学位论文:基于二维图像的三维人脸建模技术研究.pdf
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1、摘要近年来,随着计算机图形技术的发展,三维人脸建模枝术发展较 快,已经成为计算机图形学领域的一个重要部分。在虚拟现实、影视 制作、计算机辅助教学、可视电话、视频会议、医学研究、游戏娱乐 等诸多方面,都具有很强的应用价值。虽然该领域已经有了显著的进 展,由于人脸表面的复杂性,建立逼真的三维人脸仍然是一项艰难的 工作。建立三维人脸模型和表情动画是计算机图形学领域的一个研究 热点,本文研究的是基于二维图像的三维人脸建模技术,即:使用两 张正交的人脸正侧面照片合成三维人脸,首先在给定人脸的正面和侧 面照片中提取出反映人脸形状特征的特征点信息,再利用这些特征点 信息对一般人脸模型进行修改获得特定人脸模型
2、,然后使用正侧面照 片中的人脸纹理信息对特定人脸模型进行纹理映射,最终得到具有真 实感的虚拟三维人脸。在特征提取方面,采用了一种改进的彩色Snake 模型对轮廓线进行精确定位;在此基础上又采用克里金空间插值技术 调整一般人脸模型,并对克里金插值后的模型进行了基于局部区域的 二次插值磨光处理,使模型的几何结构更加自然;为了获取人脸纹理 信息,利用拼接加权因子和小波方法拼接人脸图像,得到了人脸全景 纹理图;然后对人脸网格模型进行了纹理映射,并利用了Java3D进行 模型渲染,从而得到比较真实的三维人脸。关键词三维人脸建模,特征提取,模型调整,纹理映射Abstrac tIn rec ent year
3、s,with the development of c omputer graphic s tec hnology,3D human-fac e model designing tec hnology is also developing rapidly and it also has bec ome an important part of the c omputer graphic s sc ienc e.It also has a great value of applic ation in many aspec ts,fbr example:in the virtual reality
4、,film and television produc tion,c omputer-assistant teac hing,video telephony,video c onferenc ing,medic al researc h,entertainment,and c omputer game.Although 3D human-fac e model designing tec hnology has got a notable progress,as the c omplexity of the surfac e of human fac e,the establishment o
5、f realistic 3D human Fac e c ontinues to be a diffic ult task.Three-dimensional human-fac e model designing and fac ial animation is an attrac tive field of c omputer graphic s researc h,this paper is aims on three-dimensional human-fac e model designing whic h based on two-dimensional images,that i
6、s:use two orthogonal front and side photo of a human fac e to form a 3D photo fac e.First extrac t the feature information reflec ts the human fac e feature from the front and side photos of c ertain human fac e,then use these feature information to amend general human fac e model and get c ertain h
