CN108628086B - 一种人脸三维重建系统及其应用方法 - Google Patents

一种人脸三维重建系统及其应用方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于计算机视觉技术领域，具体涉及一种人脸三维重建系统及其应用方法，系统包括箱体和三维重建计算机，箱体内侧的底面上垂直固定有导杆，导杆上安装有第一直线电机，第一直线电机一面水平设置有弧形导轨，弧形导轨中安装有第二直线电机，第二直线电机上水平设置有弧形杆，弧形杆均布有多个相机，各相机的信号输出端均通过数据线连接至三维重建计算机。本发明的有益效果是：节省了拍照时间，脸部重建效果好；多个相机可多次拍摄的不同角度的人脸，替代了目前为一次性拍全人脸而设置的更多数量的环绕人脸的相机，减少了过多的成本；三维模型更逼真细致；三维重建计算机自动化控制拍摄、数据传输和处理，快速方便，提高了工作效率。

Description

一种人脸三维重建系统及其应用方法
技术领域
本发明属于计算机视觉技术领域，具体涉及一种人脸三维重建系统及其应用方法。
背景技术
人脸三维重建在电影、游戏、整容医学等领域有着非常广泛的应用前景，近年来逐渐成为视觉领域的研究热点，因此研究更快、成本更低的人脸三维重建系统对其应用十分有益。
现有的人脸三维重建系统多是采用结构光，其扫描设备价格昂贵。而基于序列图像的人脸三维重建系统成本低廉，具有广阔的应用前景。但是基于序列图像的人脸三维重建由于需要多张人脸照片，如果使用一台相机逐一拍照，需要较长的拍照时间，而人很难在长时间内保持面部表情不变，轻微的面部表情变化都有可能使重建结果不理想。如果多台相机环人脸一圈同时拍照，又需要很多相机，增加过多的成本。此外，照片还需人工输入系统，效率低下，另外，拍摄过程也十分麻烦；并且重建的三维模型并不逼真细致。这极大地限制了它的发展前景。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种节省了拍照时间，脸部重建效果好；多个相机可多次拍摄的不同角度的人脸，替代了目前为一次性拍全人脸而设置的更多数量的环绕人脸的相机，减少了过多的成本；重建的三维模型更为逼真细致；并且三维重建计算机自动化控制拍摄、数据传输、数据处理快速方便，提高了工作效率的人脸三维重建系统及其应用方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种人脸三维重建系统，其包括箱体和三维重建计算机，箱体内侧的底面上垂直固定有导杆，导杆上安装有第一直线电机，第一直线电机的机壳朝向箱体的竖直中心线的一面水平设置有弧形导轨，弧形导轨中安装有第二直线电机，第二直线电机的机壳上水平设置有弧形杆，弧形杆和弧形导轨的半径之差等于弧形杆至弧形导轨的间距，弧形杆的转动轨迹与箱体内壁之间存在间隙，弧形杆沿长度方向均布有多个相机，各相机的镜头均朝向箱体的竖直中心线，各相机的信号输出端均通过数据线连接至三维重建计算机。
拍摄人脸时，人站立于箱体内，根据人体高度，在导杆上控制第一直线电机升降，以调节各相机的镜头对准人体脸部拍摄，得到同一时间人面部四张不同角度的照片。接着，在弧形导轨上控制第二直线电机多次快速左右移动，以调整至不同角度对人体脸部进行拍摄，尽量覆盖了全部的人体脸部。最终，多个相机多次拍摄的不同角度的人脸照片通过数据线传输至三维重建计算机，并快速重建出人脸三维模型。综上所述，利用本发明所述的人脸三维重建系统能够通过一套系统完成人脸不同角度的面部信息采集、重建出人脸三维模型。
第二直线电机在弧形导轨上移动迅速，替代了传统的一台相机环绕人脸逐一角度进行拍照，节省了拍照时间。本发明拍照次数优选为两次，分别于第一机位和第二机位处拍摄，拍照时间短，可保证面部表情几乎无变化，脸部重建效果好。
由于第二直线电机在弧形导轨上多次快速左右移动，多个相机可多次拍摄的不同角度的人脸，替代了目前为一次性拍全人脸而设置的更多数量的环绕人脸的相机，减少了过多的成本。
