（计算机应用技术专业论文）颅面复原纹理生成的研究.pdf

沈阳航空工业学院硕士学位论文 摘要 本文简述了真实感人脸皮肤与皱纹绘制在刑侦、考古、虚拟现实、计算机游戏等领 域中的应用，综述了其现状及发展趋势，比较分析了现有的几种方法。针对真实感人脸 皮肤与皱纹绘制技术在颅面复原系统中的应用以及现存的算法所生成的皮肤皱纹不自 然的问题，提出本文的研究课题。 精细的皮肤结构( 本文称为细纹) 是增加皮肤表面几何细节的有效方式，也是提高 皮肤真实感的有效途径。皮肤细纹生成方法虽然没有颜色纹理映射方法自然和真实，但 因其有易用于动画和没有特定人特征的优点，仍然受到广泛关注。目前皮肤细纹生成方 法基本都是首先获得皮肤表面的细节纹理图，然后对细节纹理图进行几何纹理映射得到 最终的结果，差别仅是获取细纹纹理图的方式各有不同。考虑人的皮肤是自然纹理的一 种，为此，本文提出了一种基于分形迭代函数系统( i t e r a t e df u n c t i o ns y s t e m ，i f s ) 的皮肤细纹生成算法。同时，由于肌肉收缩而形成的表情皱纹与年龄皱纹( 本文称为粗 纹) 是提高皮肤真实感的关键因素，本文也提出了一种基于皱纹纹线提取与分形插值的 粗纹生成算法。 另外，由于颅面复原后的面貌缺少毛发，而且五官也容易失真与变形，影响了人的 视觉效果，因此本文也提出了一种简单快速的二维五官组合修饰方案，整个方案由建立 一个比较完整、有代表性的五官数据库、添加五官以及皮肤上色三部分组成。 实验结果表明，对于给定的颅面采用上述方法修饰后，能提高复原后颅面的真实感 与相似度，缩短整个复原过程的周期，提高复原的效率，对加快受害人的寻找和确认起 到一定的促进作用。 关键词：真实感绘制；皱纹；几何纹理映射；i f s ；三维颅面复原 沈阳航空工业学院硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n d i c a t e st h ea p p l i c a t i o no fr e a l i s t i cf a c i a ls k i n sa n dw r i n k l e s r e n d e r i n gi nt h e f i e l d so fc f i m i n a l i s t i c s ，a r c h e o l o g y , v i r t u a lr e a l i t y , c o m p u t e rg a m ea n ds oo n t h ec u r r e n t s t a t u sa n dt h ed e v e l o p m e n to ft h i st e c h n o l o g ya r es u m m a r i z e d ，a n dv a r i o u se x i s t i n gm e t h o d s a r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d a i m i n ga tt h ee x i s t i n gp r o b l e m so fg e n e r a t e dw r i n k l e si sn o tr e a l i nt h et e c h n o l o g yo fr e a l i s t i cf a c i a ls k i n sa n dw r i n k l e s r e n d e r i n ga n dt h e i ra p p l i c a t i o ni nt h e f a c i a lr e c o n s t r u c t i o n ，w ep u tf o r w a r dt h i sr e s e a r c hs u b j e c t f i n es k i ns t r u c t u r e ( i ti sc a l l e df i n e - s c a l ew r i n k l e si nt h ep a p e r ) i sa ne f f e c t i v ew a yt o i n c r e a s eg e o m e t r i cd e t a i l so ft h eh u m a ns k i na n dag o o da p p r o a c ht oi m p r o v et h er e a l i s mo f s k i n a l t h o u g ht h ee f f e c to fg e n e r a t i n gm e t h o do fs k i nf i n e - s c a l ew r i p k l e $ i sn o ta sn a t u r a l a n dr e a l i s t i ca st h ec o l o rt e x t u r em a p p i n gm e t h o d ，i ts t i l lr e c e i v e sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nf o r b e i