CN106952336B - 一种保特征的人类三维头像生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及计算机视觉技术技术领域，具体涉及一种保特征的人类三维头像生产方法，包括：基于深度摄像头采集用户真实面部，并提取面部参数特征，将提取的面部特征与标准头部模型进行匹配后生成与所扫描头部一致的高保真头像，通过调整几何参数，纹理颜色参数，选择头发模型三个步骤实现头像个性化定制，选择头发模型可在预定义的多种头发模型中选择，通过发型贴合算法将头发模型与头部模型进行匹配，使其完全贴合。本发明中发型贴合算法的应用避免了使用其他第三方软件才能添加头发及头饰等，合成为完整的保留用户特征的三维头像，提高用户在既定的三维场景中三维形象的辨识度，提升用户体验。

Description

一种保特征的人类三维头像生产方法

技术领域

本发明涉及计算机视觉技术技术领域，具体的说是一种保特征的人类三维头像生产方法。

背景技术

三维建模是计算机视觉和计算机图形学领域中的一个基本问题，而人脸凭借其特有的普遍性和易用性成为众多专家学者进行三维建模的研究对象。人体头像的建模就是把真实人体头像的框架标准化，然后通过激光扫描仪和立体摄像机等三维数据获得人体头像的三维点云数据，再通过计算机对数据进行处理获得人体头像的3D几何模型。现有技术中，瑞士初创公司Vizago推出的一种技术可以快速将二维头像照片转换成逼真的三维立体模型，该技术对照片要求较高，需要照片不能有扭曲，曝光度合适才能生成较逼真的三维模型，另外该技术不能处理头发，生成的三维模型为光头或者少量刘海(贴图表现而非模型)，需要借助其他第三方软件才能添加头发及头饰等。

故针对上述技术中存在的缺点及局限性，即不能精确地保特征且处理头发的问题，本发明提出了保特征的人类三维头像生产方法。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种保特征的人类三维头像生产方法，为虚拟现实等三维应用软件提供可供用户自定义且含用户部分特征的三维头像，提高用户在既定的三维场景中三维形象的辨识度，提升用户体验。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种保特征的人类三维头像生产方法，包括以下步骤：

