一種三維人像攝影系統及其實現方法
2023-06-02 00:52:31 2
專利名稱：一種三維人像攝影系統及其實現方法
技術領域：
本發明涉及一種攝影系統，特別是一種利用普通照相機和計算機軟體，實現三維人像攝影和輸出的系統及其實現方法。
背景技術：
在現實生活中，物體都是以三維幾何實體的形式存在。傳統的二維平面照片通過明暗對比和透視關係來造成視覺上的空間立體感，無法產生引人入勝的自然立體觀感。而三維影像的空間造型與原型接近，不僅具有高度、寬度、深度三維空間幾何形體特徵，而且具有真實逼真的表面紋理信息，一改平面照片所無法給出的真實感，可給人以親切、逼真的感覺。觀察者可從空間任意角度全方位觀看三維影像，獲得與自然觀感相同的立體視覺效果，產生前所未有的新奇、新鮮視覺感受，從而帶來美的享受。
19世紀末已經有人探索立體照像的技術問題，最著名的實驗是英國人懷特斯通完成的。懷特斯通用2臺照相機模擬左、右眼晴分別拍攝2幅照片，然後用2個互相分隔的目鏡，由左、右眼觀察這2幅照片，於是在大腦中重新合成了立體圖像。這種利用雙眼視差形成立體視覺的方法，後來又被改進為「紅綠濾色法立體照相」、「偏振濾光法立體照相」和「柱面鏡(光柵片)立體照相」等方法。
利用雙眼視差形成立體視覺的方法需要專用的立體照相機拍攝兩幅符合雙眼視差的照片，而且要藉助於專門的觀察裝置(雙目立體觀察鏡、紅綠濾光眼睛、偏振濾光眼鏡、柱狀透鏡陣列)，在特定方向才能形成立體視覺，無法從360°空間任意角度全方位觀看。因此自上世紀初以來，人們的主要精力用於發展和完善黑白、彩色和數碼照像技術，並建立了相應的工業體系，而立體攝影技術只是在小規模、小範圍內進行，如60年代出現的立體電影。
利用雙眼視差形成立體視覺的方法實質上是模擬人的雙眼視差作用的一種仿生學技術，只能在一個特定的方向形成立體視覺，無法獲取定量的三維坐標值，不能輸入計算機進行其它處理。
自20世紀70年代以來，逆向工程、質量檢測、機器視覺、影視動畫、3D遊戲、虛擬實境、人機互動、生物醫學、整形醫療、服裝設計、人體測量、文物複製、藝術雕塑等行業應用領域紛紛提出了快速獲取物體三維幾何模型的要求，使物體三維輪廓非接觸測量成為光學測量領域的研究熱點，出現了眾多的三維輪廓測量儀和三維照相機。三維輪廓測量儀只獲取被測物的三維幾何模型，三維照相機可獲取被測物的三維幾何模型和表面紋理貼圖，可生成具有真實感的三維模型。
在三維人像攝影領域，三維照相機主要基於兩種方法雷射掃描法和結構光投影測量法。
1、雷射掃描法雷射掃描法以純粹的三角測量原理為基礎，利用雷射逐點掃描物體表面，通過出射點、投影點和成像點三者之間的幾何成像關係確定物體各點的三維空間幾何坐標。雷射掃描儀的價格十分昂貴，非一般用戶所能承受。柯尼卡美能達VIVID系列三維雷射掃描儀，售價在10～20萬美元之間，目前只應用於逆向工程、三維動畫、文物複製、虛擬實境、整形醫療等專業領域。
2、結構光投影法結構光投影法是目前最常用的三維形狀測量方法。基本思想是利用照明光源中的幾何信息來幫助提取被測物的三維幾何信息，將帶有編碼信息的光束投影到物體表面，受物體表面高度的調製，結構光場的相位和振幅均發生變化，使二維結構光圖發生變形。測量二維結構光圖形發生的變化，就可計算出被測物三維幾何輪廓信息。如將正弦光柵圖投射到被測物體表面上，若被測表面是平面，則得到一組相互平行的直條紋。若被測表面是曲面，則得到一組被物體三維表面調製後的曲線條紋。通過成像系統獲取變形條紋圖像，利用相移技術可精確測定物體三維面型。
結構光投影法具有原理簡單、測量精度高、速度快等優點。如德國Breuckmann公司的工業級高精度optoTOP-HE三維數位化系統在50mm的測量範圍內達到0.03mm的X、Y橫向解析度和0.005mm的縱向解析度，測量時間不到1秒。針對三維攝影市場，Breuckmann公司推出了Face SCAN三維照相機，加拿大的Inspeck公司推出了3D Capture II三維照相機，美國的Genex Technologies公司推出了3D FaceCam三維照相機，英國的Wicks Wilson公司推出了TriForm三維照相機，我國的深圳泛友公司推出了3D Flash DV三維照相機，杭州先臨公司推出了YS-FS500 M1三維照相機。深圳泛友公司的3D Flash DV三維照相機可參看中國發明專利第99816634.0號。
