CN108447115A - 一种三维人脸虚拟整形中玻尿酸注射美容方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维人脸虚拟整形中玻尿酸注射美容方法，包括以下步骤：(1)使用三维扫描仪获取三维人脸模型，用户选取注射参数，包括注射点、注射半径和注射量；(2)使用广度优先遍历方法找到注射区域内的所有点；(3)使用距离场函数计算注射区域内每个点的权重；(4)根据用户输入的注射量使用二分迭代法计算顶点的提升距离，得到变形后的三维人脸模型。本发明采用了三维模型的变形技术，能够对通过三维扫描仪采集到的三维人脸模拟注射玻尿酸后的效果，简单方便，且算法明确，界面友好，结果鲁棒，可用于虚拟人脸整容、计算机动画和计算机游戏等领域。

Description

一种三维人脸虚拟整形中玻尿酸注射美容方法

技术领域

本发明属于计算机图形与图像处理领域，特别是涉及一种三维人脸虚拟整形中玻尿酸注射美容方法。

背景技术

随着人民生活水平的提高，大众对自身美的追求越来越高，越来越多的人加入整容大军的行列。在进行整容手术前，整容医生会根据待整容人脸本身的特点，设计丰额头、鼻子、下巴的整容方案，这些操作都需要使用注射玻尿酸的方式进行治疗，却无法模拟出注射玻尿酸后的结果，因此需要一种针对三维人脸模型的模拟注射玻尿酸方法。

现有的方法针对额头、鼻子、下巴的模拟整容方法，主要是通过建立已有的漂亮人脸数据库，将患者的人脸与漂亮人脸逼近。其中有一种方法是局部特征与漂亮人脸进行逼近，将患者的三维人脸扫描与漂亮人脸扫描数据库进行对比，然后将与患者面部最相似的漂亮人脸相应的面部特征以及它们的平均值移到患者的面部上，由此产生了若干个推荐的整容人脸。另一种是通过各向异性的ICP方法在漂亮人脸数据库中找到与患者最相似的人脸，再将患者人脸的一些特征与漂亮人脸逼近。现有的方法虽然能够针对人脸的局部区域模拟出整容后的模样，却无法模拟出在整容过程中单次注射玻尿酸后的结果，因此对整容手术中每一步具体应该怎么实施不具有指导作用。

发明内容

本发明提供了一种三维人脸虚拟整形中玻尿酸注射美容方法，该方法能够模拟在三维人脸模型上指定区域注射玻尿酸后的结果，简单方便，结果鲁棒性好。

一种三维人脸虚拟整形中玻尿酸注射美容方法，包括以下步骤：

(1)使用三维扫描仪获取三维人脸模型，并选取注射参数，包括注射点、注射半径与注射量；

(2)以注射点作为起点，搜索三维人脸上注射点的注射半径内所有的点，作为注射区域；

(3)计算每个点移动的权重；

(4)根据模拟注射玻尿酸方程式，使用二分迭代法计算出注射区域中每个顶点变形后的顶点坐标。

步骤(1)中，注射点为三维人脸模型上的一个顶点，是注射区域的中心点；注射半径是一个长度单位，用来表示注射区域的大小；注射量是一个体积单位，用来表示变形前后人脸体积的变化程度。

步骤(2)中，以注射点作为起点，使用广度优先遍历搜索三维人脸上与注射点小于注射半径的所有三维人脸上的点得到注射区域，注射区域含义为：

注射区域是三维人脸模型在以注射点为球心，注射半径为球半径的球中的所有顶点集合。设注射点坐标为M，注射半径为R，注射区域可以表示为F＝{P∈R³|‖P-M‖≤R}。