n ge a s ya n i m a t e da n dn oc h a r a c t e r i z e so fp e o p l e ap r e s e n tm e t h o dt oa t t a i nf i n e s c a l e w r i n k l e si st og e tad e t a i lt e x t u r eo fs k i n ss u r f a c ef n s ta n dm a pi to nat r i a n g l em e s h e s ， d i f f e r i n gi nt h a tt h ew a yo fg e t t i n gw r i n k l e s c o n s i d e r i n gt h a tt h eh u m a ns k i ni sak i n do f n a t u r a lt e x t u r e ，f o rt h i s ，t h i sp a p e rp r e s e n t sa g e n e r a t i n ga l g o r i t h mo ff i n e - s c a l ew r i n k l e s b a s e do n i f s ( i t e r a t e df u n c t i o ns y s t e m ) m e a n w h i l e ，e x p r e s s i o n a l w r i n k l e sa n da g e d w r i n k l e s ( t h e ya r ec a l l e dl a r g e - s c a l ew r i n k l e si nt h ep a p e r ) a r ef o r m e dd u et os h r i n k i n go ft h e s k i ns u r f a c ec a u s e db yb o d yp a r tm o v e m e n ti st h ek e yf a c t o rt oi m p r o v et h er e a l i s mo fs k i n ， a l s o ，t h i sp a p e rp r e s e n t sag e n e r a t i n ga l g o r i t h mo fl a r g e s c a l ew r i n k l e sb a s e do ne x t r a c t e d f u r r o wa n df r a c t a li n t e r p o l a t i o n i na d d i t i o n ，d u et ot h ef a c eo ft h ef a c i a lr e c o n s t r u c t i o ni sal a c ko fh a i ra n df a c i a lf e a t u r e s i se a s yd i s t o r t i o n ，s oa st oa f f e c tp e r s o n sv i s u a le f f e c t ，s o ，as i m p l ea n dr a p i d2 dd e c o r a t i o n m o d u l ei sp r e s e n t e d ，i ti sc o m p r i s e do fc r e a t i n gf a c i a lf e a t u r e sd a t a b a s ea n da d d i n gf a c i a l f e a t u r e sa n dc o l o r i z a t i o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v et h a th a sb e t t e re f f e c to nf a c i a lo fr e c o n s m l c t i o nb yu s i n g 沈阳航空工业学院硕士学位论文 r e n d e r i n go fw r i n k l e sa n d2 dd e c o r a t i o n i tc a nr e d u c et h ew h o l er e b u i l d i n gc y c l e ，i m p r o v e t h e e f f i c i e n c y o fr e b u i l d i n ga n de n h a n c et h er e s e m b l a n c ea n dt h ea u t h e n t i c i t yo ft h e r e b u i l d i n gf a c e ，i tw i l lm a k et h ev i c t i mf i n d i n ga n dd e t e r m i n a t i o nf a s t e rt os o m ee x t e n d i t w i l lp r o m o t et h ep r o c e s so ff i n d i n ga n dd e t e r m i n i n gv i c t i m k e y w o r d ：r e a l i s t i cr e n d e r i n g ；w r i n k l e s ；b u m pt e x t u r em a p p i n g ；i f s ；3 df a c i a l r e c o n s t r u c t i o n h i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立完 成的。