已有三維照相機的特點(缺點)1、光路系統複雜，體積龐大，無法象普通照相機一樣便攜使用，只能到指定地點拍攝；2、成本高，市場售價均在15萬元人民幣以上，難以普及應用。
發明內容
本發明針對上述問題提供一種三維人像攝影系統及其實現方法，可以利用普通照相機和計算機軟體，拍攝具有照片級真實感的三維人像模型，並通過雷射雕刻機在人造水晶內部「列印」出具有真實感的三維實體頭像。
本發明所述的一種三維人像攝影系統，由一套照相設備，一臺與所述照相機相連，用於生成三維人像模型的計算機，以及一臺與所述計算機相連，用於在人造水晶內部輸出三維實體頭像的雷射雕刻機組成。
本發明所述的照相設備的一種實現方式包括一臺普通光學相機和一臺與所述計算機相連，用於將光學相機拍攝的照片數位化並傳輸給所述計算機的掃描設備。
本發明所述的照相設備還可以是一臺直接與所述計算機相連，可以將所拍攝的數位化照片直接傳輸給所述計算機的數位照相機。
本發明所述的一種三維人像攝影方法，包括以下步驟首先照相設備拍攝人像的正面和側面照片各一張，將生成的數碼文件傳送給計算機；計算機對正面和側面照片進行預處理，使正、側面照片中的人頭高度和面部器官大小完全相同；計算機對正面照片和側面照片進行識別，獲取人臉關鍵特徵點的三維空間位置和面部輪廓曲線；計算機將所提取的特徵點和面部輪廓曲線作為變形參數，修正標準模型相應特徵點參數，獲得特定人的三維人像幾何模型；計算機根據正面照片和側面照片與幾何模型的投影關係，將正面、側面照片無縫合成為紋理圖像映射到三維幾何模型上，獲得具有真實感的三維人像模型；計算機將紋理貼圖轉換為半色調圖像，與三維人像模型融合為空間點雲圖像，生成雷射雕刻加工文件並傳送給雷射雕刻機；最後雷射雕刻機根據加工文件，在人造水晶內部加工出具有真實感的三維實體頭像。
與已有的三維攝影技術相比，本發明所述的三維人像攝影系統使用的是普通照相機，無需採用價格昂貴的專業三維照相機，即可根據人體測量學豐富的先驗知識，利用計算機視覺算法來獲取具有真實感的人像三維模型。傳統的二維平面照片多通過明暗對比和透視關係來造成視覺上的空間立體感，無法產生引人入勝的自然立體觀感。與傳統的二維攝影技術相比，本發明所述的三維人像攝影系統加工生成的三維水晶影像的空間造型與原型一致，不僅具有高度、寬度、深度三維空間幾何形體特徵，而且具有真實逼真的表面紋理信息，可給人以親切、逼真的感覺。又因水晶內外表面的光線折射作用，使懸浮在水晶內部的三維立體頭像會隨觀察者的移動而轉動頭部，給人以一種前所未有的獨特視覺享受。同時，傳統的二維影像記錄載體(相紙)存在著不宜長期保存、易受潮褪色、見光發黃、藝術表現效果單一等缺陷。而本發明所採用的水晶載體具備工藝品玲瓏剔透、高貴典雅、質地堅硬、恆久不變等優點，所表達的思想內涵遠遠超出了紙質照片所能表達的思想內涵。而本發明所述的三維人像攝影系統加工生成的三維水晶立體影像將人生的精彩時刻永久駐留在水晶內部，實現了現代科學與傳統藝術的完美結合，能給人帶來全新的視覺享受，具有很高的審美價值和收藏價值。
圖1是本發明所述的三維人像攝影系統的結構示意圖；圖2是本發明所述的三維人像攝影方法的流程圖；圖3是本發明所述的三維人像攝影系統中的標準人臉三維模型示意圖；圖4、圖5是本發明所述的三維人像攝影系統生成的具有照片真實感的人像三維模型示意圖；圖6是本發明所述的三維人像攝影系統生成的三維人像示意圖。
圖中，1照相設備，2計算機，3雷射雕刻機，4人臉三維模型，5三維人像幾何模型，6三維人像模型。
具體實施例方式
