CN102081687A - 一种三维立体发型设计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种三维立体发型设计方法及装置，通过采集顾客头部图像对，分别获得左视图和右视图，然后进行相机标定，分析确定三维投影模型，最终利用双目立体视觉技术建立头部立体模型并进行优化，将三维发型与头部立体模型叠加，从而可预先为顾客演示立体的发型设计效果、有效满足客户个性化需求。

Description

一种三维立体发型设计方法及装置

技术领域

本发明涉及计算机图像处理技术领域，尤其涉及一种三维立体发型设计方法及装置。

背景技术

美容美发关乎人们的日常生活，通常发型设计过程需要顾客与发型师进行若干次反复交流才能最终完成。目前美容美发行业多采取以下步骤进行发型设计：首先由顾客从美发杂志上挑选中意的发型样式，或以此为参考提出自己的发型设计思路；接着由发型师提出专业的建议，经与顾客确认后开始修剪；在发型修剪过程中，发型师利用顾客正面的镜子或手持后视镜将效果展示给顾客，并及时调整修剪方案；最终完成发型设计过程。实际上，在剪发过程中，由于知识层次、行业背景、审美观念等诸多方面存在着差异，使得顾客与发型师之间的沟通交流难以快速有效地进行。一方面，顾客无法准确描述出自己真正需要的发型样式；另一方面，发型师对顾客的要求也往往一知半解。因此，设计出来的发型与顾客心理预期难免存在较大差异。然而，发型设计“一剪定乾坤”，当顾客发现发型不合适时，一般已无法弥补，因此只能乘兴而来、遗憾而归。

专利公开号CN 1088699A公布了一种电脑美容美发设计系统，具体由摄像头、计算机主机、监视器、键盘和机箱组成。首先利用摄像头采集顾客图片，然后从主机发型库中选择适当的发型叠加在顾客的头像上。该系统只能对顾客的正面形象进行设计，并且只具有平面效果，因此功能较为单一。

专利号ZL 200820114192.9公布了一种理发装置，通过在顾客座位的左侧、右侧、前侧和后侧分别安装摄像机来采集顾客多个角度的图像。摄像机的输出通过数据线与主机相连，可以拍摄理发的全过程，便于从各个角度展示发型效果。此外主机还与一台相片打印机相连，在征得顾客同意的情况下，可将发型效果打印出来。该系统虽然可以从多个角度展示发型效果，但依然属于平面发型设计，顾客无法得到立体真实的发型设计感受。此外该系统作为发型设计的一种辅助手段，仅仅起到了发型展示的作用，并没有积极参与整个发型设计过程。

专利公开号CN 1450871A公布了一种发型设计系统，具体由影像处理装置、输出入装置、图表系统显像装置、头形展开图数据储存装置和发型设计数据储存装置构成。该发明的目的在于将顾客希望的发型造型数值化、符号化，并记入预先准备的头形展开图中，从而使得发型设计格式化、标准化。该系统过于专业复杂，并且面向对象是发型设计师，而顾客无法从该系统获得有益的指导帮助。

专利公开号CN 101751503A和CN 101355467A分别公布了一种发型设计迷你机和一种发型修改系统。这两项发明相对简便轻巧，便于美发行业部署使用，但其技术实现依然是平面发型设计，不利于顾客获得直观的发型设计体验。

因此，设计一种预先为顾客演示立体的发型设计效果、有效满足客户个性化需求的发型设计方法及装置十分必要，是计算机图像处理技术领域目前急待解决的问题之一。

发明内容

本发明实施例提供了一种三维立体发型设计方法及装置，通过采集顾客头部图像对，分别获得左视图和右视图，然后进行相机标定，分析确定三维投影模型，最终利用双目立体视觉技术建立头部立体模型并进行优化，将三维发型与头部立体模型叠加，从而可预先为顾客演示立体的发型设计效果、有效满足客户个性化需求。

