Multimedia Programming 23: Matting

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1 Multimedia Programming 23: Matting
Departments of Digital Contents Sang Il Park

2 Matting & compositing

3 How does Superman fly? Super-human powers? OR
Image Matting and Compositing?

4 Image Compositing (영상합성)

5 Compositing Procedure (합성과정)
1. 스프라이트 만들기 (Sprite = Image + Mask Image ) 2. 스프라이트를 배경과 합성하기 (투명도를 이용한 Iinear Interpolation) α

6 Compositing: Two Issues
1. 반투명 (Semi-transparent) 물체의 표현? 2. 픽셀이 물체보다 클 경우?

7 투명도 값: alpha channel 색 외에 또 다른 정보: 투명도
Image(R,G,B,alpha) Sprite! 빛이 얼마나 투과하는 가를 의미한다 (또는 물체가 한 픽셀을 얼마나 가리는 가를 의미): Alpha = 1: opaque object (complete coverage) Alpha = 0: transparent object (no coverage) 0<Alpha<1: semi-transparent (partial coverage) Example: alpha = 0.7 semi-transparency or Partial coverage

8 Compositing Procedure
1-α α

9 다중 합성: Multiple Compositing
1. 스프라이트 추출 (예: 포토샵의 Intelligent Scissors 활용) 2. 올바른 순서로 합성한다. (배경부터 차래 대로) Composite by David Dewey

10 Multiple Alpha Blending
So far we assumed that one image (background) is opaque. If blending semi-transparent sprites (the “A over B” operation): Icomp = aaIa + (1-aa)abIb acomp = aa + (1-aa)ab

11 “Pulling a Matte”: 매팅 문제
문제 정의: 주어진 입력 이미지 C 를 다음과 같이 나누는 것 전경이미지 Co, 배경이미지 Cb, 투명도 값 a Co 와 a 를 구하면 다른 배경이미지에 합성하는 데 사용할 수 있다. 그러나… 어려운 문제이다. 투명도가 2단계(투명/불투명)이라 할 지라도 자동으로 하긴 어렵다. (배경 추출 문제) 영화나 TV에 활용하기 위해서는 수작업을 통해 일일이 다 고치는 것은 불가능하다. 뭔가, 간단화 시키는 가정이 필요하다.

12 Blue Screen

13 The Ultimatte p1 and p2

14 Blue screen for superman?

15 Blue Screen matting TV나 영화에 가장 많이 사용되는 matting 기법
Petros Vlahos 가 1950년대에 발명한 것으로 그 당시의 제품명인 Ultimatte® 는 아직도 matting 기기 중 제일 유명하다. 이러한 공로로 Vlahos는 아카데미 평생공로상을 수상하였다. 배경 추출 방법: 배경의 색을 알고 있다면… 투명도를 다음과 같이 구한다. Vlahos’ formula: a = 1-p1(B-p2G) 배경과 전경의 색은 달라야 한다. no blue ties!

16 반투명 매팅 유리와 같은 반투명한 물질의 색 (R,G,B)과 투명도(alpha)는 어떻게 구할 수 있을까?

17 매팅 문제: 수학적 정의 C = αoCo + (1-αo)Ck 이미지의 모든 픽셀에 대해 주어진 것: 매팅 방정식 만족:
- 배경색 Ck = [Rk Gk Bk] - 합성된 색 C = [R G B] 계산할 것: - 전경(물체) 색 Co = [Ro Go Bo αo] - 주어진 조건 매팅 방정식 만족: C = αoCo + (1-αo)Ck

18 어떻게 풀 수 있을까? C = αoCo + (1-αo)Ck R = αoRo + (1-αo)Rk
매팅 방정식: C = αoCo + (1-αo)Ck 주어진 색(측정한 색)은 [R G B]. 따라서 주어진 식은 3개, 구해야 하는 것은 [Ro, Go, Bo, αo] 4개 R = αoRo + (1-αo)Rk G = αoGo + (1-αo)Gk B = αoBo + (1-αo)Bk 무수히 많은 해가 존재 다른 조건(식)이 필요하다!

