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(计算机软件与理论专业论文)基于二维正交图像的三维人头建模方法研究.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
摘要 随着计算机图形学的发展,虚拟现实技术逐渐成为研究的热点和焦点。作为 虚拟现实技术的重要组成部分,三维人脸建模有着越来越广泛的应用。目前该技 术被广泛应用于影视制作、游戏娱乐、医疗诊断、文化传播、辅助教学、刑事鉴 别、远程会议及可视电话等各个领域。 就目前来说,人脸建模的研究已取得了一些突破性的进展,而对整个三维人 头的建模研究却相对较少。本文在三维人脸建模的基础上,通过改进c a n d i d e 3 人脸模型,进行基于二维正交图像的三维人头建模的研究。建模过程主要分为四 步。第一步,通过摄像器材( 如照相机,摄像机) 取得人头的正交二维图像并进 行预处理;第二步,导入改进后的一般人头模型;第三步,变形匹配模型为特定 人头模型;第四步,通过柱面投影技术映射纹理。 本文主要的研究工作包括: ( 1 ) 首先,深入研究c a n d i d e 3 一般人脸模型,分析c a n d i d e - 3 人脸模型中 的每个网格结点及三角面片的位置分布,对该模型进行改进。改进后的c a n d i d e 3 模型能够覆盖整个人头的侧面及后脑,甚至牙齿的部分,从而能够用于三维人头 的建模而不仅仅是人脸建模。其次,深入研究c a n d i d e 3 模型中关于形状单元 ( s h a p eu n i t ) 的定义,用于实现从一般人头模型到特定人头模型的交互匹配。 ( 2 ) 针对改进的c a n d i d e 3 模型初始结点及面片数量较少、模型不够细腻 的问题,提出了一种迭代的三角分块插值算法。该算法应用于对模型的三角面片 进行插值剖分,从而提高模型的细腻程度,改善显示效果。 ( 3 ) 研究了基于n * n 低通滤波的迭代加深融合算法。该算法用于无缝纹理 拼接图的生成,并通过柱面投影技术实现纹理映射。 本文的创新之处主要在于通过两张二维正交人头图像以及改进的c a n d i d e 一3 模型来进行三维人头的建模。实验结果表明,本文提出的建模方法能够建立具有 相当真实感的三维人头模型,取得了较为满意的结果。 关键词:人头建模;正交图像;一般模型 a b s t r a c t w r i t l lt h ed e v e l o p m e n to fc o m p n t e rg r a p h i c s v i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yi s b e c o m i n gt h ef o c u so ft h er e s e a r c hg r a d u a l l y 3 df a c em o d e l i n gt e c h n o l o g y , w h i c hi s a ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ev i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y , h a sb e e nu s e di nm a n y f i e l d sm o r ea n dm o r ew i d e l y n o wt h i st e c h n o l o g yh a sb e e nu s e di nf i l mp r o d u c t i o n , g a m ee n t e r t a i n m e n t ,c o m p u t e r - a i d m e d i c a lt r e a t m e n t , c u l t u r ec o m m u n i c a t i o n , c o m p n t e p m dt e a c h i n g ,c r i m i n a ls c e n ei n v e s t i g a t i o n ,l o n g d i s t a n c ec o n f e r e n c ea n d v i s u a lt e l e p h o n ee t c c o m p a r i n gw i t ht h ef a c em o d e l i n g ,t h er e s e a r c h e so nt h ee n t i r eh e a dm o d e l i n g a r el e s sn o w t l l i st h e s i sp r o p o s e da na p p r o a c ht ot h ec o n s t r u c t i o no f3 dh u m a nh e a d m o d e l su s i n ga ni m p r o v e dg e n e r i cf a c em o d e l ( c a n d i d e - 3 ) a n dt w o2 do r