REVIEW OF [PatchMatch: A Randomized Correspondence Algorithm for Structural Image Editing]

很早前看的paper,实现了一个非完整版的算法,只讲实现了的部分。
算法的目的我的理解是,对于一张图片,规定了某些像素集合A是不能变的,其他像素not A可以变,要把这个图片补全。
补全的素材来自图片,但是图片的某些部分不能作为素材。
经典的应用就是图片的障碍物去除。

大概的算法就是从图片能作为素材的部分提取出很多patch,比如以每个像素为左上角,大小是5*5的像素块,
用这些patch来填补空的地方。
对每个像素,会维护一个最优patch,表示和这个位置fit得最好的patch
恩 因为有些像素是不能变的 所以patch会受到不能变的像素的限制

一开始可以假设除了不能变的像素是原本的颜色,其他都是黑色啥的
每一次迭代都会根据最优patch生成新的图片,再根据新的图片计算新的最优patch blabla 但是不能变的像素的最优patch永远都是自己。

考虑怎么找最优patch
这篇paper的算法就是随机好几次,取最优
但是在算[i,j]位置的最优patch的时候,
假设[i,j]的当前最优patch是maps[i][j][2]
除了把好几个随机的patch作为决策,还会把[maps[i-1][j][0]+1, maps[i-1][j][1]]类似的四个方向的最优决策作为决策之一
这里就是这篇paper的重点,它认为如果某个点随机到了最优的patch,则可以传递到旁边,它旁边的点最优patch可能也就在这个点的最优patch的旁边。

为了优化结果,还使用了金字塔算法,先在低分辨率的图片中找到一些较优解,并把这个解传递到较高分辨率作为初始值。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
346
347
348
//============================================================================
// Name        : main.cpp
// Author      : Steffen Bingel, Benjamin Welle
// Version     :
// Copyright   :
// Description : Reshuffling Implementation using PatchMatch
//============================================================================

// std lib includes
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <time.h>
using namespace std;

// opencv includes
#include <opencv2/core/core.hpp>
#include <opencv2/imgproc/imgproc.hpp>
#include <opencv2/highgui/highgui.hpp>
using namespace cv;
using namespace std;

// our includes
const int MAXPTR = 5;
const int PATCH_SIZE = 9;
const int inf = 0x3f3f3f3f;

Mat srcs[MAXPTR], tars[MAXPTR];
Mat maps[20];
Mat consts[20];

int dist(Mat m1, Mat m2)
{
    if (m1.size() != m2.size()) return inf;
    int ans = 0;
    for (int i = 0; i < m1.rows; ++i)
        for (int j = 0; j < m1.cols; ++j)
            for (int k = 0; k < 3; ++k)
                ans += (m1.at<Vec3b>(i, j)[k] - m2.at<Vec3b>(i, j)[k])*(m1.at<Vec3b>(i, j)[k] - m2.at<Vec3b>(i, j)[k]);
    return ans;
}

Mat getPatch(Mat src, int x, int y)
{
    return src(Range(x, min(src.rows - 1, x + PATCH_SIZE - 1)), Range(y, min(src.cols - 1, y + PATCH_SIZE - 1)));
}