步骤(3)中，对注射区域内的每个点P，根据距离场函数计算每个点移动的权重，计算公式为：

f(α)＝0.46α⁶-3.36α⁵+6.30α⁴-2.28α³-2.10α²-0.02α+1

其中α＝‖P-M‖/R用来表示点P到区域中心的相对距离，R为注射半径，M为注射点。

步骤(4)中根据模拟注射玻尿酸方程式，使用二分迭代法计算出注射区域中每个顶点变形后的顶点坐标的步骤如下：

(4-1)设定提升距离上限d_max，下限d_min，变形精度ε，注射量V；

(4-2)令d_c＝(d_min+d_max)/2，对于区域内每个点P，令为P的法向，则可以根据模拟注射玻尿酸方程式：

计算得到注射区域中每个点的新坐标P＇；

(4-3)使用二维切片法计算出变形区域变化的体积V_c；

(4-4)若|V_c-V|<ε，则取d＝d_c，跳转到(4-5)；若V_c>V+ε，则令d_max＝d_c，跳转到(4-2)；若V_c<V-ε，则令d_min＝d_c，跳转到(4-2)；(4-5)使用模拟注射玻尿酸方程式计算出变形区域的最终顶点坐标。

步骤(4-3)的具体步骤为：将变形前与变形后的注射区域看作一个封闭的区域C，将闭合区域C沿着注射点法线方向等间隔的做若干切割面，设第i个切割面与区域C相交的顶点集合为{A₀,A₁,…,A_n}，其中A_k＝(x_k,y_k,z_i)，则该切割面的面积S_i用如下公式计算：

最后对切割面的面积和平面间距相乘再求和得到变形区域变化的体积V_c，公式如下：

其中，Δ_z为相邻切割面之间的间隔距离。

与现有技术相比，本发明提出一种全新的三维人脸模型的模拟注射玻尿酸方法，首先根据用户选择的注射点和注射半径找到注射区域内的点，然后基于距离场函数计算每个点的权重，最后根据本文提出的模拟注射玻尿酸方程式，使用二分迭代的方法计算出每个顶点的新坐标。本发明方法明确，界面友好，结果鲁棒，且该方法可以用于虚拟人脸整容、计算机动画和计算机游戏等领域。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图；

图2为本发明实施例注射点与注射半径示意图；

图3为本发明实施例注射区域示意图；

图4为本发明实施例注射区域内顶点的变形权重示意图；

图5为本发明实施例注射区域内变形前后顶点坐标变化示意图；

图6为变形前后三维人脸模型对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

如图1所示，一种三维人脸虚拟整形中玻尿酸注射美容方法，包括如下步骤：

步骤1，通过三维扫描仪扫描得到的三维人脸模型。

步骤2，用户选取三个注射参数，包括注射点、注射半径与注射量。需要用户通过交互选中三维人脸模型上的一个顶点M作为注射点，并且输入注射半径R和注射量V，如图2所示。

步骤3，针对步骤2中用户输入的注射点和注射半径，使用广度优先遍历找到与注射点距离小于注射半径的所有三维人脸上的点，即注射区域，如图3所示。具体步骤如下：

设顶点集合U，将注射点M放入U中；遍历U邻域内的点，若该点未被访问，且与M点的距离小于注射半径R，标记该点已访问，并将该点放入U中；循环查找U邻域内的点直至其边界点都与M点的距离大于注射半径R，所得顶点集合U即为注射区域；