t h o g o n a l h u m a nh e a di m a g e s t h ep r o c e s so fm o d e l i n gc a nb ed i v i d e di n t of o u rs t e p s s t e pl , p r e p r o c e s s i n go nt h e2 di m a g e s ;s t e p2 ,i m p o r t i n gt h eg e n e r i ch e a dm o d e l ;s t e p3 , t r a n s f o r m i n gt h eg e n e r i cm o d e lt ot h ei n d i v i d u a lm o d e l ;s t e p4 ,t e x t u r em a p p i n gb y u s i n gc y l i n d r i c a lp r o j e c t i o n 刀摇r e s e a r c hw o r kh a v e b e e nd o n ei nt h i st h e s i sa r el i s t e d b e l o w ( 1 ) r e s e a r c ho nt h ec a n d i d e 一3m o d e l f i r s t ,b ya n a l y z i n gt h ep o s i t i o no ft h ee v e r y p o i n ta n dt r i a n g l ei nt h em o d e l ,w ei m p r o v et h ec a n d i d e 一3m o d e l t h ei m p r o v e d m o d e l ,w h i c hc o v e r st h ew h o l eh u m a nh e a d ( i n c l u d i n gt h es i d ea n db a c ko fh e a d , e v e nt h et e e t h ) ,c a nb eu s e di nt h e3 dh e a dm o d e l i n g ,n o ti nt h ef a c em o d e l i n g s e c o n d ,r e s e a r c ho nt h es h a p eu n i td e f i n e di nt h ec a n d i d e 一3m o d e l ,w h i c hc a nb e u s e di nt h em a t c h i n gp r o c e s sf r o mg e n e r i ch e a dm o d e lt os p e c i a lh e a dm o d e l ( 2 ) a ni t e r a t i v et r i a n g u l a rs u b d i v i s i o na l g o r i t h mh a sb e e np r o p o s e d i no r d e r t om a k e t h ew i r e f r a m em o d e ls m o o t l l ,t h ea l g o r i t h mi su s e dt os u b d i v i d et h et r i a n g l e so f t h em o d e l ( 3 ) r e s e a r c ho nt h ei t e r a t i v ef u s i n ga l g o r i t h mb a s e do nn 木nw a v e l o w - p a s sf i l t e r t l l i s a l g o r i t h mi su s e di nt h eg e n e r a t i o no ft h en o - j o i n tt e x t u r ei m a g e b e s i d e s ,w eu s e t h ec y l i n d r i c a lp r o j e c t i o na l g o r i t h mt om a pt h et e x t u r ei m a g eo n t ot h ew i r e f r a m e m o d e l t h ei n n o v a t i o no fo u rr e s e a r c hi sc o n s t r u c t i n g3 dh u m a nh e a dm o d e lb ya n i m p r o v e dg e n e r i cf a c em o d e l ( c a n d i d e 一3 ) a n ds o m e2 dh u m a nh e a di m a g e s e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep r o p o s e da p p r o a c hi s e f f e c t i v et op r o d u