CN110291560A - 用于创建人的三维虚拟表示的方法 - Google Patents

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CN110291560A CN201880007062.1A CN201880007062A CN110291560A CN 110291560 A CN110291560 A CN 110291560A CN 201880007062 A CN201880007062 A CN 201880007062A CN 110291560 A CN110291560 A CN 110291560A
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Abstract

用于创建人的三维虚拟表示的方法，该方法包括以下步骤：a)获取位于成像舱室的参照位置中的人的多个图像，以及b)通过摄影测量计算真人的原始网格。获取多个图像的步骤包含记录一系列至少24个同步图像，这些图像来自跨设置有出入门的封闭卵形形状舱室的内表面分布的图像传感器，所述图像传感器相对于所述舱室的对称轴以均匀的方式分布。

Description

用于创建人的三维虚拟表示的方法
技术领域
本发明涉及虚拟现实领域，更具体地，涉及使用摄影测量技术根据人的一系列图像来创建三维真实感(photorealistic)数字表示。
3D人体扫描(也称为3D身体扫描或全3D扫描)使得可以使用有时称为3D人体扫描仪的设备来扫描对象的身体。
正如照相以二维方式捕获人的图像，3D扫描仪以三维方式记录身体的形状。其结果是3D文件(也称为3D模型)，然后可以将该3D文件存储在计算机中或在计算机上进行修改，并且该3D文件可以被发送到3D打印机以进行生产。
主要使用3D人体扫描的领域是游戏、医学和时尚，以创建静态或动画的虚拟形象(avatar)或制造例如真实的人物形象。
3D人体扫描主要使用两种技术：摄影测量(photogrammetry)，其使用来自传统照片的3D体积的重建；以及结构光，其基于投射光的变形，从而可以计算距离，并且由此计算身体的点的位置。
本发明是第一类解决方案的一部分，实施摄影测量处理。
背景技术
在现有技术中已知描述了用于获取人体三维表示的解决方案的欧洲专利EP1322911。用于拍摄的图像传感器由附加的光图案投射仪来补充，该附加的光图案投射仪附接到身体，并将简单的几何结构(例如点和线)投射到身体上。在拍摄摄影测量评估所需的多个重叠的单独图像时，这些在没有取景器图像的情况下可见的结构便于图像传感器的手动定向以及图像传感器定位在距身体恰当的距离处。这种手动预定定向有助于借助于图像处理过程自动地将摄影测量标记分配给单独的图像对，并且使得能够更安全地执行该自动分配。在本发明的优选实施方式中，在实际拍摄期间关闭投射仪。
还已知描述了用于捕获患者身体皮肤的至少一个图像的皮肤表面成像系统的美国专利申请US2012206587，该皮肤表面成像系统包括基座以及以预定布置结构布置的可以连接到所述基座的多个图像传感器。各个图像传感器捕获身体预定区域的图像。这些传感器提供一系列图像。处理单元与所述图像传感器进行通信以进行如下操作：
(i)收集来自所述图像传感器的图像集；
(ii)分析所述图像集；(iii)记录与所述患者身体皮肤相关联的个人数据。
国际专利申请WO 2012110828描述了用于创建人的虚拟身体模型的方法，根据少量测量结果和单个照片来创建该虚拟身体模型，其与一个或更多个服装图像组合。虚拟身体模型提供用户身体的真实表示，并且用于使服装、发型、化妆和/或其它配件的真实感调整显示可视化。根据基于从若干角度拍摄的实际服装照片的图层来创建虚拟服装。另外，虚拟身体模型被用在例如来自频道、朋友和时尚实体的手动和自动推荐服装、化妆和美发的许多实施方式中。例如，虚拟身体模型可以被共享用于显示和风格评价。另外，它还用于使得用户能够购买适合其它用户的服装，该服装可以适合作为礼品等。该实现方式还可以用于点对点在线销售，在这种情况下，知道卖方的体形和尺寸与用户的体型和尺寸相似，就可以购买服装。
现有技术解决方案的缺点
现有技术解决方案并不完全令人满意。