19 풀이방법 #1: 파랑색이 없다! C = αoCo + (1-αo)Ck R = αoRo + (1-αo)Rk
매팅 방정식: C = αoCo + (1-αo)Ck 만약에 전경(물체)에 파랑색이 없다는 가정을 할 수 있다면? (즉 Bo = 0 ) 3개의 방정식, 3개의 모르는 값  풀이 가능 R = αoRo + (1-αo)Rk G = αoGo + (1-αo)Gk B = (1-αo)Bk 3. Ro 를 구한다 2. Go 를 구한다 1. αo를 구한다 문제점: 가정이 너무 강하다! 파랑색이 없인 모든 회색, 색의 1/3 을 표현할 수 없다 흰색을 표현 못한다 (255,255,255)

20 풀이방법 #2: 회색 or 살색? C = αoCo + (1-αo)Ck 매팅 방정식:
만약 전경(물체)가 회색이라면? 즉 (Ro = Go = Bo=d) 3개의 방정식, 2개의 모르는 값(Ro, αo)  풀이 가능 살색은 보통 [R B B] = [d 0.5d 0.5d] 로 표현 d에 따라 살색의 진함, 밝음을 표현 3개의 방정식, 2개의 모르는 값(d, αo)  풀이 가능

21 삼각화 매팅 (Smith & Blinn) C = αoCo + (1-αo)Ck 매팅 방정식:
구해야 할 수의 개수를 줄이는 대신 방정식의 수를 늘리면 어떨까? 물체는 같지만 배경의 색을 달리하여 여러 번 측정 한다면? 생각해 봐야 할점: 얼마나 많은 방정식(배경색)이 필요할까? 배경은 단색이어야 할까?

22 알고리즘 이미지의 모든 픽셀에 대해 주어진 것: R1 = αoRo + (1-αo)Rk1 R2 = αoRo + (1-αo)Rk2
- 배경색 Ck1 = [Rk1 Gk1 Bk1] - 배경색 Ck2 = [Rk2 Gk2 Bk2] - 합성된 색 C1 = [R1 G1 B1] - 합성된 색 C2 = [R2 G2 B2] 계산할 것: - 전경(물체) 색 Co = [Ro Go Bo αo] 개의 방정식 R1 = αoRo + (1-αo)Rk1 G1 = αoGo + (1-αo)Gk1 B1 = αoBo + (1-αo)Bk1 R2 = αoRo + (1-αo)Rk2 G2 = αoGo + (1-αo)Gk2 B2 = αoBo + (1-αo)Bk2

23 삼각화 매팅 예제

24 더 많은 예제!

25 좀 더 많은 예제!

26 매팅의 문제점 이미지가 사실적이지 않은 것 같은데? Why? 해결방법: 매팅 방정식을 바꾸자!
빛의 굴절(Refraction)이 없다 빛의 반사(Reflection)이 없다 해결방법: 매팅 방정식을 바꾸자!

27 Environment Matting and Compositing
배경(주변) 매팅 기법과 합성 slides by Jay Hetler Douglas E. Zongker ~ Dawn M. Werner ~ Brian Curless ~ David H. Salsin

28 배경(주변) 매팅 방정식 C = aF + (1- a)B + F C ~ 측정한 색 F ~ 전경물체의 색
Alpha holds values from zero to one…

29 실험 세팅 C = aF + (1- a)B + F Alpha holds values from zero to one…

30 F는 무엇일까? R – 얼마나 반사(굴절)되어 오는가? T – 주변(배경) 그림의 색

31 Series of structured backgrounds
Environment Mattes

32 수행 속도 카메라 보정 매팅 계산 (전처리): 각 배경에 대해 10-20 분 소요 (Pentium II 400Mhz)
합성속도: 4-40 frames per second 실시간이 가능할까? 3-6 hours

33 배경(주변) 매팅으로 얼마나 향상될 수 있으까?
알파 매팅 배경(주변) 매팅 Photograph

34 배경(주변) 매팅으로 얼마나 향상될 수 있으까?
알파 매팅 배경(주변) 매팅 Photograph

35 Movies!