c e r e a l i s t i c3 dh e a dm o d e l s k e y w o r d s :h u m a nh e a dm o d e l i n g ;o r t h o g o n a li m a g e ;g e n e r i cm o d e l 厦门大学学位论文原创性声明 声明人( 签名) :名毒 丫年z 月;e l 、 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文,并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ,允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索,将学位论文的标题和 摘要汇编出版,采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于: () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文, 于年月日解密,解密后适用上述授权。 ( ) 2 不保密,适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文,未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的,默认 为公开学位论文,均适用上述授权。) 声明人: 刁年 f 0 具 e t 第一章绪论 第一章绪论 在2 1 世纪这个生物信息科学爆发的时代,人类在探索自身的科学领域里不 断得到突破和发展。在这样的背景下,新兴的计算机图形学也取得了长足的进步。 作为计算机图形学的一个重要应用,三维图形制作技术得到了突飞猛进的发展, 并且被广泛的应用到了社会生产的各个领域。在现代电影制作中广泛应用的三维 动画已经模糊了虚拟与现实的界限,而无数的游戏玩家也为游戏中逼真的人物形 象所深深吸引。在现代的犯罪侦查中,利用虚拟现实技术可以重建犯罪现场,模 拟犯罪分子的犯案过程,使其难逃法网。虚拟现实技术的应用也为网络虚拟教学 的发展提供了崭新的思路。在这些技术中,都无不例外的需要用到人体建模技术。 作为人体中最为重要也最为复杂的部分,人体头部建模是人体建模中最为关键的 问题,这也正是本文所要研究的内容。 1 1 选题背景 众所周知,人体头部最重要的部分是人脸。可以这样说,人脸建模是人头建 模的基础和关键。因此,虽然本文研究的是三维人头建模,但是有许多研究的内 容还是要以人脸建模为基础的。 近几年来,人脸建模技术作为计算机图形学的一个独特分支越来越受到人们 的重视。人脸是人们日常生活中最常见的事物。虽说人人都有一张脸,都有口、 眼、耳、鼻等,但每个人的脸都不同,即使是双胞胎,他们之间也有差异之处。 这是因为人脸具有个性化和多样化的特点。同时,人脸是人类相互交流的渠道, 在虚拟的计算机世界中,虚拟的人脸就是人脸表情和语言的载体。 人脸能够传递很广泛的信息,比如情感、精神状态等,虽然每个人的面部特 征很相似,但却有着不同的表情特征,这使得其成为计算机视觉与计算机图形学 中重要的研究领域,相关的研究领域包括人脸建模、人脸跟踪、人脸识别、人脸 动画、虚拟人、数字人等等。受电影和录像中高频率地出现虚拟人物,廉价的桌 面处理能力,和人机交互中需要一种全新的沉浸感的影响,人脸建模技术的研究 成为近年来的一个新热点。 基于二维e 交幽像的= 罐 头建模方法研究 12 研究意义及应用领域 三维人头建模以及面部表情模拟具有十分重要的科学意义和广泛的应用前 景。计算机在处理图形图像方面的优异性能表现,得到了很多富有想象力和创造 力的人们的重视,从而促进了更加真实的虚扭环境的绘制。为了反映用户在虚拟 世界中的活动,提高用户在其中的沉浸感,就要求虚拟人完全由计算机表示 的看起来像真人的图形实体一越逼真越好,而其茸要问题就是人头( 脸) 造型 和表情动画的创建。 人物头部造型和表情模拟在影视制作及游戏娱乐方面得到了非常广泛的应 用。在影视制作方面,美国皮克斯公司( p i x a r ) 出品的动画玩具总动员中可 爱幽默的主角胡迪和巴斯光年、美国梦工厂公司( d r e a m w o r k s ) 出品的怪物 史莱克中丑陋但是善良勇敢的史莱克,都是三维虚拟人物建模的代表作,深受 广大观众的喜爱。 a 嘏迪( 右) 和巴斯光年b 怪物史莱克 图卜1 人头建模在影视制作方面的应用 在游戏娱乐方面,比较经典的有日本光荣公司( k o e i ) 开发的游戏三国无 双系列中刻画的三国人物形象,以其帅气甚至略显夸张的造型深深打动了无数玩 家的心。s q u a r e e n i x 公司在p s 3 平台上推出的最终幻想1 3 中的人气主角克劳德, 其建模的精细程度甚至细微到了每一根头发,让人不禁感叹现代计算机图形处理 能力的强大。 第一章绪论 m 曹操 b 克劳德 图卜2 游戏娱乐方面的应用 在医疗诊断领域人体头部建模技术可以用来模拟和预演脸部整形手术及诊 治的过程,在进行手术之前就可毗在一定程度上模拟手术结果,不仅提高了手术 成功率,而且能够缓解了病人手术前的矛盾心理。