通過下面結合附圖對本發明所述的三維人像攝影系統的實施例進行詳細描述，可以更好地理解本發明的其他目的、特性和優點。
參見圖1描述本發明所述的三維人像攝影系統。如圖1所示，所述三維人像攝影系統由一套照相設備1，一臺與照相設備1相連的計算機2，和一臺與計算機2相連的雷射雕刻機3組成。照相設備1可以是數位照相機，也可以是普通光學照相機加上一臺掃描設備。拍攝三維人像時，照相設備1先拍攝人像的正面和側面照片各一張，如果用數位照相機，數碼文件即照片可以直接傳送給計算機2，如果用普通光學照相機，照片需要通過掃描設備數位化後再傳送給計算機2。計算機2對正面和側面照片進行處理並識別後生成三維人像模型，並根據該模型生成雷射雕刻加工文件傳輸給雷射雕刻機3。雷射雕刻機3根據加工文件在人造水晶內部雕刻出三維水晶立體影像。
參見圖2描述本發明所述的三維人像攝影方法。如圖2所示，所述三維人像攝影方法包括以下步驟在步驟S1中，照相設備1拍攝人像的正面和側面照片各一張並傳送給計算機2；在步驟S2中，計算機2對照片去除噪聲並進行歸一化，使正面和側面中的人頭高度和面部器官大小完全相同；在步驟S3中，計算機2對人像的特徵點進行識別、提取特徵點的三維空間位置和面部輪廓曲線；在步驟S4中，計算機2根據步驟S3中特徵點的位置和面部輪廓曲線對標準模型進行修正，生成特定人像的三維幾何模型；在步驟S5中，計算機2根據正面和側面照片的空間相對位置，將正面、側面照片無縫合成為紋理圖像映射到三維幾何模型上，獲得具有真實感的三維人像模型；在步驟S6中，計算機2將紋理貼圖轉換為半色調圖像，與三維人像模型融合為空間點雲圖像，生成雷射雕刻加工文件並傳送給雷射雕刻機3；在步驟S7中，雷射雕刻機3根據加工文件，在人造水晶內部加工出具有真實感的三維實體頭像。
參見圖3描述標準人像幾何模型。雖然每個人的人臉都不一樣，但是人類面部都具有相同的基本結構，如眼睛、鼻子、嘴巴、耳朵等器官，而且五官的形狀和分布位置也基本相同。在人臉正面圖像上，人的臉部輪廓可近似地看作橢圓，雙眼在橢圓的水平對稱軸上，眉心、鼻尖和下巴尖點位於豎直對稱軸上，眼睛、鼻子、嘴巴等器官在整個面部中的相對位置是穩定的。人臉的基本形狀及五官之間的位置存在著「三庭五眼」的規律。在豎直方向上，髮際到眉弓、眉弓到鼻尖、鼻尖到下巴尖點的距離都相等，稱作「三庭」；在水平方向上，兩眼之間、兩眼外角分別到雙耳的距離都相等，均為一眼寬，加上兩個眼睛自身的寬度，稱為「五眼」。因此人類頭部三維幾何模型可用相同的數據結構來描述。而特定人的個性特徵可通過對公共特徵的調整而得到，如面部輪廓、眼睛大小、眉毛粗細、鼻子高低等。本發明根據上述先驗知識，預先建立了一個如圖3所示的特徵點參數可調的標準人臉三維模型4。
參見圖4、圖5描述特定人像的三維模型。如圖4所示，計算機2首先根據特定人像的正面和側面照片所提取的特徵點和面部輪廓曲線，對標準人臉三維模型4進行修正，將眼睛、鼻子、嘴巴等器官映射到標準人臉三維模型4上，生成三維人像幾何模型5。之後，計算機2將正面和側面照片拼接成一張與視點無關的紋理圖像，並貼到三維人像幾何模型5上生成三維人像模型6。由於正面和側面圖像的光照條件和拍攝角度不同，拼接起來的貼圖有明顯的裂縫。為了消除裂縫，採用多解析度樣條技術(圖像金字塔法)消去正面和側面圖像之間的裂痕。圖像金字塔可以看作代表原始圖像的不同解析度的一組圖像的集合。高層的圖像來自底層圖像，底層的圖像就是原始圖像。高斯金字塔的第n層通過低通濾波和縮小從第n-1層中產生，拉普拉斯金字塔的第n層是把高斯金字塔的第n+1層擴大，再和高斯金字塔的第n層求差得到。遞歸建立高斯和拉氏金字塔後，在返回過程中，求和重建圖像得到了無縫拼接的圖像。從正面、側面照片融合出的紋理圖像是二維的，而人臉模型是三維的，所以紋理圖像的象素範圍與人臉模型的象素範圍通常不能很好地吻合。為獲得較好的貼圖質量，需採用插值方法來計算人臉模型的象素顏色，較好地實現紋理縮放和紋理重複。