本发明实施例提供以下技术方案：

一种三维立体发型设计方法，包括：

步骤S1、采集顾客头部图像对，分别获得左视图和右视图。

步骤S2、进行相机标定，分析确定三维投影模型。

步骤S3、利用双目立体视觉技术建立头部立体模型。

步骤S4、调整参数、优化头部立体模型。

步骤S5、将三维发型与头部立体模型叠加。

优选的，上述步骤一中，采用位于同一水平高度、相距不超过100cm的双摄像机采集头部图像对。

优选的，上述步骤二中，采用单摄像机的标定方法，分别得到两个摄像机的内、外参数，再通过同一世界坐标中的一组定标点来建立两个摄像机之间的位置关系。

优选的，可采用的单摄像机标定方法包括但不限于直接线性变换性、透视变换短阵法和两步法。

优选的，上述透视变换短阵法从透视变换的角度来建立摄像机的成像模型，无需初始值，可以进行实时计算。

优选的，上述步骤四中，调整图像质量、特征点的选取以及配准误差参数。

优选的，上述步骤五进一步包括：针对亚洲人群发型特质，建立三维发型库。

一种三维立体发型设计装置，包括图像采集模块、相机标定模块、构建模块、优化模块以及叠加模块。

优选的，上述图像采集模块，用于采集顾客头部图像对，分别获得左视图和右视图。

优选的，上述相机标定模块，用于相机标定，分析确定三维投影模型。

优选的，上述构建模块，用于利用双目立体视觉技术建立头部立体模型。

优选的，上述优化模块，用于调整参数、优化头部立体模型。

优选的，上述叠加模块，用于将三维发型与头部立体模型叠加。

优选的，上述构建模块进一步包括：

图像预处理模块，用于对图像对比度的增强、随机噪声的去除、滤波和伪彩色处理。

特征提取模块，用于从左视图中提取相应的特征点，包括点状特征、线状特征、纹理特征和区域特征等。

配准模块，用于通过对所选特征点的计算，建立特征点之间的对应关系，将同一个空间物理点在不同图像中的映像点进行对应。

三维重建模块，用于进行空间点的重建。

本发明提供的一种三维立体发型设计方法及装置，通过采集顾客头部图像对，分别获得左视图和右视图，然后进行相机标定，分析确定三维投影模型，最终利用双目立体视觉技术建立头部立体模型并进行优化，将三维发型与头部立体模型叠加，从而可预先为顾客演示立体的发型设计效果、有效满足客户个性化需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的三维立体发型设计方法流程图；

图2是本发明实施例提供的三维立体发型设计装置示意图；

图3是本发明实施例提供的构建模块装置示意图；

图4是本发明实施例提供的双目立体视觉技术示意图；

图5是本发明实施例提供的三维立体发型设计实施例示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种三维立体发型设计方法及装置，通过采集顾客头部图像对，分别获得左视图和右视图，然后进行相机标定，分析确定三维投影模型，最终利用双目立体视觉技术建立头部立体模型并进行优化，将三维发型与头部立体模型叠加，从而可预先为顾客演示立体的发型设计效果、有效满足客户个性化需求。为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明实施例提供一种三维立体发型设计方法，如图1所示，具体步骤包括：

步骤S1、采集顾客头部图像对，分别获得左视图和右视图。

具体而言，在本发明实施例中，双目体视图像的获取由不同位置的两台或者一台CCD摄像机经过平移或旋转拍摄同一幅场景，从而获取立体图像对。本发明采用位于同一水平高度、相距不超过100cm的双摄像机采集头部图像对，所采集到的图像分别称为左视图和右视图。

步骤S2、进行相机标定，分析确定三维投影模型。

具体而言，在本发明实施例中，对于双目立体视觉系统而言，CCD摄像机、数码相机是利用计算机技术对物理世界进行重建前的基本测量工具，对其进行标定是实现立体视觉的基本步骤和关键所在。先采用单摄像机的标定方法，分别得到两个摄像机的内、外参数，再通过同一世界坐标中的一组定标点来建立两个摄像机之间的位置关系。可采用的单摄像机标定方法包括：直接线性变换性、透视变换短阵法和两步法。