据国外媒体报道,近日英国科 学家进行了一项丌拓性研究通过计算机j 维数码成像技术来分析儿童的面部特 征,即可提前诊断出患者的基因混乱疾病。 图卜3 不同的面部特征对应不同的基因混乱疾病 现在很多用户界面做得越来越人性化,其中就少不了人脸造型和动画的功 基于= 维正交图像韵三雏人头建横方法研究 劳。现在系统用户界面的一个普遍存在的问题就是太专业化,往往让用户感觉生 硬,不易使用。若能通过人头建模技术给用户提供熟悉亲切的人脸及相关表情对 用户的操作进行引导,能够有效地提高界面的易用性。 在文化传播方面,人头建模技术也有其用武之地。近年来掀起了一股“数字 主播”的热潮。辽宁电视台家家都有戏栏目主持人辽辽,扎一条马尾辫,可 以同时给上百人发短信,主持节目前表演3 分钟的舞蹈。她不是真的人,也不是 机器人,她是一个通过三维建模技术创造出来的虚拟人物。 图卜4 数字女主播辽辽 作为一种辅助教学的工具,采用计算机虚拟的老师进行教学,一方面省去老 师大量重复性的工作,极大的减少了老师的工作量;另一方面,学生可以抓住上 课的主动权,随时随地都可以学习,在激发学生学习兴趣的同时增强了学习的效 果。而且这种教学方式不受卒间的限制,特别适合远程教育的开展。 此外,人头建模技术在刑事鉴别、远程会议、电视电话等特殊场合的应用也 日趋增多。 1 3 国内外研究现状 现阶段国内外对人脸建模技术的研究较多,而对整个人体头部建模的研究还 相对较少。 第一章绪论 国外方面,三维人脸建模方面的研究工作要追溯到1 9 7 2 年p a r k e h 首先用计 算机生成人脸图像。自二十世纪八十年代中期以来,对于人脸( 头) 建模的研究 取得了长足的进步,期间产生了许多重要的研究成果。比较有代表性的有w a t e r s 等人【2 】提出了广泛应用的肌肉模型方法,通过用3 d 扫描仪来创建人脸模型。这 种方法能够建立相当精确的模型但是成本较高。为改进这一点,p i 曲i n 等人【3 】研 究了一种方法,通过多幅多角度二维照片来进行三维人脸建模,这种方法的优点 在于成本低廉,而且能够生成与二维照片具有理想相似度的真实感三维人脸模 型。之后,l i u 等人【4 】又提出了一种新的方法,即通过视频建立模型。这种方法 通过人脸视频作为输入,用户只要在视频的任意两帧中各标出若干个特征点,就 可以自动生成三维人脸模型。这种方法用于对捕获视频中的人脸进行快速建模, 其本质与通过多幅多角度二维照片来进行建模是一致的。这种方法的缺点是如果 视频中初始静止人脸图像的角度变化超过一定角度( 1 5 度) ,或者当人脸皮肤很 光滑时,会导致建模失败。以上的建模方法都至少需要两张不同角度的二维图像。 2 0 0 5 年m a e h i r a j u 等人【5 】在这一方面取得了突破,提出了一种一个在己知三维形 状、纹理、姿态以及光照条件下从一幅图像获得人脸图像的方法。在之后的研究 中,一种通过建立三维人脸库的方法被v o l k e rb l a n z 等人【6 j 提出。这是一种基于 统计的人脸建模方式,需要一个庞大完整的人脸库进行支持,开销相对较大。 国内研究机构也在这些方面做了不少研究工作,其中中国科学院计算所建立 了较大规模的中国人脸图像数据库,并在人脸检测和识别方面进行了研究1 7 j 。这 些人脸数据库的建立丰富了人脸方面研究的资源,并搭建了统一的实验和测试平 台。 1 4 本文研究的目标及内容 就目前来说,有关三维人脸建模技术的研究比较多,而对整个人头建模的研 究则相对较少。基于这种情况,本文在三维人脸建模的基础上对三维人头建模进 行研究。本文研究的目标是通过两张正交人头图像快速建立具有真实感的三维人 头模型,并通过设计并实现相应的原型系统来验证本文提出方法。 人头建模大概分为以下几个步骤。首先,通过拍摄器材获取人头的正、侧面 图像。通过输入的正、侧面图像进行模型的变形匹配,生成三维人头网格模型, 5 基于二维正交图像的三维人头建模方法研究 并通过一定的算法对模型进行插值优化。然后,通过输入的正、侧面图像生成纹 理图,运用相应的技术将纹理映射到网格模型上,从而得到具有真实感的三维人 头模型。 基于以上研究目标本文具体的研究内容有以下几个方面。 1 深入研究并改进c a n d i d e 3 一般人脸模型。c a n d i d e 3 模型是标准人脸模 型,为了能够使c a n d i d e 3 模型应用于本文研究的三维人头建模,在系统了解模 型( 包括模型中点及三角面片的定义、相关参数等) 的基础上对模型进行改进, 从而使模型能够覆盖整个人头的侧面及后脑。为配合表情模拟的研究工作,甚至 还加入了牙齿的部分。除此之外,还深入研究了模型中关于形状单元( s h a p eu n i t ) 的定义,以便将其应用于实现从一般人头模型到特定人头模型的交互匹配。 2 针对模型初始结点及面片数量相对较少、模型不够细腻的问题,提出了 一种迭代的分块插值和剖分技术对模型的三角面片进行插值剖分,改善模型的显 示效果。 3 纹理方面,为改善纹理贴图的效果,研究了基于n * n 低通滤波的迭代加 深融合算法,并将其用于无缝纹理拼接图的生成。此外,研究了柱面投影技术应 用于纹理的映射。 本文的创新之处主要在于通过输入两张二维正交人头图像,基于改进的 c a n d i d e 3 模型来进行三维人头的快速建模。