參見圖6描述通過雷射雕刻機3加工生成的三維實體人像。雷射內雕機是一種與雷射印表機類似的二值點陣輸出設備，輸出的點只能是開或關兩種狀態，每個列印點只有有色或無色兩種狀態，而沒有深淺濃淡之分。本發明採用了空間半色調技術，充分利用視覺對視頻信號的帶通特性，將連續色調的紋理貼圖灰度圖像進行三維空間調製，使得在小面積內分布的像素灰度被綜合為該面積的灰度，通過雷射快速成形設備輸出，形成一個在視覺觀察效果上近似於原圖像的二值圖像。空間半色調技術採用n×n×m的二值矩陣去代替灰階圖像的像素點。二值矩陣中各元素是取「0」還是取「1」，由原灰階圖像的像素值和一具有相同尺寸的閾值矩陣確定。灰階圖像的像素值逐個同閾值矩陣中的每個閾值進行比較，當小於閾值矩陣中的閾值時，在二值矩陣相應的位置上取「1」，反之為「0」。一個4×4×4的二值矩陣可以有16+1級灰度，8×8×4的二值矩陣可以有64+1級不同的灰度。隨著二值矩陣維數的增加，半色調圖像的灰階層次增加，但空間分辨力將變差。通常人眼所能分辨的灰階數目大約在64和128之間，而人眼的空間分辨能力(視覺截止頻率)在一般的閱讀距離上大約為16周/mm。根據實驗結果，當雷射雕刻機的最小點距為0.1mm時，採用4×4×4的的二值矩陣比較合適，其半色調圖像的灰階數為17，空間分辨力為3周/mm。
空間半色調技術使用多個二維矩陣代替灰階圖像的像素點，可提高像素點的亮度和空間解析度。
以上所描述的僅是本發明的部分應用實例，而不應該被視為對本發明的局限。根據本發明所公開的概念，本領域的技術人員可以很容易地設計出其他類似的實施方案。本發明的權利要求書應被視為包含那些不背離本發明宗旨的類似設計。
權利要求
1.一種三維人像攝影系統，其特徵在於，所述三維人像攝影系統包括一套照相設備；一臺與所述照相設備相連，用於生成人像三維模型的計算機；和一臺與所述計算機相連，用於在人造水晶內部生成三維實體人像的雷射雕刻機。
2.如權利要求1所述的三維人像攝影系統，其特徵在於，所述照相設備包括一臺普通光學照相機和一臺與所述計算機相連、用於將普通光學照相機拍攝的照片數位化傳送給計算機的掃描設備。
3.如權利要求1所述的三維人像攝影系統，其特徵在於，所述照相設備還可以是一臺與所述計算機直接相連、直接將拍攝的影像傳送給計算機的數位照相機。
4.一種三維人像攝影方法，其特徵在於，所述三維人像攝影方法包括以下步驟1)照相設備拍攝人像的正面和側面照片各一張，並將生成的數碼文件傳送給計算機；2)計算機對正面和側面照片進行預處理，使正、側面照片中的人頭高度和面部器官大小完全相同；3)計算機對正面照片和側面照片進行識別，獲取人臉關鍵特徵點的三維空間位置和面部輪廓曲線；4)計算機將所提取的特徵點和面部輪廓曲線作為變形參數，修正標準模型相應特徵點參數，獲得特定人的三維人像幾何模型；5)計算機根據正面照片和側面照片與幾何模型的投影關係，將正面、側面照片無縫合成為紋理圖像映射到三維幾何模型上，獲得具有真實感的三維人像模型；6)計算機將紋理貼圖轉換為空間半色調圖像，與三維人像模型融合為空間點雲圖像，生成雷射雕刻加工文件並傳送給雷射雕刻機；7)最後雷射雕刻機根據加工文件，在人造水晶內部加工出具有真實感的三維實體頭像。
全文摘要
本發明提供一種三維人像攝影系統及其實現方法，該系統使用普通照相機拍攝人像的正面、側面照片，採用計算機視覺算法獲取頭部的三維幾何模型，並根據照片與幾何模型的投影關係，將照片作為紋理映射到三維幾何模型上，獲得具有照片級真實感的三維人像模型；然後使用空間半色調方法將連續色調的紋理貼圖灰度圖像進行空間調製，通過雷射雕刻機在人造水晶內部「列印」出一個在視覺觀察效果上近似於原三維圖像的二值圖像，形成具有真實感的三維實體頭像。
文檔編號B44B1/00GK101082765SQ20061008349
公開日2007年12月5日 申請日期2006年6月1日 優先權日2006年6月1日
發明者高宏, 辛建波, 曹向東, 楊福明 申請人:高宏, 北京華天創新信息科技有限責任公司