一些解决方案使用绕对象移动的移动图像传感器。如果对象在图像获取阶段期间移动，则破坏摄影测量处理。
其它解决方案需要使用标记或结构化区域，这需要对象准备步骤并且使得不能获取真实感图像。
还有其它解决方案提供从图像传感器获取图像，但是在自然光下通过单次获取不能提供令人满意的质量。
本发明提供的解决方案
为了弥补这些缺点，本发明在其最广泛的意义上涉及用于创建人的三维虚拟表示的方法，该方法包括以下步骤：
a)获取位于成像舱室的参考位置中的人的多个图像
b)通过摄影测量计算真人的原始网格(crude mesh)，
其特征在于，获取所述多个图像的所述步骤包括记录一系列的至少80个同步图像，并且优选地至少100个同步图像，所述图像来自跨设置有出入门的封闭卵形舱室的内表面分布的图像传感器，所述图像传感器相对于所述舱室的对称轴以均匀的方式分布。
出于本专利的目的，“图像传感器”意味着配备有用于在自然光下拍摄图像的光器件的静止的图像传感器。
优选的“参考位置”将是如下位置：在该位置中，人优选地具有直立姿势，手臂稍微远离身体，手指稍微分开，脚也以预定距离(有利地借助于舱室的地板上的标记)彼此分开，眼睛转向地平线并且面部表情呈中性(neutral)。
通过使用最小数量(即至少八十个)传感器提供位于卵形舱室的参考位置中的人的同步获取的图像，可以生成位于舱室中的人的精确且完整的重建图像。
除了有助于参考位置中的人的图像的重建的准确性之外，舱室的卵形形状还确保了传感器的最佳定位和定向，不管人的身高和身材，这些传感器都直接指向他/她。优选地，图像传感器的光敏表面小于25×25毫米。使用至少八十个这样尺寸的传感器具有以下优点：优化舱室的体积并因此实现舱室的最佳大小。
优选地，所述舱室的内表面具有不重复的对照图案，该方法包括至少一个校准步骤，该校准步骤包括在没有人的情况下获取舱室的一系列图像，摄影测量的步骤包含以下步骤：通过将舱室中有人的情况下获取的图像与和同一图像传感器相对应的校准图像相减来计算ID图像。
有利地，摄影测量的步骤包括以下步骤：通过在近景图像IDi的各个近景图像中提取特征点PCij并记录特征点PCij中各个特征点的坐标来创建3D点云；并且根据由此识别的特征点PCij构建原始网格并计算包络纹理。
根据另选的解决方案，对3D网格和纹理进行附加的平滑处理。
根据另一另选的解决方案，该方法包括附加步骤，所述附加步骤包括：将所述原始网格与模型网格MM合并，所述模型网格MM按与多边形子集相对应的感兴趣区域组组织，所述多边形子集与要在所述原始网格上确定的重要部分相对应，该重要部分与先前在所述模型网格MM上识别的奇异点相对应；然后应用如下处理，包括使所述模型MM的网格变形，以将各个奇异点与所述原始网格MBI上的相关联的奇异点的位置进行局部匹配；以及重新计算所述模型MM的网格的所述特征点中的各个特征点的位置。
有利地，将所述原始网格转换成标准化网格的步骤包括以下操作：通过对以将数字标签与特征规则相关联的表形式记录在感兴趣点库中的元素的识别进行处理，来自动识别人体在所述原始网格上的多个特征点。
本发明还涉及图像拍摄舱室，其包括具有出入门的封闭结构，所述图像拍摄舱室包含朝向舱室内部定向的多个图像传感器，其特征在于，所述舱室具有卵形内部形状，所述卵形内部形状具有至少八十个图像传感器，并且优选地具有一百个图像传感器，所述图像传感器相对于所述舱室的对称轴以均匀的方式跨所述卵形形状的内表面分布。
优选地，舱室的最大中间截面介于2米至5米之间，并且优选地小于2米。
具体实施方式
当参照附图阅读本发明的涉及非限制性示例实施方式的以下具体实施方式时，将更好地理解本发明，其中：
-图1是用于通过摄影测量进行获取的舱室的示意图
-图2是用于实现本发明的系统的硬件架构的示意图。
用于获取人的原始网格的系统
本发明的实现方式涉及获取真人图像的第一步骤。
为此目的，舱室包括一组图像传感器20，其位于围绕人的大体上呈卵形形状的包络上。
舱室的高度约为250厘米，并且最大内径约为200厘米。
舱室包括卵形壁1，该卵形壁1具有圆形截面、通过门2开口、在其上部3处延伸有半球形帽并且在其下部由地板4封闭。
因此，舱室限定了旋转表面，其生成器具有弯曲部分，该弯曲部分围绕正在被创建图像序列的人。