并在此基础上提出了一种迭代的分 块插值和三角剖分技术用于模型的优化,将基于n * n 低通滤波的迭代加深融合算 法应用于纹理图的生成,取得了比较理想的效果。 1 5 论文章节安排 本文共分为六个部分,各部分内容安排如下: 第一章绪论。本章阐述了本文的立题背景,三维人头( 脸) 建模技术的国内 外研究现状及应用i j 景,以及本文的研究内容和目的。最后给出了本文的主要研 究工作及各章内容安排。 第二章一般标准化三维人脸网格模型。详细介绍了本文选取的一般标准三维 人脸模型同时将这个模型与其它的一般标准三维人脸模型进行了比较,阐述了为 何选择c a n d i d e 3 这个一般标准人脸模型,以及这个模型的有关参数和使用方法。 6 第一章绪论 此外,还介绍了如何对该模型进行改进,使其能够运用于本文研究的三维人头建 模。 第三章特定三维人头网格模型的生成。这是本文算法的关键部分。本文在这 一章详细地论述了特定三维人头网格模型的生成技术。 第四章纹理映射。为了生成具有真实感的三维特定人头模型,还必须将正侧 面图片中的颜色信息映射到生成的三维人脸模型上,这就需要进行纹理映射。本 章详细介绍了无缝纹理拼接图的生成技术以及纹理映射时所采用的柱面投影技 术。 第五章人头建模原型系统设计与实现。详细介绍了系统的实现,进行了相关 实验,并展示实验结果。 第六章总结与展望。总结完成的工作,提出需要改进之处及下一步的研究计 划。 7 基于二维正交图像的三维人头建模方法研究 第二章一般标准化三维人脸模型 目前有许多人脸建模的方法,与其它方法相比,通过变形一般标准化人脸模 型来进行人脸建模具有高效率、低成本的特点,本文的研究也是基于这种方法。 人脸有基本相同的面部结构( 如眼睛、鼻子、嘴巴等) 和相似的面部动作( 如眼 睛的睁闭、嘴巴的开合等) ,这些特征为建立标准化人脸模型奠定了生理基础。 作为建立标准化人脸模型的先导知识,本章首先简单介绍了人体头部的生理结 构。然后介绍了几种常用的标准化三维人脸模型,最后着重介绍了本文研究所采 用的c a n d i d c 3 模型及其改进。 2 1 人体头部生理结构 要研究人体头部的建模,一些基本的与头部有关的人体解剖学知识1 8 j 是必不 可少的。人体头部是一个层次化结构,它由头骨、肌肉层、覆盖的结缔组织和外 部皮肤层组成。 人体头部的基本骨骼形体分为两部分。较大的一部分是卵圆形的脑颅部 脑颅块面;较小的一部分是圆椎形的面部和下颌部面颅块面。脑颅块面非常 平滑、规则,一条简单的弧形线条构成圆顶式的外形轮廓。面颅块面既不平滑, 也不规则,轮廓线生硬,呈三角形状。具体的块面分布如表2 1 所示。 表2 - 1 人体面部骨骼块面分布 骨骼分块名称块面数量具体说明 脑颅五个块面 ( 1 ) 额骨:位于额头处,由水平部和竖立部构成。水 平部两侧为三角形骨板,作为颅前窝的底和眼眶的上 壁,称为眶部,两眶部之间为鼻部,下方和筛骨结合。 竖立部分为贝壳状的骨板,称为额鳞。 ( 2 ) 顶骨:位于颅顶,为成对的四方形骨板。 ( 3 ) 枕骨:位于脑颅后下方,轮廓近似四边形,内面 凹,外面凸,中央有一大孔,称为枕骨大孔。 8 第二章一般标准化三维人脸模型 ( 4 ) 颞骨:位于脑颅的侧面,其形状不规则,以外耳 门为中心,可分为鳞部、鼓部、乳突部、岩部四部分。 ( 5 ) 眉弓:额鳞与眶部上缘之间的弓形隆起,两侧眉 弓之间的稍突出部分为眉间。 面颅 十个块面 ( 1 ) 眉檐:横向伸展,在脸部形成水平的弓形。虽然 眉檐即眉弓,是脑颅的一部分,但它仍属于脸部特征。 ( 2 ) 下颌:下颌的形状从整体上对脸部轮廓产生决定 性的影响,它是脸部块面上最大的骨骼结构。 ( 3 ) 鼻:类似于一楔形块面,嵌于眉弓正中央之下。 ( 4 ) 眼眶:紧靠鼻两侧,位于眉弓之下。 ( 5 ) 颧骨:形状厚实,沿两条眼眶的边缘隆凸。 ( 6 ) 上颌骨:圆隆、厚实,在鼻下面向外鼓凸。 ( 7 ) 下颌骨:上颌骨之下的下颌骨进一步向外凸突。 ( 8 ) 下颌角:构成脸部的后侧面边缘。 ( 9 ) 颧弓:由颧骨开始,向后弯曲直抵耳部。 ( 1 0 ) 耳:位于脸部两侧的下颌骨的上部边缘。 人脸表情的产生是由于脸部肌肉的变形引起的。使人脸具有特定表情所涉及 的主要肌肉有口轮匝肌、鼻肌、颧肌、眼轮匝肌、皱眉肌等【9 】。唇部的状态主要 由口轮匝肌协作完成,皱鼻子主要是由于鼻肌的收缩,颧肌的收缩会造成颧骨处 脸颊的提高,眼睛及眼部周围的状况主要是由眼轮匝肌收缩导致的。另外,皱眉 肌也对眉毛起一定的作用。 人体面部肌肉主要分为四大组:口部周围肌肉组织、眼部周围肌肉组织、 颊部肌肉组织、颅顶浅层肌肉组织。比较重要的是那些表面面积较大,视觉效 果突出的肌肉组织,即口部周围及颌部肌肉组织,其次是眼部周围肌肉组织。 其余的较为次要,因为它们对外形的影响较小。颌部肌肉组织有颞肌和咬肌。 颞肌始于全颞面,止于下颌骨的喙突部,协助咬肌上提下颌,咬合牙齿。具体 分布如表2 2 所示。 9 基于二维正交图像的三维人头建模方法研究 表2 - 2 人体面部肌肉组织分布 肌肉组织名称包含肌肉组数 具体说明 口部周闱肌肉组织十组肌肉( 1 ) 上唇方肌( 内眦头) :上提上唇,包括 鼻翼。 ( 2 ) 上唇方肌:上提鼻翼附近的上唇。 ( 3 ) 上唇方肌( 颧头) 和颧肌:一起上提口 角。 ( 4 ) 颧肌( 大小两块) :向上,向外提拉口 部。 ( 5 ) 口轮匝肌:收缩使口闭合,或做皱噘运 动。 ( 6 ) 颊肌:拉平和拉紧嘴唇,将口角拉向后 方( 向耳一边) 。 ( 7 ) 笑肌:向外和向旁牵拉口角。 ( 8 ) 颏三角肌:向下牵引口角。 ( 9 ) 下唇方肌:向下和向外牵拉下唇。 ( 1 0 ) 颏肌:上提和收紧颏部,并使下唇上提, 外拉。 眼部周围肌肉组织三组肌肉( 1 ) 皱眉肌:协助眼轮匝肌收缩眉之间的皮 肤,即皱眉。 ( 2 ) 眼轮匝肌:促使眼睛的开启或闭合。 ( 3 ) 降眉肌:通过皱隆鼻梁根部的皮肤,协助 皱眉肌开,闭眼睛。 颅项和颊部浅层肌 三组肌肉( 1 ) 额肌:使前额挤出横皱纹,上提眉毛。 肉组织( 2 ) 枕肌:向后,向下牵拉头皮。 ( 3 ) 广胫肌:主要分布在胫部,向外、向下牵 拉下唇。 1 0 第二章一般标准化三维人脸模型 2 2 常用标准化三维人脸模型概述 根据前人已有的研究,一个好的标准化模型应该具备以下几个特点。首先, 模型必须能够通过参数表示。利用具体人脸的信息,调节参数能够描述出个性特 征,从而形成个性化人脸模型。其次,模型必须形象,能够准确地描述人脸的基 本形状,并能做一些人脸的基本表情动作。还有,模型不能过于复杂。模型顶点 越多描述人脸的精度就越高,但是给模型的拟合和后期处理增加了困难。而顶点 太少又不能精确地描述人脸的细节,因此,需要在模型的复杂性和精度之间作折 衷。 当前存在许多种人脸模型,其中比较典型的有:基于参数的模型、肌肉模型、 简单弹性网格模型以及物理学模型。以下简单介绍一下这几种模型。 1 基于参数的模型 参数模型是最早出现的计算机表示的人脸模型。p a r k e 最初使用一种非常初 级的多边形来表示人的头部结构,并实现了第一个参数化的人脸模型【l o 】,人脸参 数模型的基本思想是通过参数来描述不同的人脸特征和人脸表情变化,因此人脸 参数模型一般包括两类参数,人脸构造参数和人脸动画参数。这种模型的缺点在 于,虽然参数模型通过选择适当的参数可以使人脸模型产生许多表情,但这通常 需要相当多的参数来进行控制,实现起来相当的繁琐。还有,没有从生理学角度 出发对人脸面部表情产生的机制进行考虑,而仅仅使用简单的几何形状( 最典型 的是三角形) 来模拟极其复杂的面部表情,显然是不能期待有非常细腻的模拟效 果的。 2 肌肉模型 为改进参数化模型的不足,p l a t t 和b a d l e r t l l 】最先提出了最原始的人脸肌肉模 型。该模型的提出是基于人脸动作编码系统( f a c s ) 的思想。f a c s 最初是由 e k m a n 1 2 】【1 3 1 等人通过分析人脸生理学结构后,得到的有关于面部肌肉,下巴及舌 头等动作的描述系统。基于p l a t t 的研究成果,w a t e r s 等人【1 4 1 于1 9 8 7 年首先提出 了向量肌肉模型。与相对简单的参数化模型相比,该模型可以根据面部肌肉的动 作来合成种类丰富的面部组织的细微变形,采用弹簧模型来模拟皮肤和肌肉的运 动,从而能够更加真实地模型人脸表情变化,尤其是局部的细微变化。之后,在 前面研究成果的基础上,t e r z o p o u l o s 和w a t e r s ”】提出了一种更加先进的多层弹 基于= 维交圈像的三维 头建模方法研究 性网格肌肉模型,如图2 - 1 所示。 图2 - 1t e r z o p o u l o s 和w a t e r s 提出的人脸肌肉模型 3 简单弹性网格模型 简单弹性网格模型是一种拓扑不变的网格模型,它通过解一组局部平衡方程 来模拟面部皮肤的粘弹特性,缺点是方程的计算量较大。该类模型在模型变形时 要求在移动某一个或一组特征网格点的同时,相关的非特征点也要做相应的移 动,并且要符合弹性特征,即当特征点恢复到原来的位置时,非特征点也要能够 恢复到原来的位置。 4 物理模型 t e r z o p o u l o s 和w a t e r s ”1 在之后的研究中叉提出了一种新的人脸模型基 于物理的人脸模型。物理学模型主要使用多层的弹性网格和有限元网格表示皮肤 的物理特性,还采用了一种保持体积恒定的变形规则。变形都是由外部力量,比 如肌肉收缩引起的,通过解太规模的动力方程组来模拟面部变形。这种模型计算 量是惊人的。 2 3c a n d i d o 人脸网格模型 本文的研究基于c a n d i d e 模型。c a n d i d e 模型是一种参数他的人脸网格模型 第二章一般标准化三维人脸模型 是特别为基于模型的人脸编码而开发的。这个模型的优势在于它的轻量级。它只 包括了很少数量的网格结点及三角面片,这样,即使对于性能一般的计算机,也 能保证人脸的快速重建。 c a n d i d e 模型受运动单元( a c t i o nu n i t s ) 控制。运动单元是c a n d i d e 模型中 非常重要的部分。模型包含两种运动单元全局运动单元及局部运动单元。全 局运动单元控制模型在整个三维空间中绕x , y , z 三轴的旋转角度;而局部运动单 元则控制具体的面部的五官运动,从而使面部产生各种不同的表情。