感興趣區域深度摳像拉普拉斯矩陣，通過聚類算法最優迭代得出摳像結果，并運用導向濾波器對摳像結果進行后處理。經試驗表明這一算法能夠提高運行效率同時取得不錯的效果。這一算法針對復雜環境下的視頻進行摳像操作具有一定的優勢，但是由于其對于硬件設備具有一定要求，從而存在一定的局限性。

陳實富，張舒，張樂等人設計的一種基于GPU的圖像處理方法。主要操作步驟為：先獲取待處理圖像，將所述待處理圖像的一個圖層從系統內存中拷貝到圖形處理單元的顯存中；然后啟動一個圖像處理濾鏡，在調節濾鏡參數的時候，對所述圖層的當前可視區域內的縮略圖進行實時計算并獲得調節結果；最后使用所述待處理圖像的每一個圖層的縮略圖進行由底至上的混合，以渲染到畫布，并將該畫布顯示到窗口。這一方法的好處在于能夠在一定程度上降低系統對于顯存的占用，并能夠實時顯示渲染結果，但局限性在于其處理速度提升不十分明顯。

發明內容

本發明采用的技術方案為一種基于CUDA的摳像合成方法，首先，利用色彩平衡算子對前景圖像非綠色區域進行溢出平衡處理；然后利用基礎遮罩算子生成一個遮罩，摳去純色背景；接下來利用細節遮罩算子對基礎遮罩進行增強。經過上述處理后，形成最終遮罩，與背景圖像進行融合，輸出合成后的圖像。

在摳像及合成階段利用了GPU加速，進一步提高了拼接速度。實驗結果表明，該方法能夠有效的實現視頻的實時摳像，幀率達到10幀，相比于傳統CPU版本更能能夠滿足視頻摳像的實時要求。

溢出平衡算法：

溢出平衡算法用以針對前景圖片中G>R的點，有nG＝R，這樣將綠色的點中G值降低，函數表達為：