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品或成果，也不包含本人为获得其他学位而使 用过的成果。对本文研究做出重要贡献的个人或集体均已在论文中进 行了说明并表示谢意。本声明的法律后果由本人承担。 论文作者签名：商多； 加驴年月z 罗日 版权授权说明 本人授权学校“有权保留送交学位论文的原件，允许学 位论文被查阅和借阅，学校可以公布学位论文的全部或部分 内容，可以影印、缩印或其他复制手段保存学位论文”；愿意 将本人学位论文电子版提交给研究生部指定授权单位收录和 使用。学校必须严格按照授权对论文进行处理，不得超越授 权对毕业论文进行任意处置。 授权人：商量二 沙夕年，月三9 日 沈阳航空工业学院硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 颅面复原简介 颅面复原是对人类颅骨进行面部容貌复原的技术。该技术以法医学、人类学、解剖 学中的头骨与面貌的相互关系规律为科学依据，广泛应用于刑侦、考古，法医学，人类 学等领域。 颅面复原技术发展历史悠久，有1 0 0 多年的历史。迄今为止，颅面复原技术从总体 上来讲分为二维和三维复原技术，二维和三维颅面复原技术均有手工复原和计算机辅助 复原两种方式。二维复原是指以颅骨的x 一射线图像、描摹图或照片为依据描绘出面部 图像；三维手工复原直接在人的颅骨或颅骨的复制品上雕塑出面貌；三维计算机辅助复 原技术，则在数字化的三维颅骨图像上，通过计算机图形学方法，产生形象逼真的面部 轮廓及五官。 三维颅面复原技术最早可以追溯到1 9 世纪末，解剖学家维尔黑姆希斯( w i l h e l m h i s ) 开创性地提出根据骨骼解剖学特征雕刻人像，重现死者面貌，并与雕刻家塞弗内 合作，复原了音乐家巴赫的颅面“。2 0 世纪2 0 3 0 年代，人们用泥塑面貌法取代了雕 刻复原法。最早有文字记载的案例可追溯到1 9 3 5 年，随后，k r o g m a n ( 1 9 4 6 年) 进行了 一个关键的实验。1 。他首先制作一个头骨的石膏模型，根据解剖学参数在石膏模型上打 下许多孔，每个孔中插入一根木桩，使木桩向外突出的长度等于该处的软组织厚度；然 后用粘土填充面部肌肉的空间，直到覆盖所有的木桩；最后加上五官，进行整体修饰。 无论是雕刻还是填充，都需要复杂的工艺。随着计算机技术的发展，出现了借助计 算机复原颅骨面貌的虚拟三维技术，即计算机颅面复原技术。 虚拟复原也要依据人体解剖学原理，把头部分为骨骼、肌肉群层、脂肪蜂窝组织层 三部分。骨骼也可称为硬组织，肌肉群层和脂肪蜂窝组织层可统称为软组织。软、硬组 织只给出形态上的信息，覆盖纹理才能提供颜色和美学特征。由此，计算机颅面复原的 全过程就是通过图像或扫描数据重建三维数字颅骨( 重建硬组织) ，在重建的颅骨上复 原皮肤雏形( 即加软组织) ，最后进行纹理映射、添加表情、五官组合修饰，使复原的 面貌生动逼真，达到辨认失踪者或重现考古人物的目的。 1 婆塑塾窒三些堂堕堡主堂垡鲨皇 计算机辅助颅面复原并不是手工颅面复原的简单计算机化，计算机辅助颅面复原技 术充分发挥了计算机的优点，并引进了模型和变形技术，使计算机辅助三维颅面复原有 了科学的依据。 计算机辅助三维颅面复原一般要经过颅面重建、面部表情构建和组合修饰三个过 程。在颅面重建的过程中，首先重建三维颅骨，判断骨龄与人种，然后获取软组织厚度 数据或特征点软组织数据，在三维颅骨上添加相应骨龄与人种的软组织。重建过程得到 的面貌只是雏形，要想真正完整的得到一个形象逼真的三维人脸，还需纹理、表情、肌 理复原，此过程称为面部表情的构建。组合修饰主要是加毛发与五官，一般分为二维和 三维五官组合修饰两种。 计算机辅助三维颅面复原现在主要有七种方法，如骨变形法，仿手工复原法伽， 对照匹配法嘲，二维凸包法“1 ，模板法”，特征点法埘，三维分区和凸包法“”。本文的内 容是基于三维分区和凸包法颅面重建的后续两部分工作。 1 2 纹理生成研究的目的与意义 颅面复原后的面貌由于表情、纹理、毛发、五官等的缺失或者变形，导致复原出的 整个面貌往往只是形似，缺少真实感，不仅影响了人的视觉效果，更重要的是在一定程 度上影响了面貌的真实性。而面部皮肤纹理、毛发、五官是影响面部真实感的关键因素， 故给复原后的颅面添加纹理，毛发以及五官，可以提高复原后颅面的生动性与真实感， 对整个复原后的面貌达到神似具有重要的意义。 与此同时，计算机合成真实感人脸是计算机图形学研究的一个热点，也是一个难点。 特别是当虚拟人频繁的出现在如虚拟现实、娱乐场所和外科手术模拟等各种领域时，提 高其真实感就越来越重要了。