專利名稱：一種三維人像攝影系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種攝影系統(tǒng)，特別是一種利用普通照相機和計算機軟件，實現(xiàn)三維人像攝影和輸出的系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)實生活中，物體都是以三維幾何實體的形式存在。傳統(tǒng)的二維平面照片通過明暗對比和透視關(guān)系來造成視覺上的空間立體感，無法產(chǎn)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征，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(chǎn)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(jīng)有人探索立體照像的技術(shù)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，然后用2個互相分隔的目鏡，由左、右眼觀察這2幅照片，于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，后來又被改進為“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，而且要借助于專門的觀察裝置(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，人們的主要精力用于發(fā)展和完善黑白、彩色和數(shù)碼照像技術(shù)，并建立了相應(yīng)的工業(yè)體系，而立體攝影技術(shù)只是在小規(guī)模、小范圍內(nèi)進行，如60年代出現(xiàn)的立體電影。
利用雙眼視差形成立體視覺的方法實質(zhì)上是模擬人的雙眼視差作用的一種仿生學(xué)技術(shù)，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(zhì)量檢測、機器視覺、影視動畫、3D游戲、虛擬現(xiàn)實、人機交互、生物醫(yī)學(xué)、整形醫(yī)療、服裝設(shè)計、人體測量、文物復(fù)制、藝術(shù)雕塑等行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)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(xué)測量領(lǐng)域的研究熱點，出現(xiàn)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(lǐng)域，三維照相機主要基于兩種方法激光掃描法和結(jié)構(gòu)光投影測量法。
1、激光掃描法激光掃描法以純粹的三角測量原理為基礎(chǔ)，利用激光逐點掃描物體表面，通過出射點、投影點和成像點三者之間的幾何成像關(guān)系確定物體各點的三維空間幾何坐標。激光掃描儀的價格十分昂貴，非一般用戶所能承受?？履峥滥苓_VIVID系列三維激光掃描儀，售價在10～20萬美元之間，目前只應(yīng)用于逆向工程、三維動畫、文物復(fù)制、虛擬現(xiàn)實、整形醫(yī)療等專業(yè)領(lǐng)域。
2、結(jié)構(gòu)光投影法結(jié)構(gòu)光投影法是目前最常用的三維形狀測量方法?；舅枷胧抢谜彰鞴庠粗械膸缀涡畔韼椭崛”粶y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(diào)制，結(jié)構(gòu)光場的相位和振幅均發(fā)生變化，使二維結(jié)構(gòu)光圖發(fā)生變形。測量二維結(jié)構(gòu)光圖形發(fā)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(diào)制后的曲線條紋。通過成像系統(tǒng)獲取變形條紋圖像，利用相移技術(shù)可精確測定物體三維面型。
結(jié)構(gòu)光投影法具有原理簡單、測量精度高、速度快等優(yōu)點。如德國Breuckmann公司的工業(yè)級高精度optoTOP-HE三維數(shù)字化系統(tǒng)在50mm的測量范圍內(nèi)達到0.03mm的X、Y橫向分辨率和0.005mm的縱向分辨率，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(fā)明專利第99816634.0號。
已有三維照相機的特點(缺點)1、光路系統(tǒng)復(fù)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(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述問題提供一種三維人像攝影系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法，可以利用普通照相機和計算機軟件，拍攝具有照片級真實感的三維人像模型，并通過激光雕刻機在人造水晶內(nèi)部“打印”出具有真實感的三維實體頭像。
本發(fā)明所述的一種三維人像攝影系統(tǒng)，由一套照相設(shè)備，一臺與所述照相機相連，用于生成三維人像模型的計算機，以及一臺與所述計算機相連，用于在人造水晶內(nèi)部輸出三維實體頭像的激光雕刻機組成。
本發(fā)明所述的照相設(shè)備的一種實現(xiàn)方式包括一臺普通光學(xué)相機和一臺與所述計算機相連，用于將光學(xué)相機拍攝的照片數(shù)字化并傳輸給所述計算機的掃描設(shè)備。
本發(fā)明所述的照相設(shè)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(shù)字化照片直接傳輸給所述計算機的數(shù)碼照相機。
