本發(fā)明專利技術(shù)提出一種基于控制點(diǎn)和控制線鄰域變形的個性化人像產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法。首先對正面和側(cè)面圖像進(jìn)行歸一化處理；提取正面和側(cè)面圖像的人臉特征點(diǎn)；根據(jù)圖像提取的人臉特征點(diǎn)對標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行個性化變形，其他非特征點(diǎn)利用徑向基插值變形算法進(jìn)行相應(yīng)變形；再利用提出的基于控制點(diǎn)鄰域變形算法對人像產(chǎn)品點(diǎn)特征區(qū)域優(yōu)化設(shè)計(jì)；以及利用提出的基于控制線鄰域變形算法對人像產(chǎn)品線特征區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。該方法可對個性化人像產(chǎn)品的五官特征、發(fā)型、身體和服裝點(diǎn)特征區(qū)域和線特征區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，克服了傳統(tǒng)人像產(chǎn)品難以修改、模型相似度低、模型難以直接用于加工制造的缺點(diǎn)。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及利用二維圖像生成三維模型技術(shù)，特別是涉及一種基于控制點(diǎn)和控制線的人像產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該方法利用工業(yè)化生產(chǎn)手段，根據(jù)二維圖像進(jìn)行逼真的三維人像數(shù)字化幾何模型設(shè)計(jì)與數(shù)控加工。
技術(shù)介紹
為響應(yīng)快速發(fā)展的個性化市場需求，現(xiàn)代制造企業(yè)逐漸從單品種、大批量、周期長向多品種、小批量、周期短的個性化定制服務(wù)方向發(fā)展。先進(jìn)制造技術(shù)的變革、因特網(wǎng)和信息技術(shù)的高速發(fā)展，出現(xiàn)了一種利用真人二維圖像重構(gòu)三維模型的個性化人像產(chǎn)品，且該產(chǎn)品正在形成一種潛在的巨大新興產(chǎn)業(yè)。個性化人像產(chǎn)品制作的核心在于如何根據(jù)二維圖像生成逼真的三維真人模型。一種最直接的人像三維建模方法就是利用三維數(shù)字化掃描儀，根據(jù)三角學(xué)測量原理，采集三維人像點(diǎn)云數(shù)據(jù)。美國Cyberware公司的人像三維掃描儀可稱得上行業(yè)內(nèi)的佼佼者，該公司研制的3030系列(除了 30308)掃描儀，以及中國專利CN94103620.0號公開了一種“三維人像速成制作方法”，這些技術(shù)不但可以獲取人體三維輪廓數(shù)據(jù)，還能獲取好的表面紋理。但是，這種通過數(shù)字化掃描設(shè)備進(jìn)行人像三維建模的方法也有其不可忽視的缺點(diǎn)，尤其對反射率較低的部位(如頭發(fā))掃描效果較差。同時，其要求當(dāng)事人必須親自到場的不便也限制了三維人像產(chǎn)品的普及和推廣。中國專利CN99108143號公開了一種“平行光面法三維頭像自動雕刻系統(tǒng)”，利用攝像頭在平行光面照射下拍攝定標(biāo)圖像和面部圖像信息，利用標(biāo)尺測量頭部其它參數(shù)，最終在屏幕上擬合出完整頭部三維圖像。經(jīng)對圖像的發(fā)型、仰俯角、面部表情等修飾滿意后，控制機(jī)械裝置自動雕刻出三維頭像。該種方法未涉及到三維人像的建模過程，也沒有生成相應(yīng)的可加工文件。而且，因?yàn)樵摰窨滔到y(tǒng)只能加工一些易加工材料，所以用其作為一種試驗(yàn)性質(zhì)尚可，并不適合用于實(shí)際的加工制造。中國專利CN200610083493號公開了 “一種三維人像攝影系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法”，利用顧客正面、側(cè)面照片獲得三維幾何模型，再使用空間半色調(diào)方法將連續(xù)色調(diào)的紋理貼圖灰度圖像進(jìn)行空間調(diào)制，通過激光雕刻機(jī)在人造水晶內(nèi)部“打印”出一個在視覺觀察效果上近似于原三維圖像的二值圖像，形成具有真實(shí)感的三維實(shí)體頭像。