由于人脸部皮肤纹理不仅可以说明一个人的年龄，而且有 助于理解人的表情，增加人脸的真实感，因此模拟具有真实感的皮肤纹理也引起了人们 的广泛关注。同时，由于人脸纹理的精细性与复杂性，人脸纹理的模拟与生成也是一件 具有挑战性的工作。它结合了计算机科学、数学、人类学、解剖学、生理学、艺术学等 多学科的知识和技术，对计算机的图像处理、交互技术和可视化技术，提出了许多新的 问题和需求，其研究成果对于促进相应领域的理论发展，有着重要的科学意义。 2 沈阳航空工业学院硕士学位论文 1 3 纹理生成国内外的研究现状 皱纹是皮肤上最显著与最直观的特征，本文所说的皮肤纹理指的也就是皮肤皱纹。 对皮肤皱纹的模拟有两个要求，一是静态的逼真，二是动态的合理。针对以上两个要求， 人们提出了多种方法与模型。这些方法与模型大体上可以分为纹理法，物理模型与几何 模型。 1 3 1 纹理法 纹理法主要包含纹理映射技术“”，面部数据记录“”以及纹理合成语言“”三种方法。 其中，纹理映射技术又分为颜色纹理映射与几何纹理映射。”。 颜色纹理是呈现在不同种族人脸表面上的各种不同的肤色。由于光照的因素，同一 人脸的不同部位肤色会有明暗差异。颜色纹理映射就是把纹理从纹理空间映射到物体表 面，再按光照模型和插值算法( 在图像空间) 绘制。纹理图像可由合成图像及真实照片组 成。 g i u s e p p ea t t a r d 等人提出了圆柱形颜色纹理 映射方法，其原理如图1 1 所示，选择参考人物的 至少三个角度的视图( 正面像一张，侧面像俩张) ， 生成圆柱形纹理“。将圆柱形纹理上的任意点p 投 射到圆柱轴线上，射线与头的表面交于q 点。观察 q 点法线和视图法线间的夹角，可以确定在那个视 图1 1圆柱形纹理 图上可以看到q 点。p 点的颜色由可见视图上颜色 的加权和给定，而权重取决于与法线的夹角。最后， 将纹理映射到整个模型上。图1 2 为此方法的面部 表情构建结果图。这种方法的问题是，在提取颜色 之前，必须修改各个视图，使整个模型相应的投影 互相匹配。确定了对视图理想点的地图投影方式， 就可以隐含地实现这种变化。通过在视图上投影曼 彻斯特点，并且在适当的地方移动这些视图，可( a ) 参考头像( b ) 面部表情构建后的头像 以得到这种视图投影。 图1 2面部表情构建结果 3 沈阳航空工业学院硕士学位论文 晏洁等人提出一种多方向纹理映射方法，该方法将从三个人的面部图像( 一个正面、 二个侧面图像) 上获取纹理信息并投射到三维面部曲面模型上“”。利用曲面磨光技术将 三维人脸网格模型中的空间多边形表示为二次b 6 z i e r 片的集合，对于面部曲面上每一 个b 6 z i e r 片，其相应的纹理图像区域通过正投影此b 6 z i e r 片的边界曲线到面部图像 上来确定。选取三个图像的哪一个作为被投影图像将取决于此曲面片的整体方向，当曲 面片的整体方向与正面方向平面( y z 平面) 夹角小于3 0 度时，投影于正面图像，否 则分别投影于两个侧面图像。该方法计算复杂且正面与侧面交界处的色彩平滑过渡的效 果不理想。 李军锋，张狲等人也都采用的是圆柱形颜色纹理映射方法，只不过生成圆柱形纹理 的方法不同“。李军锋等人提出将特定人脸的前、后、左、右4 张照片合成一幅圆柱 面的人脸无缝拼接图，较好地解决了上面多方向纹理映射方法存在的问题。张狲等人采 用了多解析度方法将3 张面部头像( 一个正面，两个侧面像) 拼接成全视角无缝图，解决 了拼接边界变化大，出现裂缝等问题，取得了令人满意的效果“”。 采用颜色纹理映射技术能得到丰富的人脸细节信息，且计算量小，生成的皮肤纹理 逼真，但存在着生成的纹理带有明显的个体特征，不易用于动画的缺点。 几何纹理映射算法主要有b l i n n 算法和c o o k 算法“。b l i n n 的纹理映射技术无需修 改表面几何模型，即可模拟表面凹凸不平的效果。其基本原理是通过对景物表面各采样 点的位置作微小扰动来改变表面的微观几何形状，从而引起景物表面法向量的扰动。尽 管b l i n n 的几何纹理映射方法有效地模拟了参数曲面的几何纹理，但对多边形网格表面 的几何纹理模拟则较为困难，这是因为b l i n n 方法并不致力于求解扰动后表面各采样点 的新的位置，而是直接计算扰动后表面新的法向量。为此，c o o k 采用位移映射技术来克 服上述缺陷。位移映射方法通过沿表面法向量扰动景物表面上各采样点的位置来模拟表 面凹凸不平的效果，扰动量则依赖于给定的几何纹理值。一般来说，上述两种技术在表 现景物表面的几何纹理时效果相差不大，但在轮廓区域则完全不同。用b l i n n 方法，轮 廓线显得光滑；而c o o k 方法，则保持凹凸不平。 m o u b a r a k i 等人使用几何纹理映射产生真实的合成皱纹。这种方法首先通过多个 纹理样本合成新的纹理，然后采用简单的均值或者高斯滤波去除合成纹理的噪声，接着 灰度映射得到合成纹理结构，最后从纹理结构提取出几何映射梯度。几何映射梯度作为 4 婆旦堕窒三些堂堕塑主堂垡堡窒 一个参数用于计算法向量的扰动量，对法向量进行扰动得到新的法向量，从而在皮肤表 面形成皱纹。 几何纹理映射技术依赖于纹理函数或者纹理模板，生成的纹理易于控制和变化，但 也存在计算量比颜色纹理映射大，生成的纹理细节也不够丰富等不足。 