其中，直接线性变换性由于涉及的参数少，计算较为简便。

其中，透视变换短阵法则从透视变换的角度来建立摄像机的成像模型，无需初始值，可以进行实时计算。

其中，相机标定的两步法首先采用透视短阵变换的方法求解线性系统的摄像机参数，再以求得的参数为初始值，考虑畸变因素，然后利用最优化方法求得非线性解，因此标定精度较高。根据实施现场对于标定精度的要求可以分别选择不同的相机标定方法，本发明实施例采用透视短阵变换即可取得较好的效果。

步骤S3、利用双目立体视觉技术建立头部立体模型。

具体而言，在本发明实施例中，双目立体视觉主要是基于视差原理，如图4所示，基线距B表示两台摄像机的投影中心连线的距离，相机焦距为f。设两摄像机在同一时刻观看空间物体的同一特征点P(x_c，y_c，z_c)，分别在“左眼”和“右眼”上获取了点P的图像，它们的图像坐标分别为P_left＝(X_left，Y_left)，P_right＝(X_right，Y_right)。由于两摄像机的图像在同一个水平面上，因此特征点P的Y坐标相同，即Y＝Y_left＝Y_right。由三角几何关系得到：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{left}}=f\frac{x_c}{z_c}\\ X_{\mathrm{right}}=f\frac{(x_c-B)}{z_c}\\ Y=f\frac{y_c}{z_c}\end{array}\right.$

则视差为：Disparity＝X_left-X_right。由此可计算出特征点P在相机坐标系下的三维坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_c=\frac{B\·X_{\mathrm{left}}}{\mathrm{Disparity}}\\ y_c=\frac{B\·Y}{\mathrm{Disparity}}\\ z_c=\frac{B\·f}{\mathrm{Disparity}}\end{array}\right.$

因此，左相机像面上的任意一点只要能在右相机像面上找到对应的匹配点，就可以确定出该点的三维坐标。这种方法是完全的点对点运算，像面上所有点只要存在相应的匹配点，就可以参与上述运算，从而获取相应的三维坐标。

具体而言，在本发明实施例中，利用双目立体视觉技术建立头部立体模型进一步包括如下步骤：

S31、图像预处理：在图像获取过程中，存在一系列的噪声源，通过预处理可以显著提高图像质量。图像预处理主要包括图像对比度的增强、随机噪声的去除、滤波和伪彩色处理等。

S32、提取特征点：从左视图中提取相应的特征点，以便在后续的立体配准步骤中能从右视图中找到与之相对应的特征点，从而便于头部三维模型的建立。可提取的特征主要包括：点状特征、线状特征、纹理特征和区域特征等。

S33、立体配准：通过对所选特征点的计算，建立特征点之间的对应关系，将同一个空间物理点在不同图像中的映像点对应起来。立体配准由三个基本步骤组成：首先从立体图像对中的一幅图像(如左视图)中选择与实际物理结构相应的图像特征；然后在另一幅图像(如右视图)中确定出同一物理结构的对应图像特征；最终确定这两组特征之间的相对位置，得到视差图像。其中第二个步骤是实现立体配准的关键，本发明采用尺度不变特征变换(Scale Invariant Feature Transform，SIFT)算法提取特征，并进行立体配准。SIFT算法由Lowe D.G.于1999年提出，是一种局部特征提取算法，用于在尺度空间寻找极值点，提取位置、尺度、旋转不变量，并生成关键点特征描述子。