具体地，箱体内的顶部和底部均安装有摄影灯，拍照时，打开摄影灯可对人脸进行补光，拍照亮度更佳。
进一步地，人脸三维重建系统还包括综合控制计算机以及用于控制摄影灯的开关和亮度的调光器，综合控制计算机与各相机一一对应地建立双向通讯协议，第一直线电机、第二直线电机、调光器和三维重建计算机的信号输入端分别通过数据线连接至综合控制计算机的信号输出端。拍照时，可通过综合控制计算机控制第一直线电机在导杆上下升降，控制第二直线电机在弧形导轨上多次快速左右移动，控制调光器对摄影灯开关和亮度的调节，控制各相机进行拍照，各相机拍摄的电子相片传输给综合控制计算机，综合控制计算机再对各相机多次拍摄的电子相片进行整理汇总并传输给三维重建计算机，三维重建计算机进行脸部的三维重建。其中，综合控制计算机只需控制上述各个机构即可，因此综合控制计算机的主机配置要求不高，控制简单，操作速度快，便于快速拍摄。
具体地，箱体呈圆柱形，箱体一侧设有半圆形移动门，导杆位于箱体远离半圆形移动门的一侧。半圆形移动门可设置成滑动式或外开式门体结构，便于被拍摄者进入箱体。箱体全封闭，可屏蔽外界干扰，可以提供给被拍摄者一个安静的环境，拍摄效果好。
优选地，弧形杆呈半圆形；箱体和弧形杆的半径之差等于弧形杆与箱体内壁间距，避免了弧形杆转动时的结构干涉。
优选地，相机为高分辨率相机，且数量为四个，拍摄清晰，四个相机两次的拍摄范围即可覆盖全部的人体脸部。
进一步地，导杆的顶端固定于箱体顶面上，进一步加强了箱体的整体刚性，可避免结构失稳。
进一步地，第一直线电机的机壳朝向箱体的竖直中心线的一面固定有弧形面板，弧形导轨相匹配地固定于弧形面板上，弧形导轨的两端均固定有限位部，各限位部均朝向箱体的竖直中心线凸起，两个限位部可防止第二直线电机因惯性太大而脱离至弧形导轨之外。
此外，一种人脸三维重建系统的应用方法，其包括如下步骤：
1)相机标定：预先通过综合控制计算机使用张正友相机标定方法完成对各相机的标定，得到内参数与畸变参数；
2)图像获取：首先，综合控制计算机控制第一直线电机运动以调节相机匹配人脸高度；接着，综合控制计算机控制第二直线电机运动以调节调节相机对准不同角度的人脸；在综合控制计算机控制下，当第二直线电机处于行程一端时，即第一机位处，各相机对人脸进行拍摄，得到第一组照片，第一组照片通过综合控制计算机传输给三维重建计算机；在综合控制计算机控制下，当第二直线电机处于行程另一端时，即第二机位处，相机对人脸进行拍摄，得到第二组照片，第二组照片通过综合控制计算机传输给三维重建计算机；
3)特征点检测、匹配：三维重建计算机使用基于SURF算子的特征提取算法提取第一组照片和第二组照片中的特征点，并进行特征点匹配，形成第一组特征点；
4)补充特征点：依次重复第二步骤和第三步骤，三维重建计算机补充得到第二组特征点；
5)恢复投影矩阵：三维重建计算机使用RANSAC算法，采取不断迭代的方法，在两组特征点之间寻找最优参数模型，得到旋转矩阵和平移矩阵；
6)生成三维点云：三维重建计算机通过投影各矩阵得出多个三维空间点，各三维空间点构成三维点云；
7)网格化：三维重建计算机对三维点云进行三角剖分，并将其网格化，形成三维模型。
本发明的人脸三维重建系统的应用方法通过两次特征点的检测和匹配，即第二步骤和第三步骤的顺次操作进行两次，可以捕捉到较为完整的特征点，以便于第五步骤中的三维重建计算机采取不断迭代的方法，在两组特征点之间寻找最优参数模型，再进行第六步骤和第七步骤的后处理后，三维模型更为逼真细致；并且三维重建计算机自动化控制拍摄、数据传输、数据处理快速方便，提高了工作效率。
进一步地，本发明的人脸三维重建系统的应用方法还包括如下步骤：
8)纹理映射：在同一位置处的相机两次拍摄出的照片中，三维重建计算机选择一幅与三维模型全貌匹配度最高的照片，并将该照片上的场景纹理，映射到三维模型中；形成的三维模型更为真实。
本发明的一种人脸三维重建系统及其应用方法的有益效果是：