运动单元的 部分最早是在三十年前由瑞典研究员c a r l h e r m a nh j o r t s j 8 t 1 7 】在他的书m a i l t s f a c ea n dt h em i m i cl a n g u a g e ) ) 中提出的。他的工作( 有关运动单元) 被加利福 尼亚大学药物中心精神病学部门的p a u le k m a n 和w a l l a c evf r i e s e n 【1 8 】继承并在 原来的基础上加以扩展。 c a n d i d e 模型最早在1 9 8 7 年被瑞典l i n k 6 p i n g 大学图像编码组的m i k a e l r y d f a l k 1 9 1 所创建。这项工作最早的目的是为了有关通过动画进行图像压缩的研 究【2 0 】【2 。随着c a n d i d e 模型的相关文章在一些期刊f 2 2 】【2 3 】【2 4 】上的发表,世界上越 来越多的人及研究机构了解并使用了这个模型。 2 3 1c a n d i d e 人脸网格模型的发展 c a n d i d e 网格模型从产生到现在大概经历了下列四个阶段。 1 o r i g i n a lc a n d i d e 模型 o r i g i n a lc a n d i d e 模型可以说是c a n d i d e 模型的雏形,最早是在一篇报道中被 m r y d f a l k 1 9 1 描述的。该模型包含7 5 个网格结点及1 0 0 个三角面片。1 9 9 7 年时 被r o b e r tf o r c h h e i m e r 应用于一个j a v a 的演示系统,如图2 2 所示。这个模型现 在已经很少使用了。 1 3 基于二维正交图像的三维人头建模方法研究 图2 - 2o r i g i n a lc a n d i d e 模型 2 c a n d i d e l 模型 开始被广泛应用的模型是c a n d i d e l 模型,也就是实际上的c a n d i d e 标准模 型,如图2 3 所示。c a n d i d e - l 模型是通过少量修改o r i g i n a lc a n d i d e 模型而得到 的,包含7 9 个网格结点,1 0 8 个三角面片以及1 1 个运动单元。这个版本的模型 是m a r t e ns t r 6 m b e r g 在实现一个项目中所需要的包时建立的。 乱正面 图2 - 3c a n d i d e - 1 模型 1 4 b 侧面 第二章一般标准化三维人脸模型 3 c a n d i d e 2 模型 之后,英国电信的b i l lw e l s h 2 5 1 通过改进c a n d i d e 1 模型,建立了一个包含 1 6 0 个网格结点,2 3 8 个三角面片的模型,就是所谓的c a n d i d e 一2 模型,如图2 4 所示。这个模型的独特之处在于它包含了整个人体的面部( 包括头发,牙齿和肩 膀) 。这个模型并没有被广泛的使用,主要有两方面的原因。第一,它包含了过 多的结点及三角面片,不利于人脸模型的快速重构;第二,它包含的运动单元过 少,仅仅只有六个,不利于丰富人脸表情的生成。 a 正面 图2 - 4c a n d i d e - 2 模型 b 侧面 4 c a n d i d e 3 模型 c a n d i d e 模型第三版即c a n d i d e 3 模型,直接源自于o r i g i n a lc a n d i d e 模型( 如 图2 5 所示) ,由a h l b e r g 2 6 1 建立。建立这一模型的主要目的是为了简化m p e g 4 定义的人脸动画参数( f a c i a la n i m a t i o np a r a m e t e r s ) 的应用。这一版本的模型包 括1 1 3 个网格结点( 其中大部分的点都与m p e g 4 中定义的特征点相对应) ,1 8 4 个三角面片以及6 5 个运动单元。 1 5 基于二维正交图像的三维人头建模方法研究 乱正面 图2 - 5c a n d i d e - 3 模型 2 3 2 改进的c a n d i d e - 3 网格模型 b 侧面 目前市场上有许多流行的三维建模软件,如3 d sm a x 、m a y a 等。这些建 模软件提供了各种各样的人脸三维模型,使用这些人脸模型可方便地设计人脸造 型和动作,免去人脸建模的繁琐工作。通常的造型软件根据脸部组织的曲面造型 复杂程度不同,采用不同大小和数目的三角形面片来构造人脸曲面,大量设计合 理的三角面片可以较为真实地构造出人脸模型,但这样构造的人脸具有很多缺 点。首先,通常导出的第三方造型软件中的人脸模型,其数据点个数有几千甚至 上万,虽然大数据量有利于模型更加精细逼真,但大数据量的点造成了人脸造型 中面片数量的剧增,模型的拓扑关系也随之变得更加复杂,这些都不利于模型控 制和重构,更不利于人脸模型的二次开发,限制了创造想象中的不同个性化人脸 的设计需求。其次,具有复杂拓扑结构的三角面片构造的人脸模型,使模型控制 复杂度增加,不利于人脸动画的实现,从而局限了人脸建模的应用。