该表面支撑均匀分布的图像传感器20，以形成拍摄场(shooting field)的重叠。图像传感器20相对于支撑件和人固定。
在所描述的示例中，舱室具有260个图像传感器20，分成约10个横向层6至16。两个层之间的间距发生变化，其中，中间层11至13的两个连续层之间的间距大于较上的层6至10或较下的层13至16的两个连续层之间的间距。图像传感器是高清(8MB)传感器。
图像传感器20的数量优选地大于100，其均匀地跨舱室的、除了与门和地板相对应的表面之外的内表面分布。
由门2切断的层10至16具有二十个图像传感器，其以一定角度均匀分布在除了门2之外的地方。
由于没有门，层8和9具有较多数量的图像传感器20，例如24个。具有较小半径的层6和7具有较少数量的图像传感器20。
图像传感器20不必在相同经度上对齐，角度分布从一个层到另一个层发生变化，使得能够增加镜头的重叠区域。
将各个图像传感器20连接到本地电子电路，该本地电子电路包括通信装置以及运行控制以下项的程序的计算机：
-相关联的图像传感器的激活和停用，
-可选地，在所获取图像的本地存储器中的记录以及来自相关联的图像传感器的图像的缓冲，
-图像传感器的光学参数，例如光圈、灵敏度、白平衡、分辨率、色彩平衡、拍摄时间……，该检查基于来自由所有图像传感器20共用的服务器的数据以及由相关联的图像传感器所捕获的本地数据，
-与本地图像传感器相关联的视觉或听觉警报的激活，
-向远程服务器发送实时图像或在本地记录的图像。
舱室具有专用服务器，其包括与图像传感器中的各个图像传感器的本地地图进行通信的装置、执行路由器功能并且基于来自远程服务器的数据控制图像传感器20。
舱室还具有跨舱室的内表面分布的光源，以提供全方位且均匀的照明。
在所描述的示例中，光源由八条LED 21、22构成，这些LED根据舱室的经度布置、按角度地且均匀地分布在除了门2之外的地方。
可选地，光源由专用服务器控制。
可选地，舱室的内表面具有带有不重复角度的几何对照图案的统一背景，使得能够通过分析图像的背景来定位图像传感器。
可选地，舱室具有附加的图像传感器，其具有大的拍摄场，使得能够从正面看到人，以在图像获取序列期间向外部操作员发送人的位置的图像。
舱室还具有绕头部成角度分布的扬声器41、42，以广播声音指令。
电子架构
图2更详细地示出了电子架构的视图；
该布置包括中央计算机30，其与舱室中的专用服务器31进行通信。专用服务器31在舱室内与本地电子电路32至35进行本地通信。本地电子电路32至35中的各个本地电子电路例如具有图像传感器20，该图像传感器20具有约5百万像素的分辨率和f/2.8的标称孔径、固定焦距以及42°H拍摄场。
此外，该布置包括舱室内的网络交换机，以防止网络冲突。
功能架构
以下描述涉及本发明的示例性实施方式，其包括以下主要步骤：
-获取舱室内的人的图像并传送到执行主要处理的计算机，
-摄影测量，
-用于创建真实感体积的第一平滑另选方案，
-用于重新计算拓扑的第二另选方案，
-创建虚拟形象。
定期地，在没有任何人的情况下，通过获取舱室的结构化表面的一系列图像来执行空舱室的校准。该校准使得可以通过分析舱室的内表面上的不重复图案来重新计算图像传感器20中的各个图像传感器的实际定位，并且对于在背景区域内的图像传感器中的各个图像传感器，可以进行记录以进行进一步的如下处理，该处理包括从在有人的情况下获取的图像中减去相同区域的没有任何人的情况下的图像。
获取人的图像
当人位于舱室内时，控制以下一系列处理。
视觉或听觉警报向人指示拍摄序列已经开始，提示该人保持不动直到该序列警报结束为止。
通常，拍摄序列的持续时间小于一秒。
可选地，红外深度传感器(例如3D深度图像传感器)控制人在舱室中的位置，并且当人处于恰当位置时自动触发图像获取序列，否则触发告诉人关于定位错误的话音命令，例如“稍微抬起手臂”或“伸直头”或“向右转”，直到传感器检测到人的位置与标称位置一致为止。
专用服务器31控制舱室照明，在人的定位阶段期间降低亮度级，然后在图像获取阶段期间增加亮度级，并且在完成图像获取阶段时再次降低亮度级。专用服务器31可以同步地控制与这些阶段中的各个阶段相关联的声音效果，以帮助人在图像阶段期间保持不动并监测该过程。
