[發明專利]一種采用點云數據表示的人臉皺紋三維提取方法及其設備

有效

• 申請號: 201410573296.6
• 申請日: 2014-10-23
• 公開（公告）號: CN104318234B
• 公開（公告）日: 2017-06-16
• 發明（設計）人: 周平;袁駿杰;于云雷
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G06K9/00
• 分類號: G06K9/00
• 代理公司: 江蘇永衡昭輝律師事務所32250
• 代理人: 王斌

1.一種采用點云數據表示的人臉皺紋三維提取方法，其特征在于：基于面部骨骼的穩定性，將面部輪廓在人類成長過程中視為基本穩定、連續、光滑的曲面結構，將皺紋視為在人類成長過程中逐漸出現在面部的一種紋理特征，包括以下步驟：

1)模擬人臉皺紋的生成過程，將皺紋區域視為光滑人臉曲面與凹陷皺紋紋理的疊加，采用點云數據表示的人臉皺紋作為研究對象，定義人臉皺紋區域為：

$Wr=\tilde{W}r+\mathrm{\ϵ}$

其中，Wr為一含有皺紋紋理的人臉面部區域，表示連續、光滑的人臉面部區域，ε為人臉面部中包含的皺紋紋理；

2)將光滑人臉面部的區域進行計算機“再造”，與人臉面部區域相比，將皺紋視為人臉面部區域上的加性噪聲,將光滑人臉面部區域的計算機“再造”問題轉化為連續、光滑曲面擬合問題；采用三階樣條曲面擬合法擬合光滑人臉面部區域，擬合問題采用線性函數表示為：

$\tilde{W}r=AT---\left(1\right)$

其中，光滑人臉面部區域在X方向有n_x個點，在Y方向有n_y個點，光滑人臉面部區域的長度為n_x×n_y；A與T的具體形式表示如下：

$\left\{\begin{array}{c}\begin{array}{cc}T=\left[\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\\ a_2\\ .\\ .\\ .\\ a_{n_x\·n_y}\end{array}\right]& \tilde{W}r=\left[\begin{array}{c}\tilde{W}{r}_1\\ \tilde{W}{r}_2\\ \tilde{W}{r}_3\\ .\\ .\\ .\\ \tilde{W}{r}_{n_x\·n_y}\end{array}\right]\end{array}\\ A=\left[\begin{array}{ccccc}1& x_1& y_1& x_1{y}_1& \mathrm{...}\\ 1& x_2& y_2& x_2{y}_2& \mathrm{...}\\ 1& x_3& y_3& x_3{y}_3& \mathrm{...}\\ .& .& .& .& \\ .& .& .& .& \mathrm{...}\\ .& .& .& .& \\ 1& x_{n_x\·n_y}& y_{n_x\·n_y}& x_{n_x\·n_y}{y}_{n_x\·n_y}& \mathrm{...}\end{array}\right]\end{array}\right.$

其中，a_i為樣條插值求解的參數，x_i與y_i為點云數據中一點的X與Y方向的坐標值，為最終求解得到的光滑人臉面部區域的Z方向的坐標值；

3)對三階樣條曲面擬合加以約束，基于人臉區域的連續與光滑特性，對公式(1)中描述的曲面參數加以一階導數相等的約束，即：

BT＝0(2)

其中，B表示采用相鄰點得到二階差分；

4)將連續、光滑人臉區域擬合過程視為一正則問題的求解過程，采用拉普拉斯正則化方法進行迭代求解，將式(1)與(2)代入式(3)中：

$\left|\right|(AT-\tilde{W}r)|{|}^2+\mathrm{\λ}|\left|BT\right|{|}^2---\left(3\right)$

其中，λ為迭代參數，初始化λ＝1，求解某一次的擬合結果為Wr_i，i為大于0的整數，Wr₀表示原始含有皺紋的曲面，即Wr₀＝Wr，則Wr₀中的值即為原始含有皺紋的人臉區域的點云中一點的Z方向的坐標值；通過計算Wr_i與前一次迭代結果Wr_i-1的殘差，以閾值法確定迭代結束的時刻，若殘差超過設定閾值，則增加λ并重新計算式(3)，直到殘差小于閾值；其中，閾值越小則迭代次數越多，耗時越長，相鄰兩次計算結果Wr_i間的殘差越小，確定閾值需綜合考慮迭代效果與時間代價；

5)將表示連續、光滑的人臉面部區域與含有皺紋紋理的人臉面部區域Wr相減，得到人臉皺紋提取的初步結果，即

6)將人臉皺紋提取的初步結果ε₀投影至X-Y平面，對投影圖像做二值化與8鄰域連通區域運算，將小于最大連通區域面積30％的連通區域視為噪聲，將噪聲對應點從ε₀中去除，得到最終的人臉皺紋三維提取結果ε。

2.根據權利要求1所述采用點云數據表示的人臉皺紋三維提取方法的設備，其特征在于：包括兩臺相同型號的工業CCD相機、一臺數字光投影儀DLP、一臺計算機以及數據傳輸線路和控制線路，兩臺CCD相機分左右固定在三角支架上，數字光投影儀DLP置于兩臺CCD相機中間，兩臺CCD相機和一臺數字光投影儀DLP均通過數據傳輸線路和控制線路與計算機連接，將兩臺CCD相機和一臺數字光投影儀DLP固定在底座和三腳架上，置于一無光的暗室中，被測者居于投影儀投射方向上焦距距離前后位置，使投影圖像可清晰顯示于被測者面部的待測皺紋區域；被測者身后放置一張以黑色為底色的掛布，啟動計算機控制程序控制投影儀DLP向被測者投射13幅不同頻率的數字光柵圖像，并通過左右兩臺CCD相機實時采集被投影后的被測者圖像，完成采集后，將采集的圖像輸入到配套的計算機程序中，通過計算得到最終的人臉皺紋形貌數據與相關信息。