CN113108719A - 基于近红外光条纹投影的高精度三维人脸测量方法 - Google Patents

基于近红外光条纹投影的高精度三维人脸测量方法 Download PDF

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陈俊彤
左超
陈钱
尹维
冯世杰
孙佳嵩
胡岩
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Nanjing University of Science and Technology
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/254—Projection of a pattern, viewing through a pattern, e.g. moiré
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T17/00—Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/80—Analysis of captured images to determine intrinsic or extrinsic camera parameters, i.e. camera calibration

Abstract

本发明公开了一种基于近红外光条纹投影的高精度三维人脸测量方法，通过对人脸投影近红外光的条纹图案，使用利用条纹相移法、立体相位解包裹算法和相机与投影仪之间的标定参数可以获得左右两个相机视角下调制的相位信息，再通过左右两个相机之间的标定参数可以获得人脸的三维面形数据，实现快速、高精度的三维人脸测量。

Description

基于近红外光条纹投影的高精度三维人脸测量方法
技术领域
本发明属于光学测量技术领域，具体为一种基于近红外光条纹投影的高精度三维人脸测量方法。
背景技术
由于科技的快速发展，现代社会已经进入了信息时代。在信息化带来便利的同时，各种伪造、泄露他人身份谋取非法利益的案例也层出不穷，信息安全越来越重要。身份验证是信息安全的基础，因此能否准确地进行身份验证备受关注。
早期的身份识别系统以身份证、门禁卡、护照等实物作为凭证，由于容易丢失和篡改，几乎只用于重要事项；后来发展了基于账户密码、口令等信息的身份识别系统，但也有容易遗忘和被盗等问题。20世纪末出现的生物识别技术，因其独特性、广泛性和稳定性，成为最理想的识别技术。生物特征识别技术主要包括：人脸识别、指纹识别、手型识别、虹膜识别、DNA识别、笔迹识别和语音识别等。其中，人脸识别是利用人脸的视觉特征信息进行身份识别的生物特征识别技术。与其他生物特征识别技术相比，人脸识别方法具有非接触性、信息完备、采集便捷、人机友好等优点。
实际上，目前的三维人脸识别只是将二维人脸识别与三维活体检测相结合，主要使用具有更高分辨率和信噪比的人脸照片进行人脸识别，粗糙的三维人脸模型只是用来判断手机前是真人还是照片。所以，虽然这种三维人脸识别弥补了二维人脸识别中照片欺骗的问题，但是无法辨别三维面具与真人。例如美国圣地亚哥的一家人工智能公司就用高清三维面具和照片，成功欺骗了世界各地的多套人脸识别系统，包括中国的支付宝和微信。这足以表明，现有的二维人脸识别与三维活体检测相结合的方式并不能有效预防三维面具的欺骗。尽管三维面具制作复杂、专业性强，但依旧是存在安全隐患的。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种基于近红外光条纹投影的高精度三维人脸测量方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于近红外光条纹投影的高精度三维人脸测量方法，包括：
步骤1：构建人脸测量系统，所述测量系统包括沿水平方向放置的左右两个相机和处于相机中间的投影仪系统，以及位于系统测量范围内的人脸；
步骤2：通过投影仪向人脸投影条纹图案，同时左右两个相机同步采集被人脸表面信息调制后的条纹图案，获得两组条纹图案，得到两个相机视角下人脸的包裹相位；基于相机与投影仪之间的标定参数，利用立体相位解包裹算法对被人脸调制的包裹相位信息进行解包裹；
步骤3：通过左右两个相机的标定参数和相位信息，对人脸进行三维面形重构，完成三维人脸测量。
优选地，人脸测量距离为200mm～600mm。
优选地，投影仪工作波段的中心波长为830nm。
优选地，采集条纹图案的相机为黑白相机。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明利用条纹相移法对人脸进行测量，投影单个频率近红外光的条纹图案，降低了投影条纹数量，在保证高精度的前提下保证了测量的高速度，同时人眼对近红外波段不敏感，保证了人脸测量数据的完整度。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于近红外光条纹投影的高精度三维人脸测量方法，包括：
步骤1：构建人脸测量系统，所述测量系统包括沿水平方向放置的左右两个相机和处于相机中间的投影仪系统，以及位于系统测量范围内的人脸；
步骤2：通过投影仪向人脸投影条纹图案，同时左右两个相机同步采集被人脸表面信息调制后的条纹图案，获得两组条纹图案，得到两个相机视角下人脸的包裹相位；基于相机与投影仪之间的标定参数，利用立体相位解包裹算法对被人脸调制的包裹相位信息进行解包裹；
投影仪与相机保持同步工作，即投影仪投影完一幅条纹图案后相机对人脸进行条纹图案的采集。
步骤3：通过左右两个相机的标定参数和相位信息，对人脸进行三维面形重构，完成三维人脸测量。
本发明利用条纹相移法和立体相位解包裹算法在两视角下对人脸进行三维测量及重构，使得三维人脸测量的精度更高、效率更高。
本发明只需投影单个频率的相移条纹图案，利用左右两个相机的标定参数和相位信息可以分别实现左右相机视角下的人脸三维重构。
本发明首先将两个相机沿着水平方向放置，投影仪位于两个相机中间，利用条纹相移法和立体相位解包裹算法于左右两个相机视角下对人脸进行二维图像采集，计算得到人脸的相位信息。利用左右两个相机之间的标定参数，将相位信息转为对应的三维信息，实现人脸的三维测量。与传统三维测量方法相比，本发明可实现快速、高精度的三维人脸测量。
实施例
为验证本发明的有效性，使用两台相机(型号acA640-750gm，Basler)，一台投影仪(MEMS模块投影光源)和一台计算机构建了一套基于近红外光条纹投影的高精度三维人脸测量系统及其方法的三维测量装置。该套装置在进行物体的三维测量时的拍摄速度为500帧每秒。利用步骤一所述，在基于两个相机与一台投影仪组成的三维人脸测量系统中，将人脸位于距离投影仪相机500mm处。利用步骤二所述，利用条纹相移法得到人脸的包裹相位信息，再利用立体相位解包裹算法将包裹相位信息进行展开；利用步骤三所述，利用展开后的相位信息及两相机之间的标定参数获得人脸的三维信息，从而实现快速、高精度的三维人脸测量。进行人脸三维测量实验，通过实验结果证明，本发明可以实现快速、高精度的三维人脸测量。

Claims (4)

1.一种基于近红外光条纹投影的高精度三维人脸测量方法，其特征在于，包括：
步骤1：构建人脸测量系统，所述测量系统包括沿水平方向放置的左右两个相机和处于相机中间的投影仪系统，以及位于系统测量范围内的人脸；
步骤2：通过投影仪向人脸投影条纹图案，同时左右两个相机同步采集被人脸表面信息调制后的条纹图案，获得两组条纹图案，得到两个相机视角下人脸的包裹相位；基于相机与投影仪之间的标定参数，利用立体相位解包裹算法对被人脸调制的包裹相位信息进行解包裹；
步骤3：通过左右两个相机的标定参数和相位信息，对人脸进行三维面形重构，完成三维人脸测量。
2.根据权利要求1所述的基于近红外光条纹投影的高精度三维人脸测量方法，其特征在于，人脸测量距离为200mm～600mm。
3.根据权利要求1所述的基于近红外光条纹投影的高精度三维人脸测量方法，其特征在于，投影仪工作波段的中心波长为830nm。
4.根据权利要求1所述的基于近红外光条纹投影的高精度三维人脸测量方法，其特征在于，采集条纹图案的相机为黑白相机。
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