1.第二直线电机在弧形导轨上移动迅速，替代了传统的一台相机环绕人脸逐一角度进行拍照，节省了拍照时间。本发明拍照次数优选为两次，拍照时间短，可保证面部表情几乎无变化，脸部重建效果好。
2.由于第二直线电机在弧形导轨上多次快速左右移动，多个相机可多次拍摄的不同角度的人脸，替代了目前为一次性拍全人脸而设置的更多数量的环绕人脸的相机，减少了过多的成本；
3.本发明的人脸三维重建系统的应用方法通过两次特征点的检测和匹配，即第二步骤和第三步骤的顺次操作进行两次，可以捕捉到较为完整的特征点，以便于第五步骤中的三维重建计算机采取不断迭代的方法，在两组特征点之间寻找最优参数模型，再进行第六步骤和第七步骤的后处理后，三维模型更为逼真细致；并且三维重建计算机自动化控制拍摄、数据传输、数据处理快速方便，提高了工作效率；
4.在同一位置处的相机两次拍摄出的照片中，三维重建计算机选择一幅最接近的三维模型的照片，并将该照片上的场景纹理，映射到三维模型中；形成的三维模型更为真实。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的一种人脸三维重建系统的三维透视图；
图2是本发明的一种人脸三维重建系统的弧形面板的主视图；
图3是本发明的一种人脸三维重建系统的弧形面板的俯视图；
图4是本发明的一种人脸三维重建系统的各相机处于第一机位时的方位图；
图5是本发明的一种人脸三维重建系统的各相机处于第二机位时的方位图；
图6是本发明的一种人脸三维重建系统的控制原理图；
图7是本发明的一种人脸三维重建系统的应用方法的流程图。
其中:1.箱体；2.导杆；3.第一直线电机，301.弧形面板；4.弧形导轨；5.第二直线电机；6.弧形杆；7.相机；8.摄影灯；9.半圆形移动门；10.限位部。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1-图7所示的本发明的一种人脸三维重建系统的具体实施例，其包括箱体1和三维重建计算机(图中未示出)，箱体1内侧的底面上垂直固定有导杆2，导杆2上安装有第一直线电机3，第一直线电机3的机壳朝向箱体1的竖直中心线的一面水平设置有弧形导轨4，弧形导轨4中安装有第二直线电机5，第二直线电机5的机壳上水平设置有弧形杆6，弧形杆6和弧形导轨4的半径之差等于弧形杆6至弧形导轨4的间距，弧形杆6的转动轨迹与箱体1内壁之间存在间隙，弧形杆6沿长度方向均布有多个相机7，各相机7的镜头均朝向箱体1的竖直中心线，各相机7的信号输出端均通过数据线连接至三维重建计算机。
拍摄人脸时，人站立于箱体1内，根据人体高度，在导杆2上控制第一直线电机3升降，以调节各相机7的镜头对准人体脸部拍摄，得到同一时间人面部四张不同角度的照片。接着，在弧形导轨4上控制第二直线电机5多次快速左右移动，以调整至不同角度对人体脸部进行拍摄，尽量覆盖了全部的人体脸部。最终，多个相机7多次拍摄的不同角度的人脸照片通过数据线传输至三维重建计算机，并快速重建出人脸三维模型。综上所述，利用本实施例所述的人脸三维重建系统能够通过一套系统完成人脸不同角度的面部信息采集、重建出人脸三维模型。
第二直线电机5在弧形导轨4上移动迅速，替代了传统的一台相机环绕人脸逐一角度进行拍照，节省了拍照时间。本实施例拍照次数优选为两次，分别于图3所示的第一机位和图4所示的第二机位处拍摄，拍照时间短，可保证面部表情几乎无变化，脸部重建效果好。
由于第二直线电机5在弧形导轨4上多次快速左右移动，多个相机7可多次拍摄的不同角度的人脸，替代了目前为一次性拍全人脸而设置的更多数量的环绕人脸的相机，减少了过多的成本。
具体地，箱体1内的顶部和底部均安装有摄影灯8，拍照时，打开摄影灯8可对人脸进行补光，拍照亮度更佳。