7、uman fac e model,and then texture mapping the c ertain human fac e model by using the texture information reflec t by the front and side photo of c ertain human fac e,and ultimately get a realistic virtual 3D Fac e.In human fac e feature extrac tion,using an improved c olorful Snake model to ac c ur
8、ately position c ontour;On this basis,using Kriging Spatial Interpolation tec hnology adjusts ordinary people fac e model,then use quadratic interpolation polishing tec hnology on loc al region of the interpolated,by this step to make the geometric struc ture of the model more natural;In order to ob
9、tain the human fac e texture information,use stitc h weight fac tor and wavelet method to stitc h human fac e image,so as to gat human fac e panoramic texture map;then texture mapping the grid model of human fac e,and use Java3D fbr model rendering,thus gained a realistic 3D fac e.KEY WORDS 3D human
10、-fac e model designing,feature extrac tion,model adjusting,texture mappingin工程硕士学位论文第一章绪论第一章绪论近年来,随着计算机图形技术的发展,三维人脸建模和表情动画成为计算机 图形学领域的一个研究热点,受到了人们越来越多的关注。人脸建模和表情动画 技术可被应用在虚拟现实、影视制作、人机交互、可视电话、视频会议、辅助教 学、医学研究、游戏娱乐等诸多领域中,具有很强的应用价值。基于二维图像的 人脸建模方法是目前最为流行、研究最多,也是应用最为广泛的人脸建模方法,该方法具有建模过程相对简单、人脸数据容易获得、真实感好等特
11、点,但是该方 法需要人机交互,建模效率不高。本文主要的研究内容就是对已有方法进行了分 析研究,并提出可行的改进方案。1.1 研究的背景和意义人脸是人类基本特征信息和情感表达交流的最重要、最直接的载体。大家通 过人脸来区分每一个人,通过人脸可以推断一个人的种族、地域,甚至身份、地 位等信息。同时,人脸通过丰富而复杂的变化,来表达自己的情绪,成为人与人 之间交流非常重要的手段。正因为人脸在人的情感表达中扮演着重要的角色,从 古至今,对于人脸的描述和刻画一直得到人们的广泛关注。最早出现在绘画、雕 塑、表演等艺术领域,后来照相、摄影和电影电视等技术的出现,使得人们对人 脸对象可以进行特殊的处理,获得真
12、实感更好的人脸及动画。随着计算机技术的 迅速发展,使人们对于复杂的人脸对象表示有了新途径,人们试图通过各种不同 方法在计算机上实现人脸模型,并寻找人脸表情、动作等动态信息的描述和表示 方法,最终建造真实感的虚拟人脸。不过由于人脸形状复杂多变以及复杂的光照 特性,使得建立精确的人脸模型和真实感人脸非常困难。因此,真实感人脸建模和人脸动画是目前计算机图形学、计算机视觉、模式 识别等领域最为活跃的研究热点,具有重要的研究意义,同时真实感人脸建模也 具有广阔的实际应用价值,它在影视制作、游戏、医学、计算机辅助教学、可视 电话、视频领域中都具有广阔的研究前景。下面是人脸建模的一些典型应用。(1)影视广告