步骤4，针对注射区域内的每一个点，使用距离场函数计算每个点移动的权重。对于注射区域内的每个点P，其移动的权重为：

f(α)＝0.46α⁶-3.36α⁵+6.30α⁴-2.28α³-2.10α²-0.02α+1

其中，α＝‖P-M‖/R用来表示点P到区域中心的相对距离，R为注射半径，M为注射中心，注射区域内每个顶点的变形权重如图4所示。

步骤5，根据模拟注射玻尿酸方程式，使用二分迭代法计算出注射区域中每个顶点变形后的顶点坐标。具体步骤如下：

(1)设定提升距离上限d_max为人脸长，下限d_min＝0，注射量V，变形精度ε＝0.01；

(2)令d_c＝(d_min+d_max)/2，对于区域内每个点P，使用模拟注射玻尿酸方程式计算到注射区域中每个点的新坐标P′，如图5所示：

其中为P点的法向，f(α)为P点的权重；

(3)将变形前与变形后的注射区域看作一个封闭的区域C，首先计算封闭区域的包围盒，根据包围盒在z轴方向上的长度，将其除以切割平面数20得到切割平面的间距Δ_z，据此得到20个与z轴垂直的切割平面平分封闭区域C；然后将每个切割平面与区域C中的所有三角面片相交得到轮廓线，设第i个各切割平面与区域C相交的顶点集合为{A₀,A₁,…,A_n}，其中A_k＝(x_k,y_k,z_i)，则该轮廓线的面积S_i可以用如下公式计算：

最后对剖面的面积和平面间距相乘再求和得到闭合网格体积V_C：

(4)若|V_c-V|<ε，则取d＝d_c，跳转到第五步；若V_c>V+ε，则令d_max＝d_c，跳转到第二步；若V_c<V-ε，则令d_min＝d_c，跳转到第二步；

(5)对于区域内每个点P，使用模拟注射玻尿酸方程式计算出变形区域的最终顶点坐标P″：

其中为P点的法向，f(α)为P点的权重。

步骤6，得到变形后的三维人脸模型，如图6所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种三维人脸虚拟整形中玻尿酸注射美容方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)使用三维扫描仪获取三维人脸模型，并选取注射参数，包括注射点、注射半径与注射量；

(2)以注射点作为起点，搜索三维人脸上注射点的注射半径内所有的点，作为注射区域；

(3)计算每个点移动的权重；

(4)根据模拟注射玻尿酸方程式，使用二分迭代法计算出注射区域中每个顶点变形后的顶点坐标。

2.根据权利要求1所述的三维人脸虚拟整形中玻尿酸注射美容方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的搜索方法为广度优先遍历搜索。

3.根据权利要求1所述的三维人脸虚拟整形中玻尿酸注射美容方法，其特征在于，步骤(3)中，所述每个点移动的权重根据距离场函数计算，公式如下：

f(α)＝0.46α⁶-3.36α⁵+6.30α⁴-2.28α³-2.10α²-0.02α+1

其中，α＝||P-M||/R，这里R为注射半径，M为注射点坐标，P为注射区域内的点坐标。

4.根据权利要求1所述的三维人脸虚拟整形中玻尿酸注射美容方法，其特征在于，步骤(4)中，所述的模拟注射玻尿酸方程式如下：

其中，P为注射区域内的点，P′是P变形后的坐标点，d是注射距离，f(α)是P点的权重，是P的法向。

5.根据权利要求1所述的三维人脸虚拟整形中玻尿酸注射美容方法，其特征在于，步骤(4)中，所述顶点坐标的计算方法如下：

(4-1)设定提升距离上限d_max，下限d_min，变形精度ε，注射量V；

(4-2)令d_c＝(d_min+d_max)/2，根据模拟注射玻尿酸方程式计算得到注射区域中每个点的新坐标；

(4-3)使用二维切片法计算出变形区域变化的体积V_c；

(4-4)若|V_c-V|＜ε，则取d＝d_c，跳转到(4-5)；若V_c＞V，则令d_max＝d_c，跳转到(4-2)；若V_c＜V，则令d_min＝d_c，跳转到(4-2)；

(4-5)使用模拟注射玻尿酸方程式计算出变形区域的最终顶点坐标。

6.根据权利要求5所述的三维人脸虚拟整形中玻尿酸注射美容方法，其特征在于，步骤(4-3)的具体步骤为：将变形前与变形后的注射区域看作一个封闭的区域C，将闭合区域C沿着注射点法线方向等间隔的做若干切割面，设第i个切割面与区域C相交的顶点集合为{A₀，A₁，...，A_n}，其中A_k＝(x_k，y_k，z_i)，则该切割面的面积S_i用如下公式计算：

最后对切割面的面积和平面间距相乘再求和得到变形区域变化的体积V_c，公式如下：

其中，Δ_z为相邻切割面之间的间隔距离。