因此,必须 选择或者构造数据量适中、结构简单但能正确表现人脸形状的三维人脸模型, c a n d i d e 3 模型正是本文建模工作的一个合适的一般三维人脸模型。 本文的研究基于c a n d i d e 3 人脸网格模型的3 1 6 版本,包含1 1 3 个网格结点 ( 如表2 3 所示) ,1 8 4 个三角面片( 如表2 - 4 所示,点1 、点2 、点3 分别表示 三角形三个顶点的序号) 。 1 6 第二章一般标准化三维人脸模型 表2 - 3c a n d i d e - 3 模型的顶点坐标 序号x 坐标y 坐标z 坐标序号x 坐标y 坐标z 坐标 00 0 0 0 0 0 01 0 6 1 0 0 00 3 7 1 0 0 05 70 3 0 4 0 0 00 1 0 4 0 0 00 0 0 0 0 0 0 10 1 7 4 0 0 00 8 0 0 0 0 00 0 2 4 0 0 05 80 1 0 9 0 0 0- 0 1 5 7 0 0 00 0 3 7 0 0 0 20 0 0 0 0 0 00 5 3 9 0 0 00 0 8 5 0 0 05 9- 0 1 7 4 0 0 0- 0 2 4 4 0 0 00 0 3 7 0 0 0 30 0 0 0 0 0 00 2 7 8 0 0 00 1 0 7 0 0 06 00 3 8 7 0 0 00 1 0 0 0 0 0- 0 0 4 5 0 0 0 40 0 0 0 0 0 00 2 1 3 0 0 00 0 8 5 0 0 06 10 5 5 0 0 0 00 2 5 0 0 0 0- 0 3 2 8 0 0 0 50 0 0 0 0 0 0 - 0 2 2 2 0 0 0o 2 1 0 0 0 06 2 - 0 6 0 9 0 0 00 1 4 8 0 0 0 0 3 2 8 0 0 0 60 0 0 0 0 0 00 2 6 5 0 0 00 1 2 4 0 0 06 30 4 7 0 0 0 00 6 0 0 0 0 00 3 2 8 0 0 0 70 0 0 0 0 0 0- 0 4 1 7 0 0 00 1 4 2 0 0 06 40 2 4 6 0 0 00 4 6 1 0 0 0- 0 0 0 0 0 0 0 8 0 0 0 0 0 0 00 5 2 6 0 0 00 1 5 0 0 0 06 5- 0 1 7 4 0 0 00 8 0 9 0 0 00 0 0 0 0 0 0 90 0 0 0 0 0 00 5 9 1 0 0 00 1 0 7 0 0 06 6- 0 0 4 3 0 0 0- 0 3 9 6 0 0 00 1 5 0 0 0 0 1 00 0 0 0 0 0 00 8 5 2 0 0 00 0 6 3 0 0 06 70 3 4 8 0 0 00 2 0 0 0 0 0- 0 0 3 0 0 0 0 0 1 1 o 2 1 7 0 0 01 0 3 9 0 0 0- 0 3 7 1 0 0 06 80 3 4 8 0 0 00 1 1 5 0 0 0- 0 0 3 0 0 0 0 0 1 20 4 5 7 0 0 00 9 0 9 0 0 0- 0 3 2 8 0 0 06 9- 0 3 4 8 0 0 00 2 0 0 0 0 0- 0 0 3 0 0 0 0 0 1 30 4 3 5 0 0 00 6 2 6 0 0 00 1 1 1 0 0 07 0 - 0 3 4 8 0 0 00 1 1 5 0 0 0 - 0 0 3 0 0 0 0 0 1 40 6 1 0 0 0 00 5 3 9 0 0 00 3 2 8 0 0 07 10 2 6 5 0 0 00 2 0 0 0 0 0- 0 0 3 0 0 0 0 0 1 50 5 2 2 0 0 00 2 7 8 0 0 0一o 1 1 1 0 0 07 20 2 6 5 0 0 00 1 1 5 0 0 0- 0 0 3 0 0 0 0 0 1 60 3 9 1 0 0 00 3 7 4 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 7 3- 0 2 6 5 0 0 00 2 0 0 0 0 0- 0 0 3 0 0 0 0 0 1 70 1 3 0 0 0 00 2 7 8 0 0 00 1 0 7 0 0 07 4- 0 2 6 5 0 0 0o 1 1 5 0 0 0- 0 0 3 0 0 0 0 0 1 8o 3 9 1 0 0 00 3 2 2 0 0 00 0 3 0 0 0 0 07 50 0 8 0 0 0 0- 0 2 2 0 0 0 00 1 5 0 0 0 0 1 90 3 0 4 0 0 0 0 2 2 5 0 0 0- 0 0 0 2 0 0 07 6 0 0 8 0 0 0 00 2 2 0 0 0 00 1 5 0 0 0 0 2 00 4 7 0 0 0 00 1 4 8 0 0 00 1 1 1 0 0 07 70 0 2 2 0 0 00 2 1 3 0 0 00 0 6 3 0 0 0 2 10 3 0 4 0 0 00 2 0 4 0 0 00 0 0 0 0 0 07 8-
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