下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
撰文│
布里·芬戈尔德（Brie Finegold）
翻译│
徐欣
新开发的图像修复软件采用了一种新的计算规则，能让计算机自动修复影片图像，迅速而且天衣无缝。
细心的电影观众可能已经注意到了，在彼得·杰克逊（Peter Jackson）执导的电影《指环王》第一部《护戒使者》的一个场景中，一辆旅行车拖着尾气一闪而过。现在人们使用的工具，如Adobe软件系列的“修复笔刷”工具，可以轻易处理和修复图像中的小瑕疵。但如果是对图像进行大块的修复处理，软件使用者就必须不厌其烦地重复同一个动作：切取小块的图像，然后将它们粘贴在需要被除去的部分上面。除非修改幅度很小，否则这种方法创造的图像效果就不敢恭维：在后来的《护戒使者》DVD（数字视频光盘）中，电影中出现过旅行车的地方变成了一个可见的模糊斑点。
新近开发的软件使用了先进的数学算法，也许能很快改变这种情况。它能帮助视频编辑人员自动掩盖影片中的移动物体，迅速且毫无破绽。美国明尼苏达大学的计算机科学家吉列尔莫·萨皮罗（Guillermo Sapiro）是这个软件的总开发师，按照他的说法，这种新开发的软件甚至能够移除遮挡其他东西的巨大移动物体。
萨皮罗对视频修复的知识建立在先前对静态图片的处理经验上。早在1998年，萨皮罗和他的3个同事在巴黎见识了传统艺术修复大师的修复技巧：他们先从受损物品的边缘入手，将物品的基本组织结构由外向内修补，然后根据图像的色饱和度（颜色的纯度）上色。研究人员模仿修复大师的工作程序，先从黑白图像开始，将这些艺术家的技术编译成数学算法（具体地说，就是偏微分方程），这种数学算法可以描述图像在各个方向上色饱和度的改变情况。
举例来说，在一张缺了一块圆形区域的桥梁图片中，这种软件能像那些修复大师一样，从圆形缺片的边缘开始向内部修补。软件的数学算法还集成了一种功能，可以在修补处理的同时，将一组特殊的曲线（也就是等亮度线，每条线上的图像色饱和度都完全相同）延伸到圆形缺片之中。当灰度色调沿着这些等亮度线由外向内填满整个圆形缺片时，图像修复过程也就完成了。萨皮罗解释说：“这种由外向内进行衍生修补的方式，是最近所有图像修复技术的共同方案。”对于彩色图像，研究人员也可以先分别计算3种基本色（红色、绿色和蓝色）的色饱和度，再将它们合并起来。美国国家航空航天局（NASA）曾经使用这种方法来修复金星的图像。
这些技术突破应用于视频影像看起来非常简单，只需要对影片的每一帧图像加以修复就可以了。这种做法也许过于直接，因为它可能产生如同波浪一样漂浮不定的画面，甚至可能根本不起作用。举例来说，一帧画面中一件T恤上的图案被遮住了，如果单将这一帧输入图像程序，它就能修复出一件不带图案的完美T恤。但是经过这样的修复，视频影像中T恤的图案就会时隐时现，这样的修复显然不能算成功。不过一种能够利用视频影像时间连续性的程序，就能修复T恤上的图案。它可以从前后的其他帧中提取出没被遮挡的T恤图案，将图案叠加上去，完成对视频影像的修复。
视频文件修复软件的数学算法与纳维－斯托克方程式类似，后者从数学上描述了液体的运动，并且得到了广泛的研究。颜色就如同液体一样，流入空洞（照片上数据丢失的圆形区域），沿着障碍物（边界分明的图像轮廓）的边缘扩散。这种类似性激发了美国明尼苏达大学的计算机科学家吉列尔莫·萨皮罗和他的同事的想法，他们利用一种与预测液体流动方式的技术相似的数学算法，实现了视频影像的自动修复。
单帧画面的拼合叠加确定了数据损坏的范围
为了将时间连续性添加到修复算法之中，研究人员把时间视为第三维。如果把一段视频看成是一本厚厚的书，每一帧图像是书中的一页，在影片中平滑移动的图像数据丢失部分，就是一只扭曲着身体前行的蠕虫在书中咬出的空洞，洞的长度就是影片中受损图像持续出现的时间。一旦洞的时空边界被确定下来，程序就可以修复蠕虫咬出的三维空洞，同时修复每一帧二维图像上的数据损坏，创造出流畅的视频画质。对程序使用者来说，幸运的是，他们只需要确定一帧画面中的图像错误，程序就能自动将视频文件里静态的图像与动态部分分辨出来，提取出蠕虫咬出的整个空洞。
萨皮罗的算法还没有应用在商业软件中，萨皮罗和他的同事仍然在继续改进他的算法。在一篇论文中，萨皮罗与来自美国明尼苏达大学的凯达尔·帕特瓦尔丹（Kedar Patwardhan）和西班牙巴塞罗那的庞佩乌·法布拉大学的马塞尔·贝尔塔米罗（Marcel Bertalmio）一起，描述了一种速度更快的计算方法，并且这种方法能够处理摄像机在变焦时拍摄的图像。至今为止，没有一种软件能够移除不断放大或者缩小的物体，当摄像机对准某一目标被拉近或者拉远镜头时，就会产生这样的效果。同时，也没有哪种运算方法能够处理飘忽不定的移动物体。当科学家战胜这些困难的时候，他们也许就能让罗列出《泰坦尼克号》182处错误的网站关门了，比如moviemistakes.com。