本發(fā)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(shè)備拍攝人像的正面和側(cè)面照片各一張，將生成的數(shù)碼文件傳送給計算機；計算機對正面和側(cè)面照片進行預(yù)處理，使正、側(cè)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(cè)面照片進行識別，獲取人臉關(guān)鍵特征點的三維空間位置和面部輪廓曲線；計算機將所提取的特征點和面部輪廓曲線作為變形參數(shù)，修正標準模型相應(yīng)特征點參數(shù)，獲得特定人的三維人像幾何模型；計算機根據(jù)正面照片和側(cè)面照片與幾何模型的投影關(guān)系，將正面、側(cè)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(zhuǎn)換為半色調(diào)圖像，與三維人像模型融合為空間點云圖像，生成激光雕刻加工文件并傳送給激光雕刻機；最后激光雕刻機根據(jù)加工文件，在人造水晶內(nèi)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(shù)相比，本發(fā)明所述的三維人像攝影系統(tǒng)使用的是普通照相機，無需采用價格昂貴的專業(yè)三維照相機，即可根據(jù)人體測量學(xué)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(tǒng)的二維平面照片多通過明暗對比和透視關(guān)系來造成視覺上的空間立體感，無法產(chǎn)生引人入勝的自然立體觀感。與傳統(tǒng)的二維攝影技術(shù)相比，本發(fā)明所述的三維人像攝影系統(tǒng)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征，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(nèi)外表面的光線折射作用，使懸浮在水晶內(nèi)部的三維立體頭像會隨觀察者的移動而轉(zhuǎn)動頭部，給人以一種前所未有的獨特視覺享受。同時，傳統(tǒng)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(fā)黃、藝術(shù)表現(xiàn)效果單一等缺陷。而本發(fā)明所采用的水晶載體具備工藝品玲瓏剔透、高貴典雅、質(zhì)地堅硬、恒久不變等優(yōu)點，所表達的思想內(nèi)涵遠遠超出了紙質(zhì)照片所能表達的思想內(nèi)涵。而本發(fā)明所述的三維人像攝影系統(tǒng)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(nèi)部，實現(xiàn)了現(xiàn)代科學(xué)與傳統(tǒng)藝術(shù)的完美結(jié)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(fā)明所述的三維人像攝影系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明所述的三維人像攝影方法的流程圖；圖3是本發(fā)明所述的三維人像攝影系統(tǒng)中的標準人臉三維模型示意圖；圖4、圖5是本發(fā)明所述的三維人像攝影系統(tǒng)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(fā)明所述的三維人像攝影系統(tǒng)生成的三維人像示意圖。
圖中，1照相設(shè)備，2計算機，3激光雕刻機，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(jié)合附圖對本發(fā)明所述的三維人像攝影系統(tǒng)的實施例進行詳細描述，可以更好地理解本發(fā)明的其他目的、特性和優(yōu)點。
參見圖1描述本發(fā)明所述的三維人像攝影系統(tǒng)。如圖1所示，所述三維人像攝影系統(tǒng)由一套照相設(shè)備1，一臺與照相設(shè)備1相連的計算機2，和一臺與計算機2相連的激光雕刻機3組成。照相設(shè)備1可以是數(shù)碼照相機，也可以是普通光學(xué)照相機加上一臺掃描設(shè)備。拍攝三維人像時，照相設(shè)備1先拍攝人像的正面和側(cè)面照片各一張，如果用數(shù)碼照相機，數(shù)碼文件即照片可以直接傳送給計算機2，如果用普通光學(xué)照相機，照片需要通過掃描設(shè)備數(shù)字化后再傳送給計算機2。計算機2對正面和側(cè)面照片進行處理并識別后生成三維人像模型，并根據(jù)該模型生成激光雕刻加工文件傳輸給激光雕刻機3。激光雕刻機3根據(jù)加工文件在人造水晶內(nèi)部雕刻出三維水晶立體影像。
參見圖2描述本發(fā)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(shè)備1拍攝人像的正面和側(cè)面照片各一張并傳送給計算機2；在步驟S2中，計算機2對照片去除噪聲并進行歸一化，使正面和側(cè)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對人像的特征點進行識別、提取特征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(jù)步驟S3中特征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(jù)正面和側(cè)面照片的空間相對位置，將正面、側(cè)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(zhuǎn)換為半色調(diào)圖像，與三維人像模型融合為空間點云圖像，生成激光雕刻加工文件并傳送給激光雕刻機3；在步驟S7中，激光雕刻機3根據(jù)加工文件，在人造水晶內(nèi)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(jié)構(gòu)，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、鼻尖和下巴尖點位于豎直對稱軸上，眼睛、鼻子、嘴巴等器官在整個面部中的相對位置是穩(wěn)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(guī)律。在豎直方向上，發(fā)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述。而特定人的個性特征可通過對公共特征的調(diào)整而得到，如面部輪廓、眼睛大小、眉毛粗細、鼻子高低等。本發(fā)明根據(jù)上述先驗知識，預(yù)先建立了一個如圖3所示的特征點參數(shù)可調(diào)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(jù)特定人像的正面和側(cè)面照片所提取的特征點和面部輪廓曲線，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。