圣诞节，用Python给自己加顶“圣诞帽”

每年到这个时候，微信好友的头像都会开始换上「圣诞」皮肤。最常见的就是加个圣诞小帽子了。

当然这种事情用很多 P 图软件都可以做到，微信搜索「圣诞帽」也会有各种小程序出现，但是使用之前的验证，总会要求绑定微信等各种信息，接受各种弹幕广告，甚至还有的需要分享才可以保存图片。

那么作为程序员，有没有其他添加的办法呢?当然有!

用到的工具：

• OpenCV(毕竟我们主要的内容就是 OpenCV...)
• dlib(dlib 的人脸检测比 OpenCV 更好用，而且 dlib 有 OpenCV 没有的关键点检测。)

用到的语言：

• Python，但是完全可以改成 C++ 版本。

素材准备

首先我们需要准备一个圣诞帽的素材，格式最好为 PNG，因为 PNG 的话我们可以直接用 Alpha 通道作为掩膜使用。

我们用到的圣诞帽如下图：

我们通过通道分离可以得到圣诞帽图像的 Alpha 通道。代码如下：

r,g,b,a = cv2.split(hat_img)  
rgb_hat = cv2.merge((r,g,b)) 
 
cv2.imwrite("hat_alpha.jpg",a) 

为了能够与 rgb 通道的头像图片进行运算，我们把 rgb 三通道合成一张 rgb 的彩色帽子图。

Alpha 通道的图像如下图所示：

人脸检测与人脸关键点检测

我们用下面这张图作为我们的测试图片：

下面我们用 dlib 的正脸检测器进行人脸检测，用 dlib 提供的模型提取人脸的五个关键点。

代码如下：

# 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) 
 
      # 如果检测到人脸 
      if len(dets)>0:   
          for d in dets: 
              x,y,w,h = d.left(),d.top(), d.right()-d.left(), d.bottom()-d.top() 
              # x,y,w,h = faceRect   
              cv2.rectangle(img,(x,y),(x+w,y+h),(255,0,0),2,8,0) 
 
              # 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()   

这部分效果如下图：

调整帽子大小

我们选取两个眼角的点，求中心作为放置帽子的 x 方向的参考坐标，y 方向的坐标用人脸框上线的 y 坐标表示。

然后我们根据人脸检测得到的人脸的大小调整帽子的大小，使得帽子大小合适。

# 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)) 

提取帽子和需要添加帽子的区域

按照之前所述，去 Alpha 通道作为 mask，并求反。这两个 mask 一个用于把帽子图中的帽子区域取出来，一个用于把人物图中需要填帽子的区域空出来。

后面你将会看到：

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

从原图中取出需要添加帽子的区域，这里我们用的是位运算操作。

# 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') 

这是的背景区域(bg)如下图所示。可以看到，刚好是需要填充帽子的区域缺失了。

然后我们提取帽子区域，代码如下：

# 提取帽子区域 
   hat = cv2.bitwise_and(resized_hat,resized_hat,mask = mask) 

提取得到的帽子区域如下图。帽子区域正好与上一个背景区域互补。

添加圣诞帽

最后我们把两个区域相加。再放回到原图中去，就可以得到我们想要的圣诞帽图了。

这里需要注意的就是，相加之前 resize 一下保证两者大小一致，因为可能会由于四舍五入原因不一致。

# 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 

我们得到的效果图如下图所示：

最后祝大家圣诞节快乐!