CN100517060C - 一种三维人像摄影方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维人像摄影系统及其实现方法，该系统使用普通照相机拍摄人像的正面、侧面照片，采用计算机视觉算法获取头部的三维几何模型，并根据照片与几何模型的投影关系，将照片作为纹理映射到三维几何模型上，获得具有照片级真实感的三维人像模型；然后使用空间半色调方法将连续色调的纹理贴图灰度图像进行空间调制，通过激光雕刻机在人造水晶内部“打印”出一个在视觉观察效果上近似于原三维图像的二值图像，形成具有真实感的三维实体头像。

Description

一种三维人像摄影方法

技术领域

本发明涉及一种摄影系统，特别是一种利用普通照相机和计算机软件，实现三维人像摄影和输出的系统及其实现方法。

背景技术

在现实生活中，物体都是以三维几何实体的形式存在。传统的二维平面照片通过明暗对比和透视关系来造成视觉上的空间立体感，无法产生引人入胜的自然立体观感。而三维影像的空间造型与原型接近，不仅具有高度、宽度、深度三维空间几何形体特征，而且具有真实逼真的表面纹理信息，一改平面照片所无法给出的真实感，可给人以亲切、逼真的感觉。观察者可从空间任意角度全方位观看三维影像，获得与自然观感相同的立体视觉效果，产生前所未有的新奇、新鲜视觉感受，从而带来美的享受。

19世纪末已经有人探索立体照像的技术问题，最著名的实验是英国人怀特斯通完成的。怀特斯通用2台照相机模拟左、右眼晴分别拍摄2幅照片，然后用2个互相分隔的目镜，由左、右眼观察这2幅照片，于是在大脑中重新合成了立体图像。这种利用双眼视差形成立体视觉的方法，后来又被改进为“红绿滤色法立体照相”、“偏振滤光法立体照相”和“柱面镜(光栅片)立体照相”等方法。

利用双眼视差形成立体视觉的方法需要专用的立体照相机拍摄两幅符合双眼视差的照片，而且要借助于专门的观察装置(双目立体观察镜、红绿滤光眼睛、偏振滤光眼镜、柱状透镜阵列)，在特定方向才能形成立体视觉，无法从360°空间任意角度全方位观看。因此自上世纪初以来，人们的主要精力用于发展和完善黑白、彩色和数码照像技术，并建立了相应的工业体系，而立体摄影技术只是在小规模、小范围内进行，如60年代出现的立体电影。

利用双眼视差形成立体视觉的方法实质上是模拟人的双眼视差作用的一种仿生学技术，只能在一个特定的方向形成立体视觉，无法获取定量的三维坐标值，不能输入计算机进行其它处理。

自20世纪70年代以来，逆向工程、质量检测、机器视觉、影视动画、3D游戏、虚拟现实、人机交互、生物医学、整形医疗、服装设计、人体测量、文物复制、艺术雕塑等行业应用领域纷纷提出了快速获取物体三维几何模型的要求，使物体三维轮廓非接触测量成为光学测量领域的研究热点，出现了众多的三维轮廓测量仪和三维照相机。三维轮廓测量仪只获取被测物的三维几何模型，三维照相机可获取被测物的三维几何模型和表面纹理贴图，可生成具有真实感的三维模型。

在三维人像摄影领域，三维照相机主要基于两种方法：激光扫描法和结构光投影测量法。

1、激光扫描法：

激光扫描法以纯粹的三角测量原理为基础，利用激光逐点扫描物体表面，通过出射点、投影点和成像点三者之间的几何成像关系确定物体各点的三维空间几何坐标。激光扫描仪的价格十分昂贵，非一般用户所能承受。柯尼卡美能达VIVID系列三维激光扫描仪，售价在10～20万美元之间，目前只应用于逆向工程、三维动画、文物复制、虚拟现实、整形医疗等专业领域。

2、结构光投影法：

结构光投影法是目前最常用的三维形状测量方法。基本思想是利用照明光源中的几何信息来帮助提取被测物的三维几何信息，将带有编码信息的光束投影到物体表面，受物体表面高度的调制，结构光场的相位和振幅均发生变化，使二维结构光图发生变形。测量二维结构光图形发生的变化，就可计算出被测物三维几何轮廓信息。如将正弦光栅图投射到被测物体表面上，若被测表面是平面，则得到一组相互平行的直条纹。若被测表面是曲面，则得到一组被物体三维表面调制后的曲线条纹。通过成像系统获取变形条纹图像，利用相移技术可精确测定物体三维面型。