进一步地，人脸三维重建系统还包括综合控制计算机以及用于控制摄影灯8的开关和亮度的调光器(图中未示出)，综合控制计算机与各相机7一一对应地建立双向通讯协议，第一直线电机3、第二直线电机5、调光器和三维重建计算机的信号输入端分别通过数据线连接至综合控制计算机的信号输出端。拍照时，可通过综合控制计算机控制第一直线电机3在导杆2上下升降，控制第二直线电机5在弧形导轨4上多次快速左右移动，控制调光器对摄影灯8开关和亮度的调节，控制各相机7进行拍照，各相机7拍摄的电子相片传输给综合控制计算机，综合控制计算机再对各相机7多次拍摄的电子相片进行整理汇总并传输给三维重建计算机，三维重建计算机进行脸部的三维重建。其中，综合控制计算机只需控制上述各个机构即可，因此综合控制计算机的主机配置要求不高，控制简单，操作速度快，便于快速拍摄。
具体地，箱体1呈圆柱形，箱体1一侧设有半圆形移动门9，导杆2位于箱体1远离半圆形移动门9的一侧。半圆形移动门9可设置成滑动式或外开式门体结构，便于被拍摄者进入箱体1。箱体1全封闭，可屏蔽外界干扰，可以提供给被拍摄者一个安静的环境，拍摄效果好。
优选地，弧形杆6呈半圆形；箱体1和弧形杆6的半径之差等于弧形杆6与箱体1内壁间距，避免了弧形杆6转动时的结构干涉。
优选地，相机7为高分辨率相机，且数量为四个，拍摄清晰，四个相机7两次的拍摄范围即可覆盖全部的人体脸部。
进一步地，导杆2的顶端固定于箱体1顶面上，进一步加强了箱体1的整体刚性，可避免结构失稳。
进一步地，第一直线电机3的机壳朝向箱体1的竖直中心线的一面固定有弧形面板301，弧形导轨4相匹配地固定于弧形面板301上，弧形导轨4的两端均固定有限位部10，各限位部10均朝向箱体1的竖直中心线凸起，两个限位部10可防止第二直线电机5因惯性太大而脱离至弧形导轨4之外。
此外，一种人脸三维重建系统的应用方法，其包括如下步骤：
1)相机标定：预先通过综合控制计算机使用张正友相机标定方法完成对各相机7的标定，得到内参数与畸变参数；
2)图像获取：首先，综合控制计算机控制第一直线电机3运动以调节相机7匹配人脸高度；接着，综合控制计算机控制第二直线电机5运动以调节调节相机7对准不同角度的人脸；在综合控制计算机控制下，当第二直线电机5处于行程一端时，即图3所示的第一机位处，各相机7对人脸进行拍摄，得到第一组照片，第一组照片通过综合控制计算机传输给三维重建计算机；在综合控制计算机控制下，当第二直线电机5处于行程另一端时，即图4所示的第二机位处，相机7对人脸进行拍摄，得到第二组照片，第二组照片通过综合控制计算机传输给三维重建计算机；
3)特征点检测、匹配：三维重建计算机使用基于SURF算子的特征提取算法提取第一组照片和第二组照片中的特征点，并进行特征点匹配，形成第一组特征点；
4)补充特征点：依次重复第二步骤和第三步骤，三维重建计算机补充得到第二组特征点；
5)恢复投影矩阵：三维重建计算机使用RANSAC算法，采取不断迭代的方法，在两组特征点之间寻找最优参数模型，得到旋转矩阵和平移矩阵；
6)生成三维点云：三维重建计算机通过投影各矩阵得出多个三维空间点，各三维空间点构成三维点云；
7)网格化：三维重建计算机对三维点云进行三角剖分，并将其网格化，形成三维模型。
本方法通过两次特征点的检测和匹配，即第二步骤和第三步骤的顺次操作进行两次，可以捕捉到较为完整的特征点，以便于第五步骤中的三维重建计算机采取不断迭代的方法，在两组特征点之间寻找最优参数模型，再进行第六步骤和第七步骤的后处理后，三维模型更为逼真细致；并且三维重建计算机自动化控制拍摄、数据传输、数据处理快速方便，提高了工作效率。
进一步地，本实施例的人脸三维重建系统的应用方法还包括如下步骤：
8)纹理映射：在同一位置处的相机7两次拍摄出的照片中，三维重建计算机选择一幅与三维模型全貌匹配度最高的照片，并将该照片上的场景纹理，映射到三维模型中；形成的三维模型更为真实。