void calc(Mat src, Mat tar, Mat consts, Mat maps, int rev)
{
    if (!rev)
    {
        for (int x = 0; x < consts.rows; ++x)
        {
            cout << x;
            for (int y = 0; y < consts.cols; ++y)
            {
                if (consts.at<Vec2i>(x, y)[0]) continue;
                Mat patchNow = getPatch(tar, x, y);
                int tx = maps.at<Vec2i>(x, y)[0], ty = maps.at<Vec2i>(x, y)[1];
                int nowDist = dist(patchNow, getPatch(src, tx, ty));
                if (x)
                {
                    int tx = min(src.rows, maps.at<Vec2i>(x - 1, y)[0] + 1), ty = maps.at<Vec2i>(x - 1, y)[1];
                    int td = dist(patchNow, getPatch(src, tx, ty));
                    if (td < nowDist)
                    {
                        nowDist = td;
                        maps.at<Vec2i>(x, y)[0] = tx;
                        maps.at<Vec2i>(x, y)[1] = ty;
                    }
                }
                if (y)
                {
                    int tx = maps.at<Vec2i>(x, y - 1)[0], ty = min(src.cols, maps.at<Vec2i>(x, y - 1)[1] + 1);
                    int td = dist(patchNow, getPatch(src, tx, ty));
                    if (td < nowDist)
                    {
                        nowDist = td;
                        maps.at<Vec2i>(x, y)[0] = tx;
                        maps.at<Vec2i>(x, y)[1] = ty;
                    }
                }
                int maxr = max(src.rows, src.cols);
                while (maxr)
                {
                    for (int k = 0; k < max(1, 5 - maxr); ++k)
                    {
                        int dx = rand() % maxr, dy = rand() % maxr;
                        if (rand() % 2) dx *= -1;
                        if (rand() % 2) dy *= -1;
                        int tx = maps.at<Vec2i>(x, y)[0] + dx, ty = maps.at<Vec2i>(x, y)[1] + dy;
                        if (tx >= 0 && tx < src.rows && ty >= 0 && ty < src.cols)
                        {
                            int td = dist(patchNow, getPatch(src, tx, ty));
                            if (td < nowDist)
                            {
                                nowDist = td;
                                maps.at<Vec2i>(x, y)[0] = tx;
                                maps.at<Vec2i>(x, y)[1] = ty;
                            }
                        }
                    }
                    maxr /= 2;
                }
            }
        }
    }
    else
    {
        for (int x = src.rows - 1; x >= 0; --x)
        {
            cout << x << endl;
            for (int y = src.cols - 1; y >= 0 ; --y)
            {
                if (consts.at<Vec2i>(x, y)[0]) continue;
                Mat patchNow = getPatch(tar, x, y);
                int tx = maps.at<Vec2i>(x, y)[0], ty = maps.at<Vec2i>(x, y)[1];
                int nowDist = dist(patchNow, getPatch(src, tx, ty));
                if (x < src.rows - 1)
                {
                    int tx = max(0, maps.at<Vec2i>(x + 1, y)[0] - 1), ty = maps.at<Vec2i>(x + 1, y)[1];
                    int td = dist(patchNow, getPatch(src, tx, ty));
                    if (td < nowDist)
                    {
                        nowDist = td;
                        maps.at<Vec2i>(x, y)[0] = tx;
                        maps.at<Vec2i>(x, y)[1] = ty;
                    }
                }
                if (y < src.cols - PATCH_SIZE)
                {
                    int tx = maps.at<Vec2i>(x, y + 1)[0], ty = max(0, maps.at<Vec2i>(x, y + 1)[1] - 1);
                    int td = dist(patchNow, getPatch(src, tx, ty));
                    if (td < nowDist)
                    {
                        nowDist = td;
                        maps.at<Vec2i>(x, y)[0] = tx;
                        maps.at<Vec2i>(x, y)[1] = ty;
                    }
                }
                int maxr = max(src.rows, src.cols);
                while (maxr)
                {
                    for (int k = 0; k < max(1, 5 - maxr); ++k)
                    {
                        int dx = rand() % maxr, dy = rand() % maxr;
                        if (rand() % 2) dx *= -1;
                        if (rand() % 2) dy *= -1;
                        int tx = maps.at<Vec2i>(x, y)[0] + dx, ty = maps.at<Vec2i>(x, y)[1] + dy;
                        if (tx >= 0 && tx <= src.rows - 1 && ty >= 0 && ty <= src.cols - 1)
                        {
                            int td = dist(patchNow, getPatch(src, tx, ty));
                            if (td < nowDist)
                            {
                                nowDist = td;
                                maps.at<Vec2i>(x, y)[0] = tx;
                                maps.at<Vec2i>(x, y)[1] = ty;
                            }
                        }
                    }
                    maxr /= 2;
                }
            }
        }
    }
}

void genera(Mat src, Mat tar, Mat maps)
{
    Mat counter = cv::Mat(src.rows,src.cols,CV_32SC4,Scalar::all(1));
    for (int i = 0; i < src.rows; ++i)
        for (int j = 0; j < src.cols; ++j)
        {
            for (int k = 0; k < 3; ++k)
                counter.at<Vec4i>(i, j)[k] = tar.at<Vec3b>(i, j)[k];
            counter.at<Vec4i>(i, j)[3] = 1;
        }
    for (int i = 0; i < src.rows; ++i)
        for (int j = 0; j < src.cols; ++j)
            for (int dx = 0; dx < PATCH_SIZE; ++dx)
                for (int dy = 0; dy < PATCH_SIZE; ++dy)
                {
                    int x = i + dx, y = j + dy;
                    if (x >= src.rows || y >= src.cols) continue;
                    for (int k = 0; k < 3; ++k)
                        counter.at<Vec4i>(x, y)[k] += src.at<Vec3b>(maps.at<Vec2i>(i, j)[0] + dx, maps.at<Vec2i>(i, j)[1] + dy)[k];
                    counter.at<Vec4i>(x, y)[3] += 1;
                }
    for (int i = 0; i < src.rows; ++i)
        for (int j = 0; j < src.cols; ++j)
            for (int k = 0; k < 3; ++k)
                tar.at<Vec3b>(i, j)[k] = counter.at<Vec4i>(i, j)[k] / counter.at<Vec4i>(i, j)[3];
}