总体说来，纹理映射技术在模拟皮肤纹理方面是有效的，能达到一个较好的视觉效 果，同时也存在一些本身固有的局限性：其一，在动画期间模拟动态皱纹是很困难的； 其二，由于并不对模型变形，故难于对几何结构发生明显变化的皮肤皱纹建模。 面部数据记录是n a h a s 在1 9 9 0 年提出来的，该方法通过一个三维扫描仪记录人脸 部数据点的同时记录该点的光照反射强度，从而得到一个四维的数据集，然后对这些的 四维数据进行纹理分析，获得皮肤纹理的特征参数，根据特征参数重构出皮肤的纹理“。 这种方法由于采样的分辨率太低，故不足以描述皮肤表面丰富的细节信息。 纹理合成语言是一种高级的图形语言，为生成规则或者非规则的纹理提供了一个非 常有用的工具“。生成的纹理通常用于填充一个平面区域或是映射到物体表面。纹理是 由一些小纹理片组成，每个纹理片可以是包含多个纹理元素的长方形矩阵。程序员利用 预先载入的纹理片样本或者是用户自定义的纹理片，重建出新的纹理。这种方法常用于 爬行动物皮肤纹理的模拟。 1 3 2 物理模型 物理模型常通过物理与生物机械模型模拟或者逼近真实皮肤的生物机械属性，以皮 肤形变的方式模拟动态的皱纹，通常使用一个粒子系统或者一个连续系统作为数值计算 模拟。物理模型与生物机械模型主要依赖于皮肤的可塑性、兼具粘性与伸缩性的特性： 皮肤的形变由生物机械模式决定，而皱纹生成受到皮肤表面拉伸程度的影响。 y i nw u 等人结合物理模型和纹理方法实现了一个包括年龄变化在内的人脸部皮肤 和皱纹模拟的计算机动画系统”“。基于物理模型的脸部动画系统使用一个三层结构， 由皮肤层、结缔组织层和肌肉层组成。面部皮肤的几何结构由三角形网格构成，面部肌 肉被设计成b 样条块。交互地在皮肤表面定义一些关键点形成皮肤肌肉的形状，同时也 作为肌肉纤维的方向。形变由模拟的肌肉层触发，由结缔组织层约束，由生物机械模型 决定。弹性的表层模型用于计算模型网格中每个三角形的拉伸指数，线性的可塑性模型 用于计算永久性的皮肤形变。静态皱纹的形状和人脸的细节通过颜色和几何纹理映射分 5 婆堕堕至三些堂堕堡主堂垡丝塞 层进行渲染和处理；动态皱纹模拟以脸部皮肤形变值作为变形度量。在实际应用中，这 种模型相对简单、快速，但没考虑皮肤的真实厚度，皮肤不可压缩的特性被人为指定在 一个很宽松的范围，而且整个系统依赖于用户输入的具体实例，导致生成的皱纹不够真 实。 l a u r e n c eb o i s s i e u x 等人在y i nw u 等人的模型的基础上作了改进，以此算法生成 的皮肤与皱纹更为真实。模型充分考虑了各层 皮肤的厚度与它们的弹性模量与泊松比等机械 属性。这个模型以提供皱纹的不同特性，如位置、 数量、密度、交叉部分的形状、幅值，作为肌肉 行为引起皮肤形变的结果。所有的这些属性在皱 纹生成的过程中起着同等重要的作用。图1 3 是 此方法所生成的表情皱纹。 图1 3 表情皱纹 物理模型与生物机械模型模拟生成的皮肤和皱纹较为真实，但由于需要大量地计 算，往往难以应用于实时动画中。 1 3 3 几何模型 几何模型是根据皮肤与皱纹的几何结构而建模，既有纹理映射技术生成皮肤几何细 节信息的能力，又克服了纹理映射技术无法对有明显几何形变的皮肤皱纹建模的缺陷， 还有相对于物理模型更为快速的优点。几何模型通常需要先模拟出真实皮肤或者皱纹的 几何结构，然后通过映射或网格变形技术在人脸模型上生成皱纹。几何模型主要有基于 曲面分割的几何模型，基于网格形变的几何模型和基于面部肌肉驱动的几何模型。 i s h i i 等人采用分层的v o r o n o i 划分皮肤表面成多边形，多边形的每条边作为一条 纹线进行渲染。“。而y i nw u 等人考虑到皮肤表面微观与宏观的几何层叠结构，根据不 同的结构分别建模。“。微观结构定义了皮肤皱纹的整体特征，宏观结构定义了皮肤皱纹 的局部特征。采用可控层次的d e l a u n a y 三角形划分模拟皮肤表面微观的网状结构。不 同的形状函数控制着皮肤( 三角形区域) 曲面形状生成。而对于局部皱纹模拟则采用在 模型表面手工标记一些点，根据这些点生成的b 样条曲线代表皱纹，形状函数控制网格 的形变。 p a s c a lv o l i n o 等人提出基于几何的幅度拉伸模型，三角网格变形模拟生成动态皱 6 婆堕堕窒三些堂堕堡主堂焦迨皇 纹。模型先测量未变形与变形后三角形边长的比率，根据这个比率，由幅值函数计算出 将生成皱纹的幅值。采用一个多层的皱纹模型模拟网格复杂的变形，并可以根据皱纹 的模式，幅值和曲率重新调整模型网格，进而形成逼真的皮肤皱纹。这种方法能进一步 扩展到衣物褶皱的模拟陶1 。 b a n d o 等人也是根据皮肤皱纹的几何形状与特性把皱纹分成细纹与粗纹分别建模 嘲。细纹在身体表面有类似的结构，纹线相互交叉，并且有确定的方向，而粗纹是由于 身体部分运动导致表面皮肤收缩而形成的。每条粗纹沿着它的 中心线都有很鲜明的纹沟，并且纹沟的两边都被突起组织包 围。细纹的建模过程如下：首先3 d 网格模型映射到2 d 纹理空 间；然后用户交互式在2 d 纹理空间标记出一些代表皱纹延伸 方向的点，形成皱纹的方向域；接着沿着方向域刻画出纹线， 纹线的特征( 长度、宽度、深度) 由各自方向域的度量所控制， 从而形成2 d 细纹纹理；最后采用几何纹理映射技术把2 d 细纹 图1 4 年龄皱纹 纹理映射到3 d 模型上。