Android OpenGL 实现“人像背景虚化”效果

手机上的人像模式，也被人们称作“背景虚化”或 ”双摄虚化“ 模式，也称为 Bokeh 模式，能够在保持画面中指定的人或物体清晰的同时，将其他的背景模糊掉。突出画面的主体部分，主观上美感更强烈。

人像模式的一般实现原理是，利用双摄系统获取景深信息，并通过深度传感器和图像分割技术准确分离主题与背景，随后应用人像增强处理和背景虚化算法，例如美颜、肤色优化以及基于深度信息的虚化等，最终提供清晰突出的人像照片。

所以，人像模式的实现对于软件层面来说，关键还是有能精确输出带有深度（景深）信息的图像分割算法。

随着深度学习的发展，现在已经可以做到通过单个摄像头，推测场景的深度图，推荐一个 Deep-Image-Matting 开源模型：
https://github.com/foamliu/Deep-Image-Matting

如果只是简单的实现人像 Matting , 可以参考飞鸽传书的开源项目 ncnn_Android_RobustVideoMatting ，它使用的是腾讯的 ncnn 神经网络计算框架，ncnn 是一个为手机端极致优化的高性能神经网络前向计算框架。

VideoMatting Demo：https://github.com/githubhaohao/AndroidVideoMatting

接下来，本文将教您如何利用人像分割和 OpenGL 的滤镜来实现人像背景虚化效果。

照例先上效果图，OpenGL 实现的“人像背景虚化”效果

实现原理

“人像背景虚化”效果实现，首先获取到人像的 mask 图，然后基于这个 mask 图对人像进行保护，对背景做一些模糊（防虚化）和一些高光的“光斑”效果，因为真实的光学系统在大光圈成像时，会在某些高光像素处形成特别质感的光斑。

如果我们拿到的 mask 图包含了景深信息的话，我们还可以进行更加细致的处理，比如光斑的近大远小，虚化效果的层次感，会更加接近手机人像模式成片的效果。

“光斑”效果的实现参考我之前的文章：抖音、视频号流行的 Bokeh 效果是怎么实现的？https://mp.weixin.qq.com/s/O4DFpruMdQecJBPga6Q5zA ，我们从里面选一个圆形的光斑。

实现圆形光斑的 shader :

#version 300 es
precision highp float;
in vec2 v_texCoord;
uniform sampler2D sTexture;
uniform sampler2D sPortraitTexture;
uniform highp vec2 inputSize;
layout(location = 0) out vec4 outColor;

float sdCircle(in vec2 p, in float r) {
    return length(p)-r;
}

void main() {
    float effectValue = 0.4;
    vec2 uv = v_texCoord;
    vec2 d = 1.0 / inputSize;
    float scale = (inputSize.x + inputSize.y)/1080.0;
    float kernel = floor(20.0 * scale * effectValue);
    vec4 maxCol = vec4(0.0);
    vec4 mask = texture(sPortraitTexture, uv);
    for(float x = -kernel;x<kernel;x++) {
        for(float y = -kernel;y<kernel;y++) {
            vec2 xy = vec2(x,y)/kernel;
            if(sdCircle(xy, 0.5 + effectValue * 0.2) < 0.0) {
                vec4 col = texture(sTexture, uv + d * vec2(x,y));
                maxCol = max(maxCol, col * mask.a);
            }
        }
    }
    outColor = maxCol;
}

有了光斑效果和抠出来的人像，可以使用 Blend 滤镜来验证一波：

//Blend
#version 300 es
precision highp float;
in vec2 v_texCoord;
uniform sampler2D sTexture;//做完光斑效果后的图像
uniform sampler2D sPortraitTexture;//mask 分割出来的人像
layout(location = 0) out vec4 outColor;

void main() {
    vec4 portraitCol = texture(sPortraitTexture, v_texCoord);
    vec4 srcCol = texture(sTexture, v_texCoord);
    outColor = mix(srcCol, portraitCol, portraitCol.a);
}

效果如下：

“光斑”看起来很不自然，没有虚化的感觉，接下来对图像先做模糊再做光斑的效果，看看融合起来效果如何。

模糊效果实现可以直接使用高斯模糊算法，参考链接：https://mp.weixin.qq.com/s/D53C1KtY2slLBX28Ggmx2g ，这里为了减少计算量选择使用一个轻量的快速高斯模糊滤镜，篇幅有限源码不再贴出来，文末有获取方式。

加了模糊之后的效果，看起来自然了很多：

细心观察，发现了新的问题，人像边缘有一圈黑色的边，看起来很丑。

由2个原因导致的这个问题，一是算法抠图精确度不足，人像没有扣干净；二是融合的时候没有 alpha 预乘导致半透明的边缘发黑。针对这两个原因优化下我们的 blend shader :

#version 300 es
precision highp float;
in vec2 v_texCoord;
uniform sampler2D sTexture;//做完光斑和模糊效果后的图像
uniform sampler2D sPortraitTexture;/mask 分割出来的人像
layout(location = 0) out vec4 outColor;

void main() {
    vec4 portraitCol = texture(sPortraitTexture, v_texCoord);
    vec4 srcCol = texture(sTexture, v_texCoord);
    srcCol *= srcCol.a;// alpha 预乘
    portraitCol *= portraitCol.a;// alpha 预乘
    outColor = mix(srcCol, portraitCol, portraitCol.a);
    outColor.rgb /= max(0.000001, outColor.a);
}

来看最后的效果：