[發(fā)明專利]一種基于相位偏移掃描的三維人臉全自動建模方法

有效

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• 申請日: 2012-03-09
• 公開（公告）號: CN102663810A
• 公開（公告）日: 2012-09-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙沁平;高玉建;郝愛民;王莉莉
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G06T7/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 許玉明;賈玉忠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及計算機模擬三維人臉建模領(lǐng)域中的三維人臉掃描與非剛性配準領(lǐng)域。

背景技術(shù)

人臉造型是計算機圖形學(xué)和計算機視覺的一個研究熱點。對于一般標準人臉模型的建立已有多種較好的方法，但對特定人臉的建模則要困難得多，目前為止還沒有出現(xiàn)自動、高效且逼真的方法。

目前現(xiàn)有的(半)自動人臉建模技術(shù)方法可以劃分為如下三大類：一是采用三維立體激光掃描儀等復(fù)雜昂貴的硬件設(shè)備，并配合相應(yīng)的算法來獲取幾何以及紋理數(shù)據(jù)；二是采用普通相機采集二維人臉圖像數(shù)據(jù)，并輔以復(fù)雜的圖像處理和計算機視覺方法進行數(shù)據(jù)重建和獲取；三是基于人體測量學(xué)的數(shù)據(jù)獲取。

基于人體測量學(xué)的數(shù)據(jù)獲取方法是利用人體尺度分布的先驗知識進行人臉網(wǎng)格建模，其精度很難保證。而基于激光掃描設(shè)備以及基于圖像的三維人臉建模方法均有其各自的優(yōu)勢和缺點。基于激光掃描設(shè)備的人臉建模方法盡管能夠獲取豐富的幾何細節(jié)和細膩的紋理，但由于激光掃描設(shè)備的昂貴性，使其很難在一般應(yīng)用中得到使用，另一方面由于激光掃描儀等設(shè)備的效率較為低下，也使得其對于動態(tài)物體的掃描工作束手無策。基于圖像的三維人臉建模方法采用一張或多張不同角度的人臉圖像，利用拍攝相機與人臉在空間中的幾何位置關(guān)系對人臉三維模型進行重構(gòu)。這種方法具有成本低，使用簡便的優(yōu)勢，然而其掃描的精度十分有限，難以保證對人臉的許多幾何細節(jié)和表情細節(jié)的捕獲，因此該方法又很難滿足許多應(yīng)用對于模型精度的要求。

三維掃描深度數(shù)據(jù)(點云數(shù)據(jù))往往具有數(shù)據(jù)量大、冗余量大以及存在噪聲數(shù)據(jù)等問題，為了便于應(yīng)用，必須對其進行較為復(fù)雜的處理，有效地降低數(shù)據(jù)冗余量及噪聲，并通過某種方式將其轉(zhuǎn)換為常用的三角網(wǎng)格形式。現(xiàn)有的轉(zhuǎn)換方法包括：將點云直接進行三角化、Delaunay三角剖分以及采用標準模板進行配準等。采用標準模板配準的方法與其他方法相比較具有能夠自動去除噪聲和冗余數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，這類方法通過將一個標準化的模型通過一系列的剛性和非剛性變換，將這個標準化模型實現(xiàn)個性化，在保證模型表面平滑性的同時，將模型與深度數(shù)據(jù)之間的誤差最小化。然而現(xiàn)有標準模板配準技術(shù)沒有考慮模板與點云數(shù)據(jù)的精細程度是否匹配的問題，采用的模板模型拓撲也是固定不變的，這就造成了最終的配準精度難以保證或者存在冗余數(shù)據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出的基于相位偏移掃描的三維人臉全自動建模方法，實現(xiàn)了對個性化人臉的低成本、高速率、自動化的建模。在三維人臉深度數(shù)據(jù)掃描階段，運用較低成本的設(shè)備，獲得足夠精度的人臉表情數(shù)據(jù)(介于圖像重構(gòu)與激光掃描兩種方法之間)，并且能夠達到實時地對動態(tài)人臉表情的高速掃描；在三維人臉非剛性自動配準階段，本發(fā)明在研究分析傳統(tǒng)方法存在的不足之處的基礎(chǔ)上，提出了一種拓撲可變的三維人臉點云數(shù)據(jù)非剛性配準方法。

該方法將三維人臉點云數(shù)據(jù)非剛性配準問題轉(zhuǎn)換為對應(yīng)點誤差與平滑變形約束的最優(yōu)化問題，通過三維人臉特征點自動檢測方法找到標準人臉模板與掃描人臉之間的對應(yīng)點，并利用基于薄膜能量的平滑變形算法對模型的非剛性形變進行約束。進一步地，本發(fā)明方法將網(wǎng)格細分/化簡技術(shù)與非剛性配準技術(shù)有機結(jié)合，在非剛性變形配準的迭代過程中自適應(yīng)地對模型的拓撲結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，從而在提高配準精度的同時，有效降低配準后模型的冗余數(shù)據(jù)。從總體上講，該方法具有較高的建模自動化程度，從標定(Calibration)到掃描(Scanning)再到深度點云恢復(fù)(Reconstruction)以及三維深度數(shù)據(jù)非剛性配準(Non-rigid?Registration)全過程盡可能少的涉及人工干預(yù)。

本發(fā)明提出的方法完全能夠保證對于一般應(yīng)用的可用性，并且全自動的建模過程使得一般用戶都可以得到自己個性化的三維人臉模型，這對于三維人臉動畫在計算機圖形學(xué)應(yīng)用中的推廣具有重要意義。

附圖說明

圖1為相機-投影機聯(lián)合標定棋盤格示意圖；

圖2為相位偏移結(jié)構(gòu)光樣式亮度曲線圖；

圖3為基于相位偏移的三維數(shù)據(jù)掃描系統(tǒng)組成原理示意圖；

圖4為三維人臉掃描系統(tǒng)工作狀態(tài)示意圖；

圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)為未展開相位圖、展開相位圖以及深度圖；

圖6為用于深度數(shù)據(jù)恢復(fù)的三角化計算示意圖；

圖7為掃描系統(tǒng)獲得的人臉深度圖以及點云數(shù)據(jù)渲染效果圖；

圖8為固定拓撲的非剛性配準誤差示意圖；

圖9為固定拓撲非剛性配準結(jié)果中嘴部拉伸錯誤示意圖；

圖10為本發(fā)明與現(xiàn)有方法實驗效果對比圖。

具體實施方式