該方法最后制作出的僅是“視覺”觀察效果上近似于原三維圖像的二值圖像，雖然也有根據(jù)人臉關(guān)鍵特征點(diǎn)對標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行變形，但并不能算作嚴(yán)格意義上的三維建模，并且將正側(cè)面照片映射到三維幾何模型上這一做法恰恰又掩蓋了三維模型的低相似度。中國專利CN200410086350號提出用三維攝像機(jī)定制三維雕像的方法，該方法生成的人像逼真程度在一定程度上取決于雕刻師的手藝。中國專利CN200720011658號公開了一種由本人面部照片組合而成的娃娃，此方法的最終效果很多程度上取決于照片的貼敷程度，娃娃面孔部分凹槽與真人的貼合程度，另外，身體是模型娃娃，沒有根據(jù)客戶照片制作，其整體逼真效果欠佳。綜上所述，目前市場上的人像產(chǎn)品主要依靠傳統(tǒng)的手工制作，如真人陶偶、泥人張、三維石刻雕塑等，產(chǎn)品一旦成型，便不可修改；并且，其相似度完全依靠手工藝者的經(jīng)驗(yàn)積累和手藝，產(chǎn)品質(zhì)量難以控制。另一種利用二維圖像生成的人像產(chǎn)品廣泛用于動漫、影視等虛擬環(huán)境，所建立的三維模型依靠紋理或照片等色彩來彌補(bǔ)幾何模型相似度低的缺點(diǎn)，難以直接用于實(shí)際產(chǎn)品的加工制造。因此，本專利技術(shù)圍繞一種利用二維圖像生成三維人像產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法展開研究，利用二維圖像和提出的人像優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)一種可修改的、相似度高的，并且可直接用于加工制造的人像產(chǎn)品。除此之外，本專利技術(shù)研究成果除了可加速個性化人像產(chǎn)品的開發(fā)外，還可為部隊(duì)軍事裝備、航天航空裝備、車輛(如摩托車、賽車)裝備、消防、礦山、冶金和化工等特殊行業(yè)的作業(yè)人員的頭盔或面具進(jìn)行設(shè)計(jì)，以及為三維電影和視頻游戲等虛擬環(huán)境提供虛擬人物幾何模型。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對現(xiàn)有人像產(chǎn)品難以修改、三維人像建模相似度低、模型難以直接用于產(chǎn)品加工制造等現(xiàn)狀，本專利技術(shù)提出一種基于控制點(diǎn)和控制線鄰域變形的個性化人像產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。本專利技術(shù)的技術(shù)方案是提供一種，其特征在于所述方法包括如下步驟:第一步，圖像歸一化處理，歸一化的目的是調(diào)整待建模的人像正面圖像和側(cè)面圖像與標(biāo)準(zhǔn)模板圖像的大小一致。其中，設(shè)正面圖像眼角到嘴角高度為Hf，側(cè)面圖像眼角到嘴角高度為Hp，標(biāo)準(zhǔn)模板圖像眼角到嘴角高度為H，歸一化方法為:Hf=Hp=H (I)第二步，二維特征點(diǎn)提取；在正面圖像和側(cè)面圖像上分別定義人臉五官的11個特征點(diǎn)，分別與標(biāo)準(zhǔn)模型中相應(yīng)的特征點(diǎn)進(jìn)行對應(yīng)；第三步，標(biāo)準(zhǔn)模型的個性化變形；其中，根據(jù)第二步提取的五官特征點(diǎn)進(jìn)行個性化變形，包括人臉五官11個特征點(diǎn)的變形和其他點(diǎn)的變形；11個特征點(diǎn)的變形方法為:從正面圖像提取的11個二維特征點(diǎn)決定標(biāo)準(zhǔn)模型中對應(yīng)點(diǎn)的X和Y坐標(biāo)值，側(cè)面圖像提取的11個二維特征點(diǎn)決定標(biāo)準(zhǔn)模型中對應(yīng)特征點(diǎn)的Z坐標(biāo)值，將標(biāo)準(zhǔn)模型按照特征點(diǎn)確定的新坐標(biāo)進(jìn)行變形從而確定個性化人臉11個特征點(diǎn)位置；其他點(diǎn)采用徑向基插值法進(jìn)行變形，具體方法為:基函數(shù)由單個變量函數(shù)構(gòu)成，設(shè)點(diǎn)(x，y)的基函數(shù)的形式為:hk(x, y) =h(dk) (2)其中，dk指由點(diǎn)(x，y)到第k個數(shù)據(jù)點(diǎn)的距離；插值公式為:權(quán)利要求1.