步骤1：基于深度摄像头扫描用户面部特征，采集用户真实面部，并提取面部参数特征；

步骤2：预制标准头部模型，采集标准头部模型的面部参数特征，将提取的面部参数特征与标准头部模型的面部参数特征进行一一映射融合后生成与所扫描头部一致的仿真头部模型；

步骤3：将仿真头部模型通过形状变换即调整几何参数变换对应边长或者节点位置来变换模型形状来变换头部模型；

步骤4：将变换头部模型通过颜色变换，调整纹理后进行融合获得变换头部形象；

步骤5：选取头发模型经过发型贴合算法将头发模型匹配到变换头部形象上，合成为完整的保留用户特征的三维头像，得到头像成果。

进一步地，所述步骤3中调整几何参数包括调整颧骨高度、额头宽度、下巴宽度。

进一步地，所述步骤4中调整纹理颜色包括调整肤色、添加痣、除痣。

进一步地，所述步骤5中的发型贴合算法具体为：

对头发模型顶点分别进行变换，每一个头部模型顶点沿法线方向向外延伸，可以获得一个包含该头发顶点的三角形面，

变换过程如下所示：

设有如下变量：

Nt＝包含头部模型顶点的三角形的法线，

Ns＝曲面法线，

Vh＝头发顶点，

P＝头部模型顶点，

Px＝头发顶点沿曲面法线与头部模型顶点三角形的交点，

at＝两倍的包含头发顶点的三角形的面积，

d＝头发顶点到包含头部模型顶点的三角形的垂线距离，

L＝头发顶点与交叉点Px的距离，

头发顶点到包含头部模型顶点的三角形的垂线距离为映射三角形的距离，为

d＝Nt(Vh-P)，

Ni是Vi的法线，预期的每个顶点的位置Vi′为

Vi′＝Vi+dNi/(NtNi)，

头发顶点相对于预期三角形的重心坐标是总三角形面积的函数，两倍的三角形的面积由向量叉乘计算而来，为

at＝|(V1′-V0′)x(V2′-V0′)|，

三个的重心坐标，a、b和c则是

a＝|(V2′-V1′)x(Vh-V1′)|/at，

b＝|(V0′-V2′)x(Vh-V2′)|/at，

c＝|(V1′-V0′)x(Vh-V0′)|/at，

如果a、b和c大于零则顶点在三角形内部，并且a、b、c的总和小于1，该顶点位于曲面法线上，从三个顶点法线插值出重心坐标标识出了曲面法线为

Ns＝aN0+bN1+cN2，

交点是Px＝aV0+bV1+cV2，

距离L为从头发顶点到Px的距离，头变形后，头发顶点沿法线向远离头部模型方向移动了距离为

L＝|(Px-Vh)|，

确定头发顶点相对于变换后头部模型的新位置过程正好相反，先前相对于标准头部网格计算，重心坐标用于计算头发顶点位置和新头部模型的法线为

Ns′＝aN0′+bN1′+cN2′，

Px′＝aV0′+bV1′+cV2′，

新的毛发顶点位置为

Vh′＝Px′+LNs′。

本发明的有益效果是：本发明通过调整几何参数来变换模型形状，选取颜色与纹理进行融合获得变换的头部形象，最后选取头发模型经过发型贴合算法将头发模型匹配到变换头部模型上，发型贴合算法的应用避免了使用其他第三方软件才能添加头发及头饰等，合成为完整的保留用户特征的三维头像，提高了用户体验，提高了辨识度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明流程结构示意图；

图2是本发明简化的头部模型与一个头发顶点结构示意图；

图3是本发明一个包含头发顶点的三角形结构示意图；

图4是本发明变换过程结构示意图。

图中：1、包含头部模型顶点的三角形，2、包含头发顶点的三角形，3、头发顶点到任意头部模型顶点的连线,a、头部模型，d、头发顶点到包含头部模型顶点的三角形的垂线距离，Nt、头部模型顶点的法线，P、头部模型顶点，Vh、头发顶点。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

流程如图1所示，本发明所述的一种保特征的人类三维头像生产方法，具体包括以下步骤：

步骤1：基于深度摄像头扫描用户面部特征，采集用户真实面部，并提取面部参数特征；

步骤2：预制标准头部模型，采集标准头部模型的面部参数特征，将提取的面部参数特征与标准头部模型的面部参数特征进行一一映射融合后生成与所扫描头部一致的仿真头部模型；

步骤3：将仿真头部模型通过形状变换即调整几何参数变换对应边长或者节点位置来变换模型形状来变换头部模型，调整几何参数包括调整颧骨高度、额头宽度、下巴宽度；

步骤4：将变换头部模型通过颜色变换，调整纹理后进行融合获得变换头部形象；

步骤5：选取头发模型经过发型贴合算法将头发模型匹配到变换头部形象上，合成为完整的保留用户特征的三维头像，得到头像成果。发型贴合算法具体为：

对头发模型顶点分别进行变换，简化的头部模型a与一个头发顶点Vh如图2，由图可知，每一个头部模型a顶点沿法线方向向外延伸，可以获得一个包含头发顶点的三角形2如图3，