void deal(Mat src, Mat tar, Mat consts, Mat maps)
{
    for (int i = 0; i < 10; ++i)
    {
        calc(src, tar, consts, maps, i % 2);
        genera(src, tar, maps);
    }
}

void UpCM(Mat mapsLast, Mat maps, Mat consts)
{
    for (int i = 0; i < maps.rows; ++i)
    {
        for (int j = 0; j < maps.cols; ++j)
            if (!consts.at<Vec2i>(i, j)[0])
            {
                maps.at<Vec2i>(i, j)[0] = mapsLast.at<Vec2i>(min(mapsLast.rows - 1, i / 2), min(mapsLast.cols - 1, j / 2))[0] * 2 + i % 2;
                maps.at<Vec2i>(i, j)[1] = mapsLast.at<Vec2i>(min(mapsLast.rows - 1, i / 2), min(mapsLast.cols - 1, j / 2))[1] * 2 + j % 2;
            }
    }
}

void DownCM(Mat mapsLast, Mat maps, Mat constsLast, Mat consts)
{
    for (int i = 0; i < maps.rows; ++i)
        for (int j = 0; j < maps.cols; ++j)
        {
            if (constsLast.at<Vec2i>(i * 2, j * 2)[0])
            {
                consts.at<Vec2i>(i, j)[0] = 1;
                maps.at<Vec2i>(i, j)[0] = min(maps.rows - 1, mapsLast.at<Vec2i>(i * 2, j * 2)[0] / 2);
                maps.at<Vec2i>(i, j)[1] = min(maps.cols - 1, mapsLast.at<Vec2i>(i * 2, j * 2)[1] / 2);
            }
            else
            if (i * 2 + 1 < constsLast.rows && j * 2 + 1 < constsLast.cols && constsLast.at<Vec2i>(i * 2 + 1, j * 2 + 1)[0])
            {
                consts.at<Vec2i>(i, j)[0] = 1;
                maps.at<Vec2i>(i, j)[0] = min(maps.rows - 1, mapsLast.at<Vec2i>(i * 2 + 1, j * 2 + 1)[0] / 2);
                maps.at<Vec2i>(i, j)[1] = min(maps.cols - 1, mapsLast.at<Vec2i>(i * 2 + 1, j * 2 + 1)[1] / 2);
            }
            else
            if (i * 2 + 1 < constsLast.rows && constsLast.at<Vec2i>(i * 2 + 1, j * 2)[0])
            {
                consts.at<Vec2i>(i, j)[0] = 1;
                maps.at<Vec2i>(i, j)[0] = min(maps.rows - 1, mapsLast.at<Vec2i>(i * 2 + 1, j * 2)[0] / 2);
                maps.at<Vec2i>(i, j)[1] = min(maps.cols - 1, mapsLast.at<Vec2i>(i * 2 + 1, j * 2)[1] / 2);
            }
            else
            if (j * 2 + 1 < constsLast.cols && constsLast.at<Vec2i>(i * 2, j * 2 + 1)[0])
            {
                consts.at<Vec2i>(i, j)[0] = 1;
                maps.at<Vec2i>(i, j)[0] = min(maps.rows - 1, mapsLast.at<Vec2i>(i * 2, j * 2 + 1)[0] / 2);
                maps.at<Vec2i>(i, j)[1] = min(maps.cols - 1, mapsLast.at<Vec2i>(i * 2, j * 2 + 1)[1] / 2);
            }
            else
            {
                consts.at<Vec2i>(i, j)[0] = 0;
                maps.at<Vec2i>(i, j)[0] = min(maps.rows - 1, mapsLast.at<Vec2i>(i * 2, j * 2)[0] / 2);
                maps.at<Vec2i>(i, j)[1] = min(maps.cols - 1, mapsLast.at<Vec2i>(i * 2, j * 2)[1] / 2);
            }
            if (maps.at<Vec2i>(i, j)[0] >= maps.rows || maps.at<Vec2i>(i, j)[1] > maps.cols)
            {
                consts.at<Vec2i>(i, j)[0] = 0;
                maps.at<Vec2i>(i, j)[0] = rand() % maps.rows;
                maps.at<Vec2i>(i, j)[1] = rand() % maps.cols;
            }
        }
}