一種基于控制點(diǎn)和控制線變形的個性化人像產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述方法包括如下步驟: 第一步，圖像歸一化處理，其中，設(shè)正面圖像眼角到嘴角高度為Hf，側(cè)面圖像眼角到嘴角高度為Hp，標(biāo)準(zhǔn)模板圖像眼角到嘴角高度為H，歸一化方法為:Hf=Hp=H (I) 第二步，二維特征點(diǎn)提取，在正面圖像和側(cè)面圖像上分別定義人臉五官的11個特征點(diǎn)，分別與標(biāo)準(zhǔn)模型中相應(yīng)的特征點(diǎn)進(jìn)行對應(yīng)； 第三步，標(biāo)準(zhǔn)模型的個性化變形，其中，根據(jù)第二步提取的五官特征點(diǎn)進(jìn)行個性化變形，包括人臉五官11個特征點(diǎn)的變形和其他點(diǎn)的變形； 11個特征點(diǎn)的變形方法為: 從正面圖像提取的11個二維特征點(diǎn)決定標(biāo)準(zhǔn)模型中對應(yīng)點(diǎn)的X和Y坐標(biāo)值，側(cè)面圖像提取的11個二維特征點(diǎn)決定標(biāo)準(zhǔn)模型中對應(yīng)特征點(diǎn)的Z坐標(biāo)值，將標(biāo)準(zhǔn)模型按照特征點(diǎn)確定的新坐標(biāo)進(jìn)行變形從而確定個性化人臉11個特征點(diǎn)位置； 其他點(diǎn)采用徑向基插值法進(jìn)行變形，具體方法為: 基函數(shù)由單個變量函數(shù)構(gòu)成，設(shè)點(diǎn)(x，y)的基函數(shù)的形式為: hk(x, y) =h(dk) (2) 其中，dk指由點(diǎn)(x，y)到第k個數(shù)據(jù)點(diǎn)的距離；插值公式為:2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于控制點(diǎn)和控制線變形的個性化人像產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，其特征在于:基于控制線變形的人像優(yōu)化方法的另一特征為，變形可實(shí)現(xiàn)沿控制線方向的非均勻變形，非均勻變形實(shí)現(xiàn)方法為:公式(9)中Zi'計(jì)算式中Iii做如下變形: 控制曲線C,長度為L,端點(diǎn)為A和B, I為控制線上任一點(diǎn)Z到其中點(diǎn)的距離，Iitl為用戶自定義的變形高度初始值，則控制線上控制點(diǎn)處的變形高度h的計(jì)算式定義為:全文摘要本專利技術(shù)提出一種。首先對正面和側(cè)面圖像進(jìn)行歸一化處理；提取正面和側(cè)面圖像的人臉特征點(diǎn)；根據(jù)圖像提取的人臉特征點(diǎn)對標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行個性化變形，其他非特征點(diǎn)利用徑向基插值變形算法進(jìn)行相應(yīng)變形；再利用提出的基于控制點(diǎn)鄰域變形算法對人像產(chǎn)品點(diǎn)特征區(qū)域優(yōu)化設(shè)計(jì)；以及利用提出的基于控制線鄰域變形算法對人像產(chǎn)品線特征區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。該方法可對個性化人像產(chǎn)品的五官特征、發(fā)型、身體和本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于控制點(diǎn)和控制線變形的個性化人像產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述方法包括如下步驟：第一步，圖像歸一化處理，其中，設(shè)正面圖像眼角到嘴角高度為Hf，側(cè)面圖像眼角到嘴角高度為Hp，標(biāo)準(zhǔn)模板圖像眼角到嘴角高度為H，歸一化方法為：Hf=Hp=H??