结构光投影法具有原理简单、测量精度高、速度快等优点。如德国Breuckmann公司的工业级高精度optoTOP-HE三维数字化系统在50mm的测量范围内达到0.03mm的X、Y横向分辨率和0.005mm的纵向分辨率，测量时间不到1秒。针对三维摄影市场，Breuckmann公司推出了Face SCAN三维照相机，加拿大的Inspeck公司推出了3D Capture II三维照相机，美国的Genex Technologies公司推出了3D FaceCam三维照相机，英国的Wicks&Wilson公司推出了TriForm三维照相机，我国的深圳泛友公司推出了3D Flash DV三维照相机，杭州先临公司推出了YS-FS500M1三维照相机。深圳泛友公司的3D Flash DV三维照相机可参看中国发明专利第99816634.0号。

已有三维照相机的特点(缺点)：1、光路系统复杂，体积庞大，无法象普通照相机一样便携使用，只能到指定地点拍摄；2、成本高，市场售价均在15万元人民币以上，难以普及应用。

发明内容

本发明针对上述问题提供一种三维人像摄影系统及其实现方法，可以利用普通照相机和计算机软件，拍摄具有照片级真实感的三维人像模型，并通过激光雕刻机在人造水晶内部“打印”出具有真实感的三维实体头像。

本发明所述的一种三维人像摄影系统，由一套照相设备，一台与所述照相机相连，用于生成三维人像模型的计算机，以及一台与所述计算机相连，用于在人造水晶内部输出三维实体头像的激光雕刻机组成。

本发明所述的照相设备的一种实现方式包括一台普通光学相机和一台与所述计算机相连，用于将光学相机拍摄的照片数字化并传输给所述计算机的扫描设备。

本发明所述的照相设备还可以是一台直接与所述计算机相连，可以将所拍摄的数字化照片直接传输给所述计算机的数码照相机。

本发明所述的一种三维人像摄影方法，包括以下步骤：首先照相设备拍摄人像的正面和侧面照片各一张，将生成的数码文件传送给计算机；计算机对正面和侧面照片进行预处理，使正、侧面照片中的人头高度和面部器官大小完全相同；计算机对正面照片和侧面照片进行识别，获取人脸关键特征点的三维空间位置和面部轮廓曲线；计算机将所提取的特征点和面部轮廓曲线作为变形参数，修正标准模型相应特征点参数，获得特定人的三维人像几何模型；计算机根据正面照片和侧面照片与几何模型的投影关系，将正面、侧面照片无缝合成为纹理图像映射到三维几何模型上，获得具有真实感的三维人像模型；计算机将纹理贴图转换为半色调图像，与三维人像模型融合为空间点云图像，生成激光雕刻加工文件并传送给激光雕刻机；最后激光雕刻机根据加工文件，在人造水晶内部加工出具有真实感的三维实体头像。

与已有的三维摄影技术相比，本发明所述的三维人像摄影系统使用的是普通照相机，无需采用价格昂贵的专业三维照相机，即可根据人体测量学丰富的先验知识，利用计算机视觉算法来获取具有真实感的人像三维模型。传统的二维平面照片多通过明暗对比和透视关系来造成视觉上的空间立体感，无法产生引人入胜的自然立体观感。与传统的二维摄影技术相比，本发明所述的三维人像摄影系统加工生成的三维水晶影像的空间造型与原型一致，不仅具有高度、宽度、深度三维空间几何形体特征，而且具有真实逼真的表面纹理信息，可给人以亲切、逼真的感觉。又因水晶内外表面的光线折射作用，使悬浮在水晶内部的三维立体头像会随观察者的移动而转动头部，给人以一种前所未有的独特视觉享受。同时，传统的二维影像记录载体(相纸)存在着不宜长期保存、易受潮褪色、见光发黄、艺术表现效果单一等缺陷。而本发明所采用的水晶载体具备工艺品玲珑剔透、高贵典雅、质地坚硬、恒久不变等优点，所表达的思想内涵远远超出了纸质照片所能表达的思想内涵。而本发明所述的三维人像摄影系统加工生成的三维水晶立体影像将人生的精彩时刻永久驻留在水晶内部，实现了现代科学与传统艺术的完美结合，能给人带来全新的视觉享受，具有很高的审美价值和收藏价值。