粗纹的模拟需要在纹理空间用3 次b e z i e r 曲线刻画出每条皱纹 的形状。形状函数控制着皱纹曲线的生成，同时也约束着3 d 网格的变形。图1 4 是此 方法生成的年龄皱纹。 s a u v a g e 等人根据皮肤的不可压缩性这一特性，利用皱纹在动态变化期间其长度保 持不变来约束其内在的一些属性和物理组织，提出了等分线段多分辨率变形方法。基 于小波多分辨率编辑框架，通过曲线上的一些控制点，曲线能在任何分辨率下变形。整 个处理过程分为两步：第一步对曲线进行小波分解，以逼近初始化的曲线长度；第二 步在严格满足长度约束条件下通过迭代滤波变形曲线。由于这种方法不是实时的并且不 能直接应用于模型网格，l a r b o u l e t t e 等人提出了改进方法，改进方法中的皱纹生成不 需要用户仔细设计，而是根据几何约束自动产生啪1 。方法定义了一条由n 个控制点组成， 且每个控制点之间等距的控制曲线。当控制点之间相互靠近时，各个控制点的位置沿着 控制曲线被重新计算以保持控制点之间的距离不变。根据控制点位置的改变量控制模型 网格的形变。 y uz h a n g 等人提出了基于面部肌肉的几何皱纹模型，用以模拟面部表情皱纹1 。 对应于三种类型的面部肌肉，几何模型可决定引起局部皮肤形变的皱纹幅值。考虑到真 7 沈阳航空工业学院硕士学位论文 实皮肤皱纹的特性，y uz h a n g 等人提供了一些直观的参数用以控制皱纹的特性。在面 部动画期间，局部区域皱纹的形状受肌肉收缩的影响。 几何模型能生成较逼真的效果，并且有较高的效率，但在控制皱纹的大小和方位存 在一定的困难，另外在纹理空间手工绘制皱纹形状也是一件较繁琐的工作。 1 4 本文的工作及系统框架 本文主要研究的内容可归纳为人脸纹理生成以及二维五官组合修饰两大部分。在人 脸纹理生成方面，提出了基于分形i f s 的细纹模型和基于照片皱纹纹线提取与分形插值 的粗纹模型；在二维五官组合修饰方面，提出了一种快速的二维五官组合修饰方案，整 个方案由建立五官数据库，添加五官与皮肤上色三部分组成。 计算机辅助3 d 颅面复原一般要经过重建复原、面部表情构建、毛发添加与五官组 合修饰三个过程或阶段。本文所做的工作属于后面两个过程。整体的系统框架如图1 5 所示。 复原后的颅面il 生成分形细纹纹理图ji 真实人脸照片li 二维颅骨图片 网格变形生成粗纹 细纹纹理库ll 提取粗纹纹线 翌璺空旦卜1 菌夏磊丽 分形插值生成粗纹纹线 保存为- 二维颅面图片 五官数据库 水平校上e 标记标志点与 生成标志线 颅像重合 添加五官 皮肤上色 图1 5系统总体框架图 本文提出的细纹与粗纹模型，除了用于颅面复原系统以外，还可以应用在其它真实 感人脸皮肤与皱纹的绘制系统，也可以应用于身体其余部分纹理的生成。 8 三一 翼 婆塑塾窒三些竺堕堡主堂笪丝窒 1 5 本文的组织结构 第一章，绪论。在这一章首先阐述了颅面复原后纹理重建的目的及意义；然后介绍 了国内外研究的现状以及研究成果，并对这些研究的现状作了分析，比较了各种方法与 模型的优点以及不足之处，从而提出了本文的主要工作，给出了系统的总体框架；最后 概括介绍了各章节的主要内容。 第二章，细纹模型。在这一章，首先介绍了皮肤皱纹的基本属性，分形迭代函数系 统的基本原理与方法；接着利用分形迭代函数系统生成分形细纹纹理图，并保存到细纹 纹理库；然后对本文所采用的几何纹理映射技术作了详细的介绍；最后利用几何纹理映 射技术生成皮肤细纹。 第三章，粗纹模型。在这一章，首先详细的阐述了b a n d o 等人提出的粗纹生成模型； 接着提出了本文的粗纹模型；然后介绍了分形插值的相关理论；最后根据本文提出粗纹 模型实现了粗纹的绘制。由于有些模型网格太粗并不能很好的表现出粗纹，因此对网格 的进一步细化也进行了介绍，并说明了本文所采用的网格细化方法。 第四章，二维修饰。在这一章，对二维修饰的现状作了一个简单的介绍，提出了本 文的修饰方案；然后在复原后颅面的图片上添加上五官部件与毛发并上色；最后给出了 一些实验结果。 第五章，系统集成。介绍了本系统的工作环境，对利用v c + + ，o p e n g l 与m a t l a b 混 合编程作了一些探讨，并着重介绍了在v c 开发环境中，利用o p e n g l 读取与显示m a t 格式的三维扫描图像的方法。 结论与展望部分，对本文作了简要的总结，对以后可能进行的后续工作进行了讨论。 9 沈阳航空工业学院硕士学位论文 第2 章细纹模型 在前一章中，本文介绍了一些细纹模拟与生成的典型模型与方法。在这一章，本文 提出了一种基于分形i f s 的细纹模型，具体建模过程如下：首先用户利用i f s ( i t e r a t e d f u n c t i o ns y s t e m ) 随机迭代算法生成一幅细纹纹理图”；然后利用几何纹理映射技术 将细纹纹理图的几何细节信息映射到模型网格的每个三角面“”，最后生成细纹。 2 1 皱纹的特性 外层皮肤的表面有一个精细的结构，由无数的褶皱，毛孔，表皮屑等组成。