S34、三维重建：在得到空间任一点在左右视图中的对应坐标以及两摄像机参数矩阵的条件下，即可进行空间点的重建。通过建立以该点的世界坐标为未知数的四个线性方程，可以用最小二乘法求解得到该点的世界坐标。实际重建过程可采用外极线结束法。空间点、两摄像机的光心这三点组成的平面分别与两个成像平面的交线称为该空间点在这两个成像平面中的极线。一旦两摄像机的内外参数确定，就可通过两个成像平面上的极线的约束关系建立对应点之间的关系，并由此联立方程，求得图像点的世界坐标值。经过计算恢复物体的三维坐标，并借助OpenGL/DirectX技术实现三维数据点的可视化显示。

步骤S4、调整参数、优化头部立体模型。

具体而言，在本发明实施例中，经上述步骤重建得到的三维头部模型由于图像质量、特征点的选取以及配准误差等原因可能会出现模型局部畸变/失真的情况，此时需要调整参数，对模型进行适当优化、修正，调整图像质量、特征点的选取以及配准误差参数，使得建立的三维模型更为真实可靠。

步骤S5、将三维发型与头部立体模型叠加。

具体而言，在本发明实施例中，步骤S5进一步包括：针对亚洲人群的发型特性，首先对现有公开的发型库进行分析研究，排除简模、分析高模，并发现不足，然后将OpenGL/DirectX技术与3DS Max相结合，建立适合本发明的三维发型库，具体步骤包括发型模型的构建、发型材质的生成、光照角度和光源距离的确定等。

最终，将三维发型与头部立体模型叠加，完成发型设计。

一种三维立体发型设计装置，包括图像采集模块111、相机标定模块222、构建模块333、优化模块444以及叠加模块555。

图像采集模块111，用于采集顾客头部图像对，分别获得左视图和右视图。

具体而言，在本发明实施例中，双目体视图像的获取由不同位置的两台或者一台CCD摄像机经过平移或旋转拍摄同一幅场景，从而获取立体图像对。本发明采用位于同一水平高度、相距不超过100cm的双摄像机采集头部图像对，所采集到的图像分别称为左视图和右视图。

相机标定模块222，用于相机标定，分析确定三维投影模型。

具体而言，在本发明实施例中，对于双目立体视觉系统而言，CCD摄像机、数码相机是利用计算机技术对物理世界进行重建前的基本测量工具，对其进行标定是实现立体视觉的基本步骤和关键所在。先采用单摄像机的标定方法，分别得到两个摄像机的内、外参数，再通过同一世界坐标中的一组定标点来建立两个摄像机之间的位置关系。可采用的单摄像机标定方法包括：直接线性变换性、透视变换短阵法和两步法。

其中，直接线性变换性由于涉及的参数少，计算较为简便。

其中，透视变换短阵法则从透视变换的角度来建立摄像机的成像模型，无需初始值，可以进行实时计算。

其中，相机标定的两步法首先采用透视短阵变换的方法求解线性系统的摄像机参数，再以求得的参数为初始值，考虑畸变因素，然后利用最优化方法求得非线性解，因此标定精度较高。根据实施现场对于标定精度的要求可以分别选择不同的相机标定方法，本发明实施例采用透视短阵变换即可取得较好的效果。

构建模块333，用于利用双目立体视觉技术建立头部立体模型。

具体而言，在本发明实施例中，双目立体视觉主要是基于视差原理，如图4所示，基线距B表示两台摄像机的投影中心连线的距离，相机焦距为f。设两摄像机在同一时刻观看空间物体的同一特征点P(x_c，y_c，z_c)，分别在“左眼”和“右眼”上获取了点P的图像，它们的图像坐标分别为P_left＝(X_left，Y_left)，P_right＝(X_right，Y_right)。由于两摄像机的图像在同一个水平面上，因此特征点P的Y坐标相同，即Y＝Y_left＝Y_right。由三角几何关系得到：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{left}}=f\frac{x_c}{z_c}\\ X_{\mathrm{right}}=f\frac{(x_c-B)}{z_c}\\ Y=f\frac{y_c}{z_c}\end{array}\right.$