附图说明

图1是本发明所述的三维人像摄影系统的结构示意图；

图2是本发明所述的三维人像摄影方法的流程图；

图3是本发明所述的三维人像摄影系统中的标准人脸三维模型示意图；

图4、图5是本发明所述的三维人像摄影系统生成的具有照片真实感的人像三维模型示意图；

图6是本发明所述的三维人像摄影系统生成的三维人像示意图。

图中，1照相设备，2计算机，3激光雕刻机，4人脸三维模型，5三维人像几何模型，6三维人像模型。

具体实施方式

通过下面结合附图对本发明所述的三维人像摄影系统的实施例进行详细描述，可以更好地理解本发明的其他目的、特性和优点。

参见图1描述本发明所述的三维人像摄影系统。如图1所示，所述三维人像摄影系统由一套照相设备1，一台与照相设备1相连的计算机2，和一台与计算机2相连的激光雕刻机3组成。照相设备1可以是数码照相机，也可以是普通光学照相机加上一台扫描设备。拍摄三维人像时，照相设备1先拍摄人像的正面和侧面照片各一张，如果用数码照相机，数码文件即照片可以直接传送给计算机2，如果用普通光学照相机，照片需要通过扫描设备数字化后再传送给计算机2。计算机2对正面和侧面照片进行处理并识别后生成三维人像模型，并根据该模型生成激光雕刻加工文件传输给激光雕刻机3。激光雕刻机3根据加工文件在人造水晶内部雕刻出三维水晶立体影像。

参见图2描述本发明所述的三维人像摄影方法。如图2所示，所述三维人像摄影方法包括以下步骤：在步骤S1中，照相设备1拍摄人像的正面和侧面照片各一张并传送给计算机2；在步骤S2中，计算机2对照片去除噪声并进行归一化，使正面和侧面中的人头高度和面部器官大小完全相同；在步骤S3中，计算机2对人像的特征点进行识别、提取特征点的三维空间位置和面部轮廓曲线；在步骤S4中，计算机2根据步骤S3中特征点的位置和面部轮廓曲线对标准模型进行修正，生成特定人像的三维几何模型；在步骤S5中，计算机2根据正面和侧面照片的空间相对位置，将正面、侧面照片无缝合成为纹理图像映射到三维几何模型上，获得具有真实感的三维人像模型；在步骤S6中，计算机2将纹理贴图转换为半色调图像，与三维人像模型融合为空间点云图像，生成激光雕刻加工文件并传送给激光雕刻机3；在步骤S7中，激光雕刻机3根据加工文件，在人造水晶内部加工出具有真实感的三维实体头像。

参见图3描述标准人像几何模型。虽然每个人的人脸都不一样，但是人类面部都具有相同的基本结构，如眼睛、鼻子、嘴巴、耳朵等器官，而且五官的形状和分布位置也基本相同。在人脸正面图像上，人的脸部轮廓可近似地看作椭圆，双眼在椭圆的水平对称轴上，眉心、鼻尖和下巴尖点位于竖直对称轴上，眼睛、鼻子、嘴巴等器官在整个面部中的相对位置是稳定的。人脸的基本形状及五官之间的位置存在着“三庭五眼”的规律。在竖直方向上，发际到眉弓、眉弓到鼻尖、鼻尖到下巴尖点的距离都相等，称作“三庭”；在水平方向上，两眼之间、两眼外角分别到双耳的距离都相等，均为一眼宽，加上两个眼睛自身的宽度，称为“五眼”。因此人类头部三维几何模型可用相同的数据结构来描述。而特定人的个性特征可通过对公共特征的调整而得到，如面部轮廓、眼睛大小、眉毛粗细、鼻子高低等。本发明根据上述先验知识，预先建立了一个如图3所示的特征点参数可调的标准人脸三维模型4。