之后，計算機2將正面和側(cè)面照片拼接成一張與視點無關(guān)的紋理圖像，并貼到三維人像幾何模型5上生成三維人像模型6。由于正面和側(cè)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，采用多分辨率樣條技術(shù)(圖像金字塔法)消去正面和側(cè)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分辨率的一組圖像的集合。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(chǎn)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后，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(cè)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范圍與人臉模型的象素范圍通常不能很好地吻合。為獲得較好的貼圖質(zhì)量，需采用插值方法來計算人臉模型的象素顏色，較好地實現(xiàn)紋理縮放和紋理重復(fù)。
參見圖6描述通過激光雕刻機3加工生成的三維實體人像。激光內(nèi)雕機是一種與激光打印機類似的二值點陣輸出設(shè)備，輸出的點只能是開或關(guān)兩種狀態(tài)，每個打印點只有有色或無色兩種狀態(tài)，而沒有深淺濃淡之分。本發(fā)明采用了空間半色調(diào)技術(shù)，充分利用視覺對視頻信號的帶通特性，將連續(xù)色調(diào)的紋理貼圖灰度圖像進行三維空間調(diào)制，使得在小面積內(nèi)分布的像素灰度被綜合為該面積的灰度，通過激光快速成形設(shè)備輸出，形成一個在視覺觀察效果上近似于原圖像的二值圖像。空間半色調(diào)技術(shù)采用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?；译A圖像的像素值逐個同閾值矩陣中的每個閾值進行比較，當(dāng)小于閾值矩陣中的閾值時，在二值矩陣相應(yīng)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(shù)的增加，半色調(diào)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(shù)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(jù)實驗結(jié)果，當(dāng)激光雕刻機的最小點距為0.1mm時，采用4×4×4的的二值矩陣比較合適，其半色調(diào)圖像的灰階數(shù)為17，空間分辨力為3周/mm。
空間半色調(diào)技術(shù)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分辨率。
以上所描述的僅是本發(fā)明的部分應(yīng)用實例，而不應(yīng)該被視為對本發(fā)明的局限。根據(jù)本發(fā)明所公開的概念，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以很容易地設(shè)計出其他類似的實施方案。本發(fā)明的權(quán)利要求書應(yīng)被視為包含那些不背離本發(fā)明宗旨的類似設(shè)計。
權(quán)利要求
1.一種三維人像攝影系統(tǒng)，其特征在于，所述三維人像攝影系統(tǒng)包括一套照相設(shè)備；一臺與所述照相設(shè)備相連，用于生成人像三維模型的計算機；和一臺與所述計算機相連，用于在人造水晶內(nèi)部生成三維實體人像的激光雕刻機。
2.如權(quán)利要求1所述的三維人像攝影系統(tǒng)，其特征在于，所述照相設(shè)備包括一臺普通光學(xué)照相機和一臺與所述計算機相連、用于將普通光學(xué)照相機拍攝的照片數(shù)字化傳送給計算機的掃描設(shè)備。
3.如權(quán)利要求1所述的三維人像攝影系統(tǒng)，其特征在于，所述照相設(shè)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(shù)碼照相機。
4.一種三維人像攝影方法，其特征在于，所述三維人像攝影方法包括以下步驟1)照相設(shè)備拍攝人像的正面和側(cè)面照片各一張，并將生成的數(shù)碼文件傳送給計算機；2)計算機對正面和側(cè)面照片進行預(yù)處理，使正、側(cè)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(cè)面照片進行識別，獲取人臉關(guān)鍵特征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征點和面部輪廓曲線作為變形參數(shù)，修正標準模型相應(yīng)特征點參數(shù)，獲得特定人的三維人像幾何模型；5)計算機根據(jù)正面照片和側(cè)面照片與幾何模型的投影關(guān)系，將正面、側(cè)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(zhuǎn)換為空間半色調(diào)圖像，與三維人像模型融合為空間點云圖像，生成激光雕刻加工文件并傳送給激光雕刻機；7)最后激光雕刻機根據(jù)加工文件，在人造水晶內(nèi)部加工出具有真實感的三維實體頭像。
全文摘要
本發(fā)明提供一種三維人像攝影系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法，該系統(tǒng)使用普通照相機拍攝人像的正面、側(cè)面照片，采用計算機視覺算法獲取頭部的三維幾何模型，并根據(jù)照片與幾何模型的投影關(guān)系，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；然后使用空間半色調(diào)方法將連續(xù)色調(diào)的紋理貼圖灰度圖像進行空間調(diào)制，通過激光雕刻機在人造水晶內(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(yōu)先權(quán)日2006年6月1日
發(fā)明者高宏, 辛建波, 曹向東, 楊福明 申請人:高宏, 北京華天創(chuàng)新信息科技有限責(zé)任公司