对于图像获取阶段，专用服务器31通过向本地电子电路32至35发送激活命令来控制所有图像传感器20的同时激活，然后控制把本地记录的数据传送到专用服务器31或远程计算机。可以同时进行传送或延迟该传送以优化可用带宽。
摄影测量
将摄影测量的步骤应用于来自图像传感器20的所有数字图像，例如同步获取的位于舱室中的人的260个数字图像。
该处理包括对图像Ii(在描述的示例中，i介于1至260之间)中的各个图像进行预处理的第一步骤：
-通过将获取的图像Ii与在校准阶段期间记录的相同区域的背景图像IFi相减来创建近景图像(close-cut image)IDi，并记录图像对(Ii，IDi)，
-针对图像Ii中的各个图像计算坐标(Xi，Yi Zi；Ai Bi Ci，Di)，或者与图像传感器在舱室参考系中的坐标相对应的X、Y、Z，与图像传感器在舱室参考系中的角度取向(欧拉角)相对应的A、B、C，并且D是与图像传感器在由角度ABC预定义的轴上的取向相对应的二进制参数，并针对图像对(Ii，IDi)中的各个图像对记录由此计算出的坐标。例如，使用IGN的MicMac(商品名)或VisualSFM(商品名)软件进行此计算，
-通过从近景图像IDi中的各个近景图像提取特征点PCij并记录特征点PCij中的各个特征点的坐标来创建3D点云，
-根据由此识别的特征点PCij构建原始网格，并计算包络纹理。
此步骤的结果是3D网格和相关联的纹理。
以通用格式(例如，包含3D几何形状的描述的交换文件格式的OBJ)保存与最初的人的原始网格相对应的3D网格MBI。
以PNG图像格式保存纹理。
用于获得真实感体积的第一平滑另选方案
对于第一应用，对由此计算出的3D网格和纹理进行附加的平滑处理。
该处理包括通过将分辨率降低应用于特征点PCii中的各个特征点的局部平均计算以及通过为这些特征点PCij中的各个特征点指定法向，来去除未平滑的3D网格中的具有零网格尺寸级别的噪点，以将经平滑的网格记录为PCL1,m与法线Nn,m的组合。
使用诸如AUTOCAD(商品名)的3D网格修改软件来执行该处理。
该处理的结果是与在获取阶段期间被获取图像的人相对应的真实感3D体积。
包络纹理具有适合于预期用途(例如3D打印)的分辨率。
以转换格式(例如OBJ格式)记录处理结果。
第二另选方案：重新计算虚拟形象拓扑的创建
另一应用包括根据在摄影测量步骤期间获得的3D网格来创建3D虚拟形象。
为此目的，使用模型网格MM，该模型网格MM以OBJ格式记录，按与多边形子集(该多边形子集与重要部分相对应)相对应的感兴趣区域组(例如与嘴、手指、胸部、手臂……相对应的多边形组)组织。各个重要的子组与标识符相关联，并且可能在创建虚拟形象(例如，“穿戴”处理)时与和特定处理相对应的标记相关联。同一多边形可以属于若干个子组。
可选地，模型网格MM可以通过以下操作进行处理：计算变形模型MMD；保留多边形和标识符的相同子集，但是具有一些多边形的局部变形，以创建例如来自标准男性模型MM的肌肉男模型MMD。
为了根据原始网格MBI创建与所选模型MM相对应的虚拟形象，进行重新拓扑(retopology)计算。
该计算需要对原始网格MBI的将与模型网格MM的对应特征点相匹配的特征点进行识别。
为此目的，在原始网格上确定先前在模型网格MM上识别的奇异点，例如眼角、嘴角、指尖……。
然后应用如下处理，该处理包括使模型网格MM变形，以把各个奇异点与原始网格MBI上的相关联的奇异点的位置进行局部匹配，并通过3D变体软件重新计算模型网格MM的特征点中的各个特征点的位置。
该处理的结果是以OBJ格式记录的网格MMI，其与模型对最初的人的形态的适应相对应。
该网格MMI用于创建完整的动画骨架。
根据网格MMI和控制点在网格上创建该骨架，其与数字骨架的关节以及这些控制点与骨架的关节点的关联相对应。
然后，考虑到上述子组，将来自元素库的附加元素(牙齿、舌头、眼眶……)定位在由此创建的虚拟形象上。
然后应用蒙皮处理(skinning process)，以将各个特征点与要被动画化的对象的皮肤的一部分相关联，然而，根据精确的加权(并且该信息被记录在数字文件中)，可以将皮肤的给定部分与若干骨骼相关联。
应用