变换过程如图4，如下所示：

设有如下变量：

Nt＝包含头部模型顶点的三角形的法线，

Ns＝曲面法线，

Vh＝头发顶点，

P＝头部模型顶点，

Px＝头发顶点沿曲面法线与头部模型顶点三角形的交点，

at＝两倍的包含头发顶点的三角形的面积，

d＝头发顶点到包含头部模型顶点的三角形的垂线距离，

L＝头发顶点与交叉点Px的距离，

头发顶点Vh到包含头部模型顶点的三角形的垂线距离d为映射三角形的距离，为

d＝Nt(Vh-P)，

Ni是Vi的法线，预期的每个顶点的位置Vi′为

Vi′＝Vi+dNi/(NtNi)，

头发顶点Vh相对于预期三角形的重心坐标是总三角形面积的函数，两倍的三角形的面积由向量叉乘计算而来，为

at＝|(V1′-V0′)x(V2′-V0′)|，

三个的重心坐标，a、b和c则是

a＝|(V2′-V1′)x(Vh-V1′)|/at，

b＝|(V0′-V2′)x(Vh-V2′)|/at，

c＝|(V1′-V0′)x(Vh-V0′)|/at，

如果a、b和c大于零则顶点在三角形内部，并且a、b、c的总和小于1，该顶点位于曲面法线Ns上，从三个顶点法线插值出重心坐标标识出了曲面法线

Ns＝aN0+bN1+cN2，

交点是Px＝aV0+bV1+cV2，

距离L为从头发顶点Vh到Px的距离。头变形后，头发顶点Vh沿法线向远离头部模型a方向移动了距离

L＝|(Px-Vh)|，

确定头发顶点Vh相对于变换后头部模型的新位置过程正好相反。(先前相对于标准头部网格计算)重心坐标用于计算头发顶点Vh位置和新头部模型的法线

Ns′＝aN0′+bN1′+cN2′，

Px′＝aV0′+bV1′+cV2′，

新的毛发顶点位置为

Vh′＝Px′+LNs′。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种保特征的人类三维头像生产方法，其特征在于,包括以下步骤：

步骤1：基于深度摄像头扫描用户面部特征，采集用户真实面部，并提取面部参数特征；

步骤2：预制标准头部模型，采集标准头部模型的面部参数特征，将提取的面部参数特征与标准头部模型的面部参数特征进行一一映射融合后生成与所扫描头部一致的仿真头部模型；

步骤3：将仿真头部模型通过形状变换即调整几何参数变换对应边长或者节点位置来变换模型形状来变换头部模型；

步骤4：将变换头部模型通过颜色变换，调整纹理后进行融合获得变换头部形象；

步骤5：选取头发模型经过发型贴合算法将头发模型匹配到变换头部形象上，合成为完整的保留用户特征的三维头像，得到头像成果；

所述步骤5中的发型贴合算法具体为：

对头发模型顶点分别进行变换，每一个头部模型顶点沿法线方向向外延伸，可以获得一个包含该头发顶点的三角形面,

变换过程如下所示：

设有如下变量：

Nt＝包含头部模型顶点的三角形的法线，

Ns＝曲面法线，

Vh＝头发顶点，

P＝头部模型顶点，

Px＝头发顶点沿曲面法线与头部模型顶点三角形的交点，

at＝两倍的包含头发顶点的三角形的面积，

d＝头发顶点到包含头部模型顶点的三角形的垂线距离，

L＝头发顶点与交叉点Px的距离，

头发顶点到包含头部模型顶点的三角形的垂线距离为映射三角形的距离，为

d＝Nt(Vh-P)，

Ni是Vi的法线，预期的每个顶点的位置Vi′为

Vi′＝Vi+dNi/(NtNi)，

头发顶点相对于预期三角形的重心坐标是总三角形面积的函数,两倍的三角形的面积由向量叉乘计算而来，为

at＝|(V1′-V0′)x(V2′-V0′)|，

三个的重心坐标，a、b和c则是

a＝|(V2′-V1′)x(Vh-V1′)|/at，

b＝|(V0′-V2′)x(Vh-V2′)|/at，

c＝|(V1′-V0′)x(Vh-V0′)|/at，

如果a、b和c大于零则顶点在三角形内部，并且a、b、c的总和小于1,该顶点位于曲面法线上，从三个顶点法线插值出重心坐标标识出了曲面法线为

Ns＝aN0+bN1+cN2，

交点是Px＝aV0+bV1+cV2，

距离L为从头发顶点到Px的距离,头变形后，头发顶点沿法线向远离头部模型方向移动了距离为

L＝|(Px-Vh)|，

确定头发顶点相对于变换后头部模型的新位置过程正好相反,先前相对于标准头部网格计算,重心坐标用于计算头发顶点位置和新头部模型的法线为

Ns′＝aN0′+bN1′+cN2′，

Px′＝aV0′+bV1′+cV2′，

新的毛发顶点位置为

Vh′＝Px′+LNs′。

2.根据权利要求1所述的一种保特征的人类三维头像生产方法，其特征在于：所述步骤3中调整几何参数包括调整颧骨高度、额头宽度、下巴宽度。

3.根据权利要求1所述的一种保特征的人类三维头像生产方法，其特征在于：所述步骤4中调整纹理颜色包括调整肤色、添加痣、除痣。

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