则视差为：Disparity＝X_left-X_right。由此可计算出特征点P在相机坐标系下的三维坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_c=\frac{B\·X_{\mathrm{left}}}{\mathrm{Disparity}}\\ y_c=\frac{B\·Y}{\mathrm{Disparity}}\\ z_c=\frac{B\·f}{\mathrm{Disparity}}\end{array}\right.$

因此，左相机像面上的任意一点只要能在右相机像面上找到对应的匹配点，就可以确定出该点的三维坐标。这种方法是完全的点对点运算，像面上所有点只要存在相应的匹配点，就可以参与上述运算，从而获取相应的三维坐标。

具体而言，在本发明实施例中，构建模块333进一步包括：

图像预处理模块3331，用于对图像对比度的增强、随机噪声的去除、滤波和伪彩色处理。具体而言，在图像获取过程中，存在一系列的噪声源，通过预处理可以显著提高图像质量。图像预处理主要包括图像对比度的增强、随机噪声的去除、滤波和伪彩色处理等。

特征提取模块3332，用于从左视图中提取相应的特征点，包括点状特征、线状特征、纹理特征和区域特征等。具体而言，从左视图中提取相应的特征点，以便在后续的立体配准步骤中能从右视图中找到与之相对应的特征点，从而便于头部三维模型的建立。可提取的特征主要包括：点状特征、线状特征、纹理特征和区域特征等。

配准模块3333，用于通过对所选特征点的计算，建立特征点之间的对应关系，将同一个空间物理点在不同图像中的映像点进行对应。具体而言，通过对所选特征点的计算，建立特征点之间的对应关系，将同一个空间物理点在不同图像中的映像点对应起来。立体配准由三个基本步骤组成：首先从立体图像对中的一幅图像(如左视图)中选择与实际物理结构相应的图像特征；然后在另一幅图像(如右视图)中确定出同一物理结构的对应图像特征；最终确定这两组特征之间的相对位置，得到视差图像。其中第二个步骤是实现立体配准的关键，本发明采用尺度不变特征变换(Scale Invariant Feature Transform，SIFT)算法提取特征，并进行立体配准。SIFT算法由Lowe D.G.于1999年提出，是一种局部特征提取算法，用于在尺度空间寻找极值点，提取位置、尺度、旋转不变量，并生成关键点特征描述子。

三维重建模块3334，用于进行空间点的重建。具体而言，在得到空间任一点在左右视图中的对应坐标以及两摄像机参数矩阵的条件下，即可进行空间点的重建。通过建立以该点的世界坐标为未知数的四个线性方程，可以用最小二乘法求解得到该点的世界坐标。实际重建过程可采用外极线结束法。空间点、两摄像机的光心这三点组成的平面分别与两个成像平面的交线称为该空间点在这两个成像平面中的极线。一旦两摄像机的内外参数确定，就可通过两个成像平面上的极线的约束关系建立对应点之间的关系，并由此联立方程，求得图像点的世界坐标值。经过计算恢复物体的三维坐标，并借助OpenGL/DirectX技术实现三维数据点的可视化显示。

优化模块444，用于调整参数、优化头部立体模型。

具体而言，在本发明实施例中，经上述模块重建得到的三维头部模型由于图像质量、特征点的选取以及配准误差等原因可能会出现模型局部畸变/失真的情况，此时需要调整参数，对模型进行适当优化、修正，使得建立的三维模型更为真实可靠。

叠加模块555，用于将三维发型与头部立体模型叠加。

具体而言，在本发明实施例中，叠加模块进一步包括：针对亚洲人群的发型特性，首先对现有公开的发型库进行分析研究，排除简模、分析高模，并发现不足，然后将OpenGL/DirectX技术与3DS Max相结合，建立适合本发明的三维发型库，具体步骤包括发型模型的构建、发型材质的生成、光照角度和光源距离的确定等。