void work(Mat src, int x1, int x2, int y1, int y2, int dx, int dy)
{
    Mat tar = src.clone();
    Mat temp = tar(Range(x1, x2), Range(y1, y2));
    Mat temp2 = tar(Range(x1 + dx, x2 + dx), Range(y1 + dy, y2 + dy));
    for (int i = 0; i < temp2.rows; ++i)
        for (int j = 0; j < temp2.cols; ++j)
        {
            temp2.at<Vec3b>(i, j)[0] = temp.at<Vec3b>(i, j)[0];
            temp2.at<Vec3b>(i, j)[1] = temp.at<Vec3b>(i, j)[1];
            temp2.at<Vec3b>(i, j)[2] = temp.at<Vec3b>(i, j)[2];
        }
    imshow("src", src);
    imshow("tarbef", tar);
    int sx = (x2 - x1) * 0.25, sy = (y2 - y1) * 0.25;
    int rows = src.rows, cols = src.cols;
    consts[0] = Mat(rows, cols, CV_32SC2, Scalar::all(1));
    consts[0](Range(1, rows - 1), Range(1, cols - 1)) = Scalar::all(0);
    consts[0](Range(x1 + dx + sx, min(rows - 1, x2 + dx - sx)), Range(y1 + dy + sy, min(cols - 1, y2 + dy - sy))) = Scalar::all(1);

    maps[0] = Mat(rows, cols, CV_32SC2, Scalar::all(0));

    for (int i = 0; i < rows; ++i)
        for (int j = 0; j < cols; ++j)
        {
            maps[0].at<Vec2i>(i, j)[0] = i;
            maps[0].at<Vec2i>(i, j)[1] = j;
        }

    for (int i = x1 + dx + sx; i <= x2 + dx - sx; ++i)
        for (int j = y1 + dy + sy; j < y2 + dy - sy; ++j)
        {
            maps[0].at<Vec2i>(i, j)[0] = i - dx;
            maps[0].at<Vec2i>(i, j)[1] = j - dy;
        }
    for (int i = 0; i < rows; ++i)
        for (int j = 0; j < cols; ++j)
            if (!consts[0].at<Vec2i>(i, j)[0])
            {
                maps[0].at<Vec2i>(i, j)[0] = rand() % rows;
                maps[0].at<Vec2i>(i, j)[1] = rand() % cols;
            }

    srcs[0] = src.clone();
    tars[0] = tar.clone();

   
    rows = src.rows, cols = src.cols;
    int i = 0;
    while (rows > 4 * PATCH_SIZE && cols > 4 * PATCH_SIZE)
    {
        pyrDown(srcs[i], srcs[i + 1]);
        pyrDown(tars[i], tars[i + 1]);
        maps[i + 1] = Mat(srcs[i + 1].rows, srcs[i + 1].cols, CV_32SC2, Scalar::all(0));
        consts[i + 1] = Mat(srcs[i + 1].rows, srcs[i + 1].cols, CV_32SC2, Scalar::all(0));
        DownCM(maps[i], maps[i + 1], consts[i], consts[i + 1]);
        ++i;
        rows = srcs[i].rows;
        cols = srcs[i].cols;
    }
    while (i > 0)
    {
        deal(srcs[i], tars[i], consts[i], maps[i]);
        UpCM(maps[i], maps[i - 1], consts[i - 1]);
        genera(srcs[i - 1], tars[i - 1], maps[i - 1]);
        imshow("taraft", tars[i - 1]);
        i--;
    }
        cvWaitKey();
    pyrDown(tar, tar);

}

int main(int argc, char** argv) {
    //srand( time(0) );
    Mat src = imread("test.jpg");
    namedWindow("src");
    namedWindow("tarbef");
    namedWindow("taraft");
    //work(src, 3, 125, 385, 440, 70,100);
    work(src, 70, 230, 210, 300, 0,270);


    cvWaitKey();
    return 0;
}