参见图4、图5描述特定人像的三维模型。如图4所示，计算机2首先根据特定人像的正面和侧面照片所提取的特征点和面部轮廓曲线，对标准人脸三维模型4进行修正，将眼睛、鼻子、嘴巴等器官映射到标准人脸三维模型4上，生成三维人像几何模型5。之后，计算机2将正面和侧面照片拼接成一张与视点无关的纹理图像，并贴到三维人像几何模型5上生成三维人像模型6。由于正面和侧面图像的光照条件和拍摄角度不同，拼接起来的贴图有明显的裂缝。为了消除裂缝，采用多分辨率样条技术(图像金字塔法)消去正面和侧面图像之间的裂痕。图像金字塔可以看作代表原始图像的不同分辨率的一组图像的集合。高层的图像来自底层图像，底层的图像就是原始图像。高斯金字塔的第n层通过低通滤波和缩小从第n-1层中产生，拉普拉斯金字塔的第n层是把高斯金字塔的第n+1层扩大，再和高斯金字塔的第n层求差得到。递归建立高斯和拉氏金字塔后，在返回过程中，求和重建图像得到了无缝拼接的图像。从正面、侧面照片融合出的纹理图像是二维的，而人脸模型是三维的，所以纹理图像的象素范围与人脸模型的象素范围通常不能很好地吻合。为获得较好的贴图质量，需采用插值方法来计算人脸模型的象素颜色，较好地实现纹理缩放和纹理重复。

参见图6描述通过激光雕刻机3加工生成的三维实体人像。激光内雕机是一种与激光打印机类似的二值点阵输出设备，输出的点只能是开或关两种状态，每个打印点只有有色或无色两种状态，而没有深浅浓淡之分。本发明采用了空间半色调技术，充分利用视觉对视频信号的带通特性，将连续色调的纹理贴图灰度图像进行三维空间调制，使得在小面积内分布的像素灰度被综合为该面积的灰度，通过激光快速成形设备输出，形成一个在视觉观察效果上近似于原图像的二值图像。空间半色调技术采用n×n×m的二值矩阵去代替灰阶图像的像素点。二值矩阵中各元素是取“0”还是取“1”，由原灰阶图像的像素值和一具有相同尺寸的阈值矩阵确定。灰阶图像的像素值逐个同阈值矩阵中的每个阈值进行比较，当小于阈值矩阵中的阈值时，在二值矩阵相应的位置上取“1”，反之为“0”。一个4×4×4的二值矩阵可以有16+1级灰度，8×8×4的二值矩阵可以有64+1级不同的灰度。随着二值矩阵维数的增加，半色调图像的灰阶层次增加，但空间分辨力将变差。通常人眼所能分辨的灰阶数目大约在64和128之间，而人眼的空间分辨能力(视觉截止频率)在一般的阅读距离上大约为16周/mm。根据实验结果，当激光雕刻机的最小点距为0.1mm时，采用4×4×4的的二值矩阵比较合适，其半色调图像的灰阶数为17，空间分辨力为3周/mm。

空间半色调技术使用多个二维矩阵代替灰阶图像的像素点，可提高像素点的亮度和空间分辨率。

以上所描述的仅是本发明的部分应用实例，而不应该被视为对本发明的局限。根据本发明所公开的概念，本领域的技术人员可以很容易地设计出其他类似的实施方案。本发明的权利要求书应被视为包含那些不背离本发明宗旨的类似设计。

Claims (1)

1、一种三维人像摄影方法，其特征在于，所述三维人像摄影方法包括以下步骤：

1)照相设备拍摄人像的正面和侧面照片各一张，并将生成的数码文件传送给计算机；

2)计算机对正面和侧面照片进行预处理，使正、侧面照片中的人头高度和面部器官大小完全相同；

3)计算机对正面照片和侧面照片进行识别，获取人脸关键特征点的三维空间位置和面部轮廓曲线；

4)计算机将所提取的特征点和面部轮廓曲线作为变形参数，修正标准模型相应特征点参数，获得特定人的三维人像几何模型；

5)计算机根据正面照片和侧面照片与几何模型的投影关系，将正面、侧面照片无缝合成为纹理图像映射到三维几何模型上，获得具有真实感的三维人像模型；

6)计算机将纹理贴图转换为空间半色调图像，与三维人像模型融合为空间点云图像，生成激光雕刻加工文件并传送给激光雕刻机；

7)最后激光雕刻机根据加工文件，在人造水晶内部加工出具有真实感的三维实体头像。

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