13、计算机生成的三维虚拟人物在影视、广告中的应用越来越普遍,而所构造的-1-工程硕士学位论文第一章绪论人脸模型也越来越逼真,甚至在一定程度上可以达到以假乱真的效果。图1-1所 示是最终幻想:灵魂深处中的角色,该片中的角色造型及其表情动画都非常 真实,因此当时有评论写到“真人演员将被虚拟人物所代替”,虽然该说法有些 极端,但也一定程度上体现了三维虚拟人物的拟真度之高。囹1-1 载终幻想:灭魂深殁干的用巴(2)游戏领域传统游戏中的二维场景和虚拟人物很难使游戏者达到身临其境的感觉。随着 图形硬件设备的快速发展,在游戏中使用三维场景和虚拟人物已成为一个趋势。在游戏鬼武者中,游戏公司请来演艺明星金城武,以他
14、为原型建立了游戏主 人公的模型,如巴12即示图1-2鬼武者中的人物形象(3)医学-2-工程硕士学位论文 第一章绪论人脸建模和动画技术可以对头颅以及脸部组织的手术进行模拟,这样可以为 真正手术提供借鉴,减少手术的风险。而对于当前流行的整容手术,使用真实感 的三维人脸模型进行模拟,可以很方便的直观的预览手术效果,以便于制定手术 方案。心理学家可以用人脸运动的计算机模型来实现他们的研究,这比以前他们 必须使用照片或者刺激人脸肌肉进行研究更加的方便。(4)计算机辅助教学人脸建模以及在此技术上的人脸动画技术可以运用到有生有色的计算机辅 助教学过程。尤其是当学生听力方面有缺陷时,学生可以在人脸动画技术的支
15、持 下,一遍遍的跟这位虚拟老师学习,只要预先设定程序,这位老师永远都会“不 厌其烦”。学生可以随时随地与这位类似真人的虚拟老师学习,增加了学习氛围,调动了学生的积极性。(5)视频会议和可视电话随着网络带宽的提高和网络技术的发展,人们希望通过网络进行可视化的远 程交流,视频会议和可视电话等应用越来越受到欢迎。而利用真实感的人脸模型 及表情动画,则为实现实时、低比特率可视应用提供了可行方案,甚至以后我们 还可能实现电影星球大战中的全息投影视频会议。(6)虚拟现实随着计算机技术的发展,人们开始尝试虚拟现实世界的建立,在计算机中建 立虚拟现实世界有着广泛的用途。而虚拟人脸的建立是虚拟世界的一个重要的组
16、 成部分。1.2 研究现状早在上个世纪70年代,人们就开始了三维人脸建模技术的研究。1972年Parke提出了一种参数化的人脸模型叫首次使用计算机表示了人脸。之后经过30多年的发展,许多研究者提出了不同的人脸建模方法。按照人脸建 模采用的方法不同,人脸建模大体可以分为;参数模型、生理肌肉模型、基于图 像的视觉模型以及基于人脸库的形变模型。在这期间,人脸建模的研究重点也由 如何用计算机表示人脸外观,转移到真实感人脸建模和动画上,因此,特定人脸 的三维人脸模型数据的获取也变得尤为重要。上世纪90年代以后,基于图像的人脸建模方法成为最具代表性,也是应用 工程.硕士学位论文第一章绪论最为广泛的人脸建模
17、方法。该方法基于多视点人脸图像或视频序列,通过视觉方 法来计算和恢复人脸特征点的三维信息,并修改一般三维人脸模型来建立特定三 维人脸。它具有建模过程相对简单,人脸数据容易获得,真实感好等特点。RPighin提出用5幅不同方向的人脸图像重建三维人脸的模型【2印。该方法首 先在人脸图像上标定人脸的主要器官,如眼睛、鼻子、嘴巴和耳朵上的特征点,基于这些特征点的二维数据,采用一种改进的摄像机标定方法迭代最小平方 法,自动恢复出摄像机的参数以及特征点的三维坐标。然后通过交互方式获取人 脸的细节特征点,再用恢复得到的摄像机参数计算细节特征点的三维坐标。最后 采用径向基插值的方法变形一般人脸模型,生成特定人
18、的三维人脸模型。Won-Sook Lee等人提出了一种由正面和侧面人脸图像重构三维人脸的方法(57,o该方法通过构造正面和侧面特征曲线的结构化Snake模型来定位人脸的特 征点,并实现了人脸的快速建模技术。Z.C.Liu和Z.Y.Zhang提出一种从视频图像快速进行三维人脸建模和动画 的方法围久该方法在三维人脸建模时手工标定了5个显著特征点(两个眼角点、一个鼻尖点和两个嘴角点),这五个显著特征点并不用于特征点的定位,而是用 于确定人脸区域以获取人脸区域的颜色模型。特定人的人脸特征是通过检测预先 定义的面部角点来进行对应计算的。Horase H.S.Ip等人提出了一种通过正面和侧面人脸图像自动生
19、成特定人三 维人脸模型的方法。该方法在提取人脸的外轮廓特征点时,采用了一种局部 最大曲率跟踪算法,能自动提取到正面人脸和侧面人脸图像的外轮廓以及关键特 征点信息(如:眼睛、嘴巴和耳朵)。这种方法可以实现三维虚拟人脸合成的自 动化,但它的自动只能对某一类人脸图像比较适合,而且由于特征点选取过于有 规则,当特定的人脸与一般人脸网格模型差别很大时,很难将一般人脸网格模型 进行变形。基于图像的视觉建模方法是目前研究得最多,也是应用最广泛的三维人脸建 模方法。该方法建模过程相对简单,而且真实感效果好,并且数据的获取也非常 方便。因此,该方法的应用广泛,在很多的人脸建模软件中都被应用,例如Poser,Fa
