给视频添加雪花飘落特效
一、背景和需求
老猿在某平台开了个Moviepy音视频剪辑的专栏，最近有博友咨询能否实现给视频加雪花飘落特效，答案是肯定能，但要达到比较好的效果则需要花点时间。为此老猿利用周末的时间，理了下实现的思路，利用Python+Moviepy+OpenCV实现了一个给任意视频加雪花飘落特效的Python视频处理应用。
二、实现原理
要给视频加雪花特效，是基于以下原理来实现的：
三、具体实现
3.1、雪花图片
本次实现的案例对应的雪花图片为：
文件名为：。上述图片的雪花是标准的雪花图像，但图像比较大，在视频中直接展示这么大的雪花就很假，老猿经过测试，发现将其缩小到原图像的五分之一以内比较象真正的雪花。
3.2、实现流程
3.3、关键实现
3.3.1、初始化雪花
图片的雪花是固定大小的，而真正的雪花大小是不同的，为了模拟真正的雪花效果，需要有各种不同大小和角度的雪花，为此每片雪花需要根据图片雪花图像进行随机的大小和角度调整。
一帧图像中的雪花数量至少是几十到几百片，如果每次融合图像时，都需要从图片雪花图像进行大小和旋转角度的变换，是非常消耗系统的性能的，影响视频的生成耗时。
为了提升处理性能，老猿只在程序开始初始化时一次批量生产各种不同大小、不同旋转角度的各种雪花，后续程序生成雪花时，直接从批量生成的雪花中取一个作为要生成的雪花，而不用每次从基本的雪花图像开始进行变换。
生成各种雪花形状的示例代码：
# -*- coding: utf-8 -*-
import cv2,random
import numpy as np
from opencvPublic import addImgToLargeImg,readImgFile,rotationImg
snowShapesList = [] #雪花形状列表
snowObjects=[] #图片中要显示的所有雪花对象
def initSnowShapes():
"""
从文件中读入雪花图片，并进行不同尺度的缩小和不同角度的旋转从而生成不同的雪花形状，这些雪花形状保存到全局列表中snowShapesList
"""
global snowShapesList
imgSnow = readImgFile(r'f:\pic\snow.jpg')
imgSnow = cv2.resize(imgSnow, None, fx=0.3, fy=0.3) #图片文件中的雪花比较大，需要缩小才能象自然的雪花形象
minFactor,maxFactor = 50,100 #雪花大小在imgSnow的0.5-1倍之间变化
for factor in range(minFactor,maxFactor,5): #每次增加5%大小
f = factor*0.01
imgSnowSize = cv2.resize(imgSnow, None, fx=f, fy=f)
for ange in range(0,360,5):#雪花0-360之间旋转,每次旋转角度增加5°
imgRotate = rotationImg(imgSnowSize,ange)
snowShapesList.append(imgRotate)3.3.2、产生一排雪花
每帧图像除了保留上帧图像中未飘落出图像范围的雪花外，同时还会从顶部生成一排数量随机的雪花，形成生生不息的雪花。下面是从顶部初始化生成一排雪花的代码：
def generateOneRowSnows(width,count):
"""
产生一排雪花对象，每个雪花随机从snowShapesList取一个、横坐标位置随机、纵坐标初始为0
:param width: 背景图像宽度
:param count: 希望的雪花数
:y:当前行对应的竖直坐标
:return:一个包含产生的多个雪花对象信息的列表，每个列表的元素代表一个雪花对象，雪花对象包含三个信息，在snowShapesList的索引号、初始x坐标、初始y坐标（才生成固定为0）
"""
global snowShapesList
line = []
picCount = len(snowShapesList)
for loop in range(count):
imgId = random.randint(0,picCount-1)
xPos = random.randint(0,width-1)
line.append((imgId,xPos,0))
return line
3.3.3、将所有雪花对象融合到背景图像
上帧图像中的雪花在当前帧中需要随机下落一定位置，并在一定幅度内横向漂移，当有雪花落到图像底部之下时，需要释放对应对象以节省资源。
def addSnowEffectToImg(img):
"""
将所有snowObjects中的雪花对象融合放到图像img中，融合时y坐标随机下移一定高度，x坐标左右随机小范围内移动
"""
global snowShapesList,snowObjects
horizontalMaxDistance,verticalMaxDistance = 5,10 #水平方向左右漂移最大值和竖直方向下落最大值
rows,cols = img.shape[:2]
maxObjsPerRow = int(cols/100)
snowObjects += generateOneRowSnows(cols, random.randint(0, maxObjsPerRow))
snowObjectCount = len(snowObjects)
rows,cols = img.shape[0:2]
imgResult = np.array(img)
for index in range(snowObjectCount-1,-1,-1):
imgObj = snowObjects[index] #每个元素为(imgId,x,y)
if imgObj[2]>rows: #如果雪花的起始纵坐标已经超出背景图像的高度（即到达背景图像底部），则该雪花对象需进行失效处理
del(snowObjects[index])
else:
imgSnow = snowShapesList[imgObj[0]]
x,y = imgObj[1:] #取该雪花上次的位置
x = x+random.randint(-1*horizontalMaxDistance,horizontalMaxDistance) #横坐标随机左右移动一定范围
y = y+random.randint(1,verticalMaxDistance) #纵坐标随机下落一定范围
snowObjects[index] = (imgObj[0],x,y) #更新雪花对象信息
imgResult = addImgToLargeImg(imgSnow,imgResult,(x,y),180) #将所有雪花对象图像按照其位置融合到背景图像中
return imgResult #返回融合图像
3.3.4、实现视频雪花飘落特效视频合成
下面的代码调用addSnowEffectToImg实现对《粉丝记事本》视频的雪花飘落特效：
from moviepy.editor import *
def addVideoSnowEffect(videoFileName,resultFileName):
clip = VideoFileClip(videoFileName)
newclip = clip.fl_image(addSnowEffectToImg, apply_to=['mask'])
newclip.write_videofile(resultFileName)
if __name__ == '__main__':
addVideoSnowEffect(r'f:\video\fansNote.mp4',r'f:\video\fansNote_snow.mp4')
3.4、雪花飘落效果
四、小结
本文介绍了制作视频雪花飘落特效的原理、实现的思想以及流程，并利用Python+OpenCV+Moviepy提供了关键的实现代码，是一个供大家理解图像融合、Moviepy视频变换的完整案例。