（1）第二步，二維特征點(diǎn)提取，在正面圖像和側(cè)面圖像上分別定義人臉五官的11個特征點(diǎn)，分別與標(biāo)準(zhǔn)模型中相應(yīng)的特征點(diǎn)進(jìn)行對應(yīng)；第三步，標(biāo)準(zhǔn)模型的個性化變形，其中，根據(jù)第二步提取的五官特征點(diǎn)進(jìn)行個性化變形，包括人臉五官11個特征點(diǎn)的變形和其他點(diǎn)的變形；11個特征點(diǎn)的變形方法為：從正面圖像提取的11個二維特征點(diǎn)決定標(biāo)準(zhǔn)模型中對應(yīng)點(diǎn)的X和Y坐標(biāo)值，側(cè)面圖像提取的11個二維特征點(diǎn)決定標(biāo)準(zhǔn)模型中對應(yīng)特征點(diǎn)的Z坐標(biāo)值，將標(biāo)準(zhǔn)模型按照特征點(diǎn)確定的新坐標(biāo)進(jìn)行變形從而確定個性化人臉11個特征點(diǎn)位置；其他點(diǎn)采用徑向基插值法進(jìn)行變形，具體方法為：基函數(shù)由單個變量函數(shù)構(gòu)成，設(shè)點(diǎn)（x,y）的基函數(shù)的形式為：hk(x,y)=h(dk)??（2）其中，dk指由點(diǎn)（x,y）到第k個數(shù)據(jù)點(diǎn)的距離；插值公式為：F(x,y)=Σk=1nakhk(x,y)+Σk=1mbkqk(x,y)---(3)其中，qk(x,y)是一多項(xiàng)式基，階次小于m；系數(shù)ak和bk滿足下面方程組：Σk=1nakhk(xi,yi)+Σk=1mbkqk(xi,yi)=fiΣi=1naiqj(xi,yi)=0i=1,...,n,j=1,...,m,i=1,...,n---(4)方程組共有m+n個方程式，聯(lián)立求解便可得到待定系數(shù)；對于特征點(diǎn)i，其變形后個性化人臉坐標(biāo)記為pi=(xi,yi,zi)，變形前標(biāo)準(zhǔn)模型坐標(biāo)記為pi(0)=(xi(0),yi(0),zi(0))，則該點(diǎn)的位移計(jì)算式為：ui=pi?pi(0)人臉模型上每一點(diǎn)的位移記為u，取f(p)滿足f(pi)=ui，這樣標(biāo)準(zhǔn)模型上的每一點(diǎn)pj的位移可從f(pj)中得到；徑向基函數(shù)如下所示：u=Σi=1nciφ(||p-pi||)+Mp+t---(5)其中，n為特征點(diǎn)數(shù)目，ci為特征點(diǎn)pi對應(yīng)的權(quán)系數(shù)，φ為徑向基函數(shù)，選取高斯函數(shù)，即M和t分別是3×3矩陣和3×1向量；通過式（6）可確定系數(shù)ci、M和t；ui=f(pi)Σi=1nci=0Σi=1ncipiT=0---(6)第四步，基于控制點(diǎn)鄰域變形的人像產(chǎn)品點(diǎn)區(qū)域優(yōu)化，其中，基于控制點(diǎn)鄰域變形的人像產(chǎn)品點(diǎn)區(qū)域優(yōu)化算法如下所述：建立坐標(biāo)系，Zc為變形起始點(diǎn)，Zc“為變形后位置，則變形區(qū)域內(nèi)任一點(diǎn)Z變形后新位置Z“的計(jì)算方程為：Z“=Z+f??（7）f為變形函數(shù)，其計(jì)算方程為：f=h·exp(-||Z-ZC||2(r2/r1)2)-exp(-(r1)2(r2/r1)2)exp(-||Zmin-ZC||2(r2/r1)2)-exp(-(r1)2(r2/r1)2)·N→·t---(8)h控制變形幅度，沿控制點(diǎn)曲面的法向方向變形；r1表示變形影響區(qū)域；r2控制變形的陡峭程度；Zmin指與變形起始點(diǎn)最近的點(diǎn)；表示變形起始點(diǎn)Zc所在曲面的法向方向；t表示變形的次數(shù)；第五步，基于控制線鄰域變形的人像產(chǎn)品線區(qū)域優(yōu)化，其特征為：設(shè)約束曲線上的頂點(diǎn)為Zi，Zi即為所有控制點(diǎn)（i=1，…，n），Zi“為Zi變形后的位置，下標(biāo)i的順序與Zi在控制曲線上的順序一致；控制線上任一點(diǎn)Z變形后新位置Z“計(jì)算式為：Z′=Σi=1nwiZi′---(9)其中，wi=|Q-Pi|-1Σi=1n|Q-Pi|-1,且Σi=1nwi=1.FDA00002936869700022.jpg,FDA00002936869700025.jpg...
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李麗，王名亮，孫園園，王舟洲，劉飛，劉潤，
申請(專利權(quán))人：重慶大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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