20、c eGen Modeller 等。通过视觉方法建立三维人脸模型的一般过程如下:首先通过摄像设备获取不-4-工程硕士学位论文第一章绪论同视点的特定人脸图像,并建立一个一般三维人脸网格模型;然后从不同视点的 人脸图像提取人脸的特征,即在不同人脸图像上标注对应的人脸特征点,如眼角、嘴角以及鼻尖等部位;接下来是用视觉方法计算人脸特征点的三维空间点位置,并用于变形一般三维人脸网格模型,从而建立特定人脸的几何模型;最后,使用 多视点人脸图像合成特定人脸的纹理图像并进行纹理映射,从而建立特定人的真 实感人脸模型。这种人脸建模方法的主要困难是人脸的特征检测问题,即如何从 人脸图像或视频序列中准确获取用于模型
21、变形的人脸特征点位置。目前只能通过 交互方式获取,要获取理想的建模效果,需要在人脸图像上标定相当数量的特征 点。1999年,Vetter等人提出了基于形变模型的人脸建模方法,该方法第一次实 现了人脸建模的完全自动化1nL并且可以由一幅人脸图像重建特定人的三维人脸 模型。但作为一种新的人脸建模方法,它目前还存在许多有待改进的地方。首先,建立形变模型的基础是三维人脸数据基于特征的稠密对应,目前模型通过人脸柱 面展开图像的光流计算来建立这种对应,但光流算法对于差异较大的人脸图像计 算效果并不理想。其次,在模型匹配时仅考虑了单一的光照条件,模型不适合复 杂光照条件下的人脸重建。第三,模型匹配的计算过于
22、复杂,计算量很大,这也 是该模型不能实际应用的主要原因。国内关于人脸建模的研究相对比较晚,最早的人脸建模研究始于上世纪90 年代末。典型的人脸建模研究有清华大学、哈尔滨工业大学以刈、中科院计算 所1回、浙江大学口8网、中国科技大学如22)、北京工业大学2324、湖南大学2526、上海交通大学卬】等研究机构。清华大学利用三角样条曲面进行了面部建模和动 画研究;中国科技大学从正面和侧面两幅图像出发合成了三维人脸模型并制作了 简单的面部表情动画;中国科学院自动化研究所研制出了基于激光扫描的三维数 据获取方法。但是目前国内还只限于理论方面的研究,实际应用很少涉及。目前,三维人脸模型数据的获取主要有两种
23、方式:一种是利用三维数据获取 设备来获取,该方式能够获取高精度的三维人脸数据,但是价格昂贵,无法普及;另一种方法则是通过二维图像合成三维人脸的网格数据,由于其获取设备的便 利,被广泛关注。通过上面的研究现状分析可以看出,经过几十年的努力,人脸建模和动画技-5-工程硕士学位论文第一章绪论术的研究取得了很大进展,特别是基于图像的视觉建模方法得到了广泛应用。1.3 本文的研究内容本文深入研究了基于二维图像的三维人脸建模方法,并提出了改进,具体研 究内容大体可分为以下几个方面:1.人脸特征提取技术的研究和改进人脸特征点的获得是人脸建模的基础,也是提高建模效率最关键要解决的 问题,本文研究了人脸特征提取
24、的常用方法,并提出改进方案;提出一种基于彩 色Snake模型和人脸先验知识的面部特征轮廓线提取算法,并将其用于真实感的 三维人脸建模过程。2.基于特征点的人脸模型调整方法本文对人脸模型调整的方法进行了分析研究;主要对基于特征点的人脸模型 调整方法进行研究探讨,利用克里金插值技术结合对尖角的局部平滑策略,使得 到的最终模型更加人性和自然。3.纹理映射技术为了使得到的三维人脸模型具有真实感,还需要从实拍的二维照片上获取皮 肤纹理信息,将它们映射到特定人脸模型上,增强真实感,本文对纹理映射技术 进行了研究探讨。首先介绍了利用正面和侧面图像进行拼接融合来获得人脸纹理 图的方法,并详细介绍了基于小波方法
25、的融合方法,通过对常用拼接因子的确定,使得拼接过渡更加自然。然后,介绍了纹理坐标获取的方法,着重介绍了柱面投 影。最后,基于Java3D进行模型的最终渲染。1.4 本文结构本文由五章组成,主要论述了基于二维图像的三维人脸建模过程中的关键技 术,并提出了改进方案。各章节内容安排如下:第一章绪论。介绍了本文的研究背景与意义;分析了国内外真实感人脸建 模方面的研究进展和研究现状;在此基础上简介了本文主要的研究内容。第二章人脸特征提取。首先介绍了人脸结构及其特点,然后对人脸特征提 取的方法进行分析和研究,特别是对人脸建模中特征轮廓线的提取作了详细的论 述,并提出改进方案。-6-工程硕士学位论文第一章绪
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