应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种人脸三维重建系统，其特征在于：包括箱体(1)和三维重建计算机，所述箱体(1)内侧的底面上垂直固定有导杆(2)，所述导杆(2)上安装有第一直线电机(3)，所述第一直线电机(3)的机壳朝向箱体(1)的竖直中心线的一面水平设置有弧形导轨(4)，所述弧形导轨(4)中安装有第二直线电机(5)，所述第二直线电机(5)的机壳上水平设置有弧形杆(6)，所述弧形杆(6)和弧形导轨(4)的半径之差等于弧形杆(6)至弧形导轨(4)的间距，所述弧形杆(6)的转动轨迹与箱体(1)内壁之间存在间隙，所述弧形杆(6)沿长度方向均布有多个相机(7)，各相机(7)的镜头均朝向箱体(1)的竖直中心线，各相机(7)的信号输出端均通过数据线连接至三维重建计算机；所述第一直线电机(3)的机壳朝向箱体(1)的竖直中心线的一面固定有弧形面板(301)，所述弧形导轨(4)相匹配地固定于所述弧形面板(301)上，所述弧形导轨(4)的两端均固定有限位部(10)，各限位部(10)均朝向箱体(1)的竖直中心线凸起。
2.根据权利要求1所述的一种人脸三维重建系统，其特征在于：所述箱体(1)内的顶部和底部均安装有摄影灯(8)。
3.根据权利要求2所述的一种人脸三维重建系统，其特征在于：所述人脸三维重建系统还包括综合控制计算机以及用于控制摄影灯(8)的开关和亮度的调光器，所述综合控制计算机与各相机(7)一一对应地建立双向通讯协议，所述第一直线电机(3)、第二直线电机(5)、调光器和三维重建计算机的信号输入端分别通过数据线连接至综合控制计算机的信号输出端。
4.根据权利要求1所述的一种人脸三维重建系统，其特征在于：所述箱体(1)呈圆柱形，所述箱体(1)一侧设有半圆形移动门(9)，所述导杆(2)位于箱体(1)远离半圆形移动门(9)的一侧。
5.根据权利要求4所述的一种人脸三维重建系统，其特征在于：所述弧形杆(6)呈半圆形，所述箱体(1)和弧形杆(6)的半径之差等于弧形杆(6)与箱体(1)内壁间距。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种人脸三维重建系统，其特征在于：所述相机(7)为高分辨率相机，且数量为四个。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的一种人脸三维重建系统，其特征在于：所述导杆(2)的顶端固定于箱体(1)顶面上。
8.一种根据权利要求3所述的人脸三维重建系统的应用方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)相机标定：预先通过综合控制计算机使用张正友相机标定方法完成对各相机(7)的标定，得到内参数与畸变参数；
2)图像获取：首先，所述综合控制计算机控制第一直线电机(3)运动以调节相机(7)匹配人脸高度；接着，所述综合控制计算机控制第二直线电机(5)运动以调节调节相机(7)对准不同角度的人脸；在综合控制计算机控制下，当所述第二直线电机(5)处于行程一端时，各相机(7)对人脸进行拍摄，得到第一组照片，第一组照片通过综合控制计算机传输给三维重建计算机；在综合控制计算机控制下，当所述第二直线电机(5)处于行程另一端时，所述相机(7)对人脸进行拍摄，得到第二组照片，所述第二组照片通过综合控制计算机传输给三维重建计算机；
3)特征点检测、匹配：所述三维重建计算机使用基于SURF算子的特征提取算法提取第一组照片和第二组照片中的特征点，并进行特征点匹配，形成第一组特征点；
4)补充特征点：依次重复第二步骤和第三步骤，所述三维重建计算机补充得到第二组特征点；
5)恢复投影矩阵：所述三维重建计算机使用RANSAC算法，采取不断迭代的方法，在两组特征点之间寻找最优参数模型，得到旋转矩阵和平移矩阵；
6)生成三维点云：所述三维重建计算机通过投影各矩阵得出多个三维空间点，各三维空间点构成三维点云；
7)网格化：所述三维重建计算机对三维点云进行三角剖分，并将其网格化，形成三维模型。
9.根据权利要求8所述的人脸三维重建系统的应用方法，其特征在于，还包括如下步骤：
8)纹理映射：在同一位置处的所述相机(7)两次拍摄出的照片中，所述三维重建计算机选择一幅与三维模型全貌匹配度最高的照片，并将该照片上的场景纹理，映射到所述三维模型中。
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