一方面 身体大部分皮肤被一个类似多边形的几何形状所覆盖，形成了一个网状的微观结构，本 文称为细纹；另一方面，可见的褶皱，折痕又组成了一个局部有特定形状的宏观结构， 本文称为粗纹。细纹与粗纹统称为皱纹。 细纹的纹线相互交叉，在局部区域朝着大致相同的方向沿伸，如图2 1 所示。粗纹 是由于身体部分运动导致肌肉收缩而形成的，每条粗纹沿着它的中心线都有很鲜明的纹 沟，并且纹沟的两侧被突起组织包围，如图2 2 所示。 皱纹依赖于皮肤的特性与肌肉收缩，是人脸皮肤上最重要的宏观结构。按皱纹的形 成来看，可分为表情皱纹与年龄皱纹两类。表情皱纹出现在所有人的脸上，并随着人表 情的变化而显现，它是理解面部表情的一个重要因素。年龄皱纹是由于年龄变化而引起， 随着时间的推移，人脸上将会产生越来越多的年龄皱纹，面部皮肤的整个外观和纹理变 得明显且粗糙，永久可见的皱纹可表示一个人的年龄。 图2 1手背上的细纹图2 2额头上的粗纹 1 0 沈阳航空工业学院硕士学位论文 2 2 分形迭代函数系统 分形技术在计算机图形学领域的应用已经有了较大的进展，它以自相似性和分数维 为特点，突破了以往只能生成较规则图形的局限性，将自然界中绝大多数的非规则图形， 如树木、河流、山川等，真实地在计算机上再现。”。基于分形思想所创作的图像并不完 全酷似自然界中的某个景物，但却能给人以真实感与意境美。迭代函数系统( i t e r a t e d f u n c t i o ns y s t e m ，简称i f s ) 是将分形应用于计算机图像生成的一种成功方法。 一个迭代系统由一个完备的度量空间( x ，d ) 和一组有限的压缩映射集 形：工一署及相应的压缩因子，n = 1 2 ，所组成。 一个胛维空间的迭代函数系统由两部分组成”“：一个n 维空间的到自身的线性映射 ( 仿射变换) 的有穷集合，w = w 1 ，也，w ) ；一个概率集合p = a ，p 2 ，m 。每个a 是与m 相关联，且a - 1 。 2 2 1 迭代函数系统的工作原理 迭代函数系统是以下述方式工作的嘲：取空间中任意一点z 。，以a 的概率选取变换 心，作变换z l = m ( z 0 ) ，再以p j 的概率选取变换，作变换z 2 = m ( z 1 ) ，以此下去， 得到一个无穷的点集。若存在足够大的n ，使z 。以后的迭代结果乙 n ) 的集合不变， 即使 互i 七行 趋于稳定，则称此集合为迭代函数系统的吸引集。对于给定的i f s 系统， 其吸引集a 存在且是唯一的，可表示为式( 2 1 ) ： a u w ，( a ) 一w ，( a ) u w 2 ( a ) u u w ( a ) ( 2 1 ) 因此吸引集a 的结构由i f s 码中的仿射变换族 h ，w 2 ，h ) 控制。也就是说其6 xn 个参数，一组仿射变换系数决定了吸引集相关图形的形状。任一仿射变换可写成式 ( 2 2 ) ： w ( ；) 一r t c o s 戛一r , 屹c 8 0 m s o 见, 1 j f k x y ) 1 + ( ；) c z z ， 1 1 沈阳航空t 业学院硕士学位论文 式( 2 2 ) 中：比例系数、r 2 r y e t 图形的缩放；旋转系数q 、砬决定图形的旋转 角度；位移系数p 、，决定图形方位的变动。其中，吒、o l 、p 体现x 方向的变化，而吃、 色、，则体现y 方向的变化。 i f s 码中的概率集 a ，p z ，p n 确定了吸引集的测度，控制落入吸引集各部分的概 率。 2 2 2 多i f s 随机迭代生成算法 生成i f s 吸引集的迭代算法分为确定性迭代算法和随机迭代算法。本文细纹纹理图 的生成采用多i f s 随机迭代算法，故本文只对多i f s 随机迭代算法作一个详细的介绍。 设带有概率的多i f s 由一个压缩仿射变换集= z ：，m 2 ，o ，i = 1 , 2 ，m 和一个概率集p = 只。，b ：，p 。，i = 1 , 2 ，m 构成。其中： 善岛1 且岛乏o ，自1 ，2 ，- 1 ，2 ，m ( 2 3 ) ( ；) 。( 2 乏) ( ；) + ( 老) ，- l 2 ，t _ 1 ，2 ，m c z a ， 对于任意f ，中的1 1 1 a 】【( ，) 可以小于，即把，为m a x ( j ) + i 至的所有参数视 为0 。对于选定的任一点x ( i = 1 ，2 ，膨) 为初始点，然后递归的随机选取下述集合 中的一个点作为，n = 1 , 2 ，于是有： x m w 。( 薯。州，) ，w ：( 薯。州，) ，峙( 黾纠，) ( z s ) 最终得到序列 c 置，收敛于多i f s 的吸引集。 2 3 细纹纹理图的生成 2 3 1 纹理图的基本概念 在计算机图形学中，物体表面细节可以用纹理来表示。物体表面细节一般具有两类 特征，一是颜色特征，如花瓶上的各种非立体的图案，墙面上的拼花图案等。另一类是 沈阳航空 业学院硕士学位论文 几何特征，如桔子的皱折表皮等。根据纹理定义域不同，可将纹理分为二维纹理与三维 纹理。按照纹理的表现形式不同，又可分为颜色纹理，几何纹理与过程纹理。颜色纹理 与几何纹理是在二维空间中定义，属于二维纹理。过程纹理在三维空间中定义，属于三 维纹理。 纹理的定义有连续法和离散法两种嘶1 。连续法就是把纹理定义为一个二元函数，函 数的定义域就是纹理空间。