本发明使得可以基于参考模型MM与真实自然人的原始网格MBI合并，来创建用于诸如健身这样的各种应用的三维真实感表示，以设计人的理想的、更强健的和/或更瘦的身体。这种表示可以展示给教练，以进行定制的训练计划，以便看起来像人的不久的将来的虚拟形象。
定期获取真实感表示使得可以检查实现的进度和达到目标所需的努力。
这使得用户能够设置可见且可测量的目标，以“塑造”他或她的身体。
本申请还涉及整容手术领域，以使术后结果可视化并将其用作与外科医生协商的支持。
使得能够在事先得到结果的情况下在从业人员前做出决定。
另一应用涉及成衣(ready-to-wear)领域(购买前的在线试穿)，通过可以利用设计师的作品集为虚拟形象进行装扮并看到自己的展示来在购买前虚拟地试穿服装，并放大观察所穿服装的所有细节(尺寸、必要的改动、颜色……)。

Claims (10)

1.一种用于创建人的三维虚拟表示的方法，所述方法包括以下步骤：
a)获取位于成像舱室的参考位置中的人的多个图像，
b)通过摄影测量来计算所述真人的原始网格，其特征在于，
获取所述多个图像的步骤包括记录一系列至少80个同步图像，这些图像来自跨设有出入门的封闭卵形形状舱室的内表面分布的图像传感器，所述图像传感器相对于所述舱室的对称轴以均匀的方式分布。
2.根据权利要求1所述的用于创建三维虚拟表示的方法，其特征在于，所述图像传感器的光敏表面的尺寸小于25毫米×25毫米。
3.根据权利要求1或2所述的用于创建三维虚拟表示的方法，其特征在于，所述舱室的内表面具有不重复的对照图案，所述方法包括至少一个校准步骤，所述校准步骤包括在没有人的情况下获取所述舱室的一系列图像，摄影测量的步骤包含以下步骤：通过把在所述舱室中有人的情况下获取的图像与和同一图像传感器相对应的校准图像相减来计算ID图像。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于创建三维虚拟表示的方法，其特征在于，摄影测量的步骤包括以下步骤：通过在近景图像IDi中的各个近景图像中提取特征点PCij并记录所述特征点PCij中的各个特征点的坐标来创建3D点云；并且根据由此识别的特征点PCij来构建所述原始网格并计算包络纹理。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于创建人的三维虚拟表示的方法，其特征在于，对3D网格和纹理进行附加的平滑处理。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的用于创建人的三维虚拟表示的方法，其特征在于，所述方法包括附加步骤，所述附加步骤包括：
将所述原始网格与模型网格MM合并，所述模型网格MM按与多边形子集相对应的感兴趣区域组进行组织，所述多边形子集与要在所述原始网格上确定的重要部分相对应，该重要部分与先前在所述模型网格MM上识别的奇异点相对应；
然后应用以下处理，该处理包括使所述模型MM的网格变形，以将各个奇异点与所述原始网格MBI上的相关联的奇异点的位置进行局部匹配；以及
重新计算所述模型MM的网格的特征点中的各个特征点的位置。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的用于创建人的三维虚拟表示的方法，其特征在于，所述方法包括将所述原始网格转换成标准化网格的步骤，该步骤包括以下操作：通过对以将数字标签与特征规则相关联的表形式记录在感兴趣点库中的元素的识别进行处理，来自动识别人体在所述原始网格上的多个特征点。
8.一种图像拍摄舱室，所述图像拍摄舱室包括具有出入门的封闭结构，所述图像拍摄舱室包括朝向所述舱室内部定向的多个图像传感器，其特征在于，所述舱室具有卵形内部形状，所述卵形内部形状具有至少八十个图像传感器，所述图像传感器相对于所述舱室的对称轴以均匀的方式跨所述卵形形状的内表面分布。
9.根据权利要求8所述的图像拍摄舱室，其特征在于，所述图像传感器配备有小于25毫米×25毫米的传感器。
10.根据权利要求8或9所述的图像拍摄舱室，其特征在于，所述图像拍摄舱室的最大中间截面介于2米至5米之间，并且优选地小于2米。
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