最终，将三维发型与头部立体模型叠加，完成发型设计。

本发明还提供一个具体实施例如下：如图5所示，包括镜子1、摄像机2和3、显示器4、主机5、键盘6、鼠标7、工作台8和顾客座椅9。在顾客座椅9正前方安装有镜子1，在镜子1偏下正对顾客的部分居中镶嵌有一台液晶显示器4，在显示器4左右两侧分别安装有一台摄像机2和3，在镜子1下方是一工作台6，用于放置理发工具及鼠标键盘等外部设备。在所述工作台6的左侧放置一台计算机主机5，主机5通过数据线分别与摄像机2和3、显示器4、键盘6和鼠标7相连接。摄像机2和3用于采集顾客的头部图像，并通过数据线将采集到的图像传输至主机5，主机5内部安装有三维立体发型设计软件，通过上述若干步骤的三维建模过程，将发型设计结果通过数据线显示于显示器4中，供顾客参考。头部模型建立好之后，顾客可以通过键盘6或鼠标7选择不同的发型，直至确定中意的发型，发型师则根据此效果对顾客实施发型设计。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

综上所述，本文提供了本发明实施例提供一种三维立体发型设计方法及装置，通过采集顾客头部图像对，分别获得左视图和右视图，然后进行相机标定，分析确定三维投影模型，最终利用双目立体视觉技术建立头部立体模型并进行优化，将三维发型与头部立体模型叠加，从而可预先为顾客演示立体的发型设计效果、有效满足客户个性化需求。

以上对本发明所提供的一种三维立体发型设计方法及装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方案；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (14)

1.一种三维立体发型设计方法，其特征在于，所述设计方法包括：

步骤S1、采集顾客头部图像对，分别获得左视图和右视图；

步骤S2、进行相机标定，分析确定三维投影模型；

步骤S3、利用双目立体视觉技术建立头部立体模型；

步骤S4、调整参数、优化头部立体模型；

步骤S5、将三维发型与头部立体模型叠加。

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，在所述步骤一中，采用位于同一水平高度、相距不超过100cm的双摄像机采集头部图像对。

3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，在所述步骤二中，采用单摄像机的标定方法，分别得到两个摄像机的内、外参数，再通过同一世界坐标中的一组定标点来建立两个摄像机之间的位置关系。

4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，可采用的单摄像机标定方法包括但不限于直接线性变换性、透视变换短阵法和两步法。

5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述透视变换短阵法从透视变换的角度来建立摄像机的成像模型，无需初始值，可以进行实时计算。

6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，在所述步骤四中，调整图像质量、特征点的选取以及配准误差参数。

7.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤五进一步包括：针对亚洲人群发型特质，建立三维发型库。

8.一种三维立体发型设计装置，其特征在于，所述设计装置包括图像采集模块、相机标定模块、构建模块、优化模块以及叠加模块。

9.根据权利要求8所述的设计装置，其特征在于，所述图像采集模块，用于采集顾客头部图像对，分别获得左视图和右视图。

10.根据权利要求8所述的设计装置，其特征在于，相机标定模块，用于相机标定，分析确定三维投影模型。

11.根据权利要求8所述的设计装置，其特征在于，构建模块，用于利用双目立体视觉技术建立头部立体模型。

12.根据权利要求8所述的设计装置，其特征在于，优化模块，用于调整参数、优化头部立体模型。

13.根据权利要求8所述的设计装置，其特征在于，叠加模块，用于将三维发型与头部立体模型叠加。

14.根据权利要求11所述的设计装置，其特征在于，构建模块进一步包括：

图像预处理模块，用于对图像对比度的增强、随机噪声的去除、滤波和伪彩色处理；

特征提取模块，用于从左视图中提取相应的特征点，包括点状特征、线状特征、纹理特征和区域特征等；

配准模块，用于通过对所选特征点的计算，建立特征点之间的对应关系，将同一个空间物理点在不同图像中的映像点进行对应；

三维重建模块，用于进行空间点的重建。

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