离散法把纹理定义在一个二维数组中，代表纹理空间中行间 隔、列间隔固定的一组网格点的纹理值。这些网格点之间的其它纹理值可以通过网格点 插值求得。 本文的纹理定义采用离散法。根据真实皱纹的真实特性，利用分形随机迭代函数系 统生成细纹纹理图。 2 3 2 现有的细纹纹理图生成方法 在生成细纹纹理图方面，已经有些人做了相当深入的研究，并建立了一些好的模型 和方法。下面简单的介绍几种典型的细纹纹理图生成方法。 ( 1 ) 通过网格简化保留特征值1 在文献1 中，假设原始高复杂度网格为m ，简化后的网格为s ，设m 与s 在同一 几何空间并且有相同的拓扑结构。利用( m ，鳓的对应关系，通过对m 中包含的细节信 息进行编码，产生一张纹理r ，对纹理t 和s 使用纹理映射技术，利用标准的绘制工具 对s 进行绘制，这样绘制的结果几乎与利用原始网格进行绘制得到的结果非常近似，过 程如图2 3 所示。 ( a ) 原始高度复杂模型( b ) 简化后的模型( c ) 纹理映射后的简化模型 图2 3网格简化保留特征法获得的细纹纹理 ( 2 ) 通过几何剖分获得细纹纹理图 i s h i i 和y i nw u 等人认为皮肤表面的微观结构呈现出一种分层次的网状结构，这种 婆里塾窒上些堂堕堡主堂焦笙塞 网状结构主要由沟模式与脊形状两个因素决定，从近距离看可以发现这种结构呈现出带 有几何纹沟的多边形模式一。因此i s h i i 等人采用分层的v o r o n o i 划分皮肤表面成多 边形，多边形的每条边作为一条纹线进行渲染，而y i nw u 等人则用分层的d e l a u n a y 三 角剖分代替，从而形成皮肤表面的微观结构。由于这种方法要利用三维模型进行计算， 因此得到的微观结构与模型的几何结构紧密相关。如图2 4 给出利用d e l a u n a y 三角剖 分获得的皮肤微观结构纹理图。 ( a ) ( c ) ( d ) ( a ) ( b x c ) 不同的层次的三角剖分( d ) 渲染后的皮肤微观纹理 图2 4 几何剖分法获得的细纹纹理 ( 3 ) 根据皱纹的特性刻画细纹纹理图 b a n d o 等人根据皮肤皱纹的几何形状与特性把皱纹分成细纹与粗纹分别建模。作 者认为皮肤细纹纹线相互交叉，并且在局部区域朝着基本一致的方向延伸。根据这些特 性，细纹的建模过程如下：首先3 d 网格模型映射到2 d 纹理空间；然后用户交互式在2 d 纹理空问标记出一些代表皱纹延伸方向的点，形成皱纹的方向域；接着沿着方向域刻画 出纹线，纹线的特征( 长度、宽度、深度) 由各自方向域的度量所控制，从而形成2 d 细 纹纹理；最后采用几何纹理映射技术把2 d 细纹纹理映射到3 d 模型上。图2 5 显示了这 种方法生成的细纹纹理图以及最终绘制的细纹效果。 1 4 沈阡j 航空1 = 业学院硕士学位论文 ( a ) ( c ) ( 8 ) 标记方向向量( b ) 生成方向域( c ) 细纹纹理图( d ) 纹理映射结果 图2 5b a n d o 等人的方法获得细纹纹理 2 3 3 基于i f s 的细纹纹理图的生成方法 比较上面几种细纹纹理图的生成算法及最终绘制结果，可以发现通过网格简化保留 特征值的方法能得到比较令人满意的效果，但这种方法的前提条件是需要一个带有丰富 细节信息的原始高复杂度模型。采用d e l a u n a y 三角剖分获得细纹纹理图，得到的效果 并不理想，且使用者还需花费大量时间选择正确的基函数以剔除不正确的三角剖分。 b a n d o 等人的方法也能获得比较逼真的效果，但需要手工交互，操作不是很方便，且细 纹的生成过程也很复杂。考虑到细纹也是自然纹理的一种，具有分形图形的一些特征， 如局部的自相似性，不能用规则的几何形状描述等，因此本文提出了利用分形多i f s 随 机迭代法生成细纹纹理图算法。整个细纹纹理图的生成过程如下： ( 1 ) 利用多i f s 随机迭代算法生成一幅分形细纹纹理图； 但) 利用几何纹理映射技术绘制细纹。 1 5 沈阳航空工业学院硕士学位论文 2 3 4 细纹纹理图的生成 真实皮肤表面细纹纹线相互交叉，在局部区域沿着同一方向延伸，形成了一个网状 的微观结构并覆盖身体皮肤的大部分区域。根据细纹的这些特性，我们给出部分细纹的 随机i f s 码见表1 ： 表2 1分形细纹的部分i f s 变换码 其中： 铲掌川：1 ，2 5 1 8 0 ，一 p ( 1 ，) = 玎c o s q ，j = 2 ，3 ，4 ，5 f = l 1 - 1 f o ，) = 刀s i n qj = 2 ，3 ，4 ，5 i ；l ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) r 是范围在 o ，1 之间随机数，口为旋转角度，行为压缩因子，i r f f 羰j0 2 。表2 1 中的 k = 1 2 m ，m 为纹线的分布密度。对于k 的每一个取值，收敛于吸引集的这些点形成 五条分段的分形曲线。本文定义视窗的大小为7 6 8 x 5 1 2 ，并利用参数h 控制生成的分形 曲线在视窗中的位置，h = 5 , 2 z m ( _ i 一1 ) ，边计算边绘制，就形成了图2 6 所示的细纹纹理。 2 4 细纹的绘制