基于光柵式雙目技術(shù)的3D照相技術(shù)研究

吳獻(xiàn)輝，陳緒兵*，胡泰然

1．武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；2．化工裝備強(qiáng)化與本質(zhì)安全湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢工程大學(xué)），湖北 武漢 430205

基于光柵式雙目技術(shù)的3D照相技術(shù)研究

吳獻(xiàn)輝1，2，陳緒兵1，2*，胡泰然1，2

1．武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；2．化工裝備強(qiáng)化與本質(zhì)安全湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢工程大學(xué)），湖北 武漢 430205

發(fā)型是人體的典型特征，但是由于發(fā)絲顏色比較深、細(xì)且松散，通過(guò)光學(xué)測(cè)量很難獲取三維信息，這給三維人像模型的掃描建模帶來(lái)了一定的困難.通過(guò)建立發(fā)型模板庫(kù)，將掃描數(shù)據(jù)與發(fā)型數(shù)據(jù)拼合，可以得到完整的人像模型，再使用熔融沉積成形技術(shù)進(jìn)行3D打印，可以得到塑料3D人像.實(shí)驗(yàn)制作了丙烯腈－丁二烯－苯乙烯塑料80．29 mm×92．54 mm×63．01 mm的半身人像以及人臉，其人臉的平均偏差范圍較?。ǎ?．170 mm，0．134 mm），整體偏差穩(wěn)定，表明這種方法切實(shí)可行，能夠制作出外觀良好、精度較高的3D人像.

光柵測(cè)量技術(shù)；人偶打??；3D測(cè)量；發(fā)型庫(kù)

0 引言

隨著技術(shù)的進(jìn)步、大眾消費(fèi)理念的變化，3D人像打印漸漸走進(jìn)人們的生活.與傳統(tǒng)“泥人張”手工人像相比，3D人像打印制作過(guò)程簡(jiǎn)單、周期短、精度高.3D人像打印主要包括人像建模和人像打印兩個(gè)部分.

目前，根據(jù)輸入數(shù)據(jù)不同，人像建模的主要方法有兩種.第一，通過(guò)輸入圖像重構(gòu)三維模型［1－2］，如利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的單張圖片重構(gòu)法、利用特征點(diǎn)匹配的多張圖片重構(gòu)法.其輸入一般為二維圖像，如照片、視頻等.此類技術(shù)運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)幾何、人體幾何特征、數(shù)學(xué)計(jì)算、統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)等知識(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn).相應(yīng)的軟件如，facegen、candide、agisoft等，用于對(duì)精度要求不高的情況.第二，利用三維掃描儀掃描人體，直接獲取人體的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù).使用的儀器如面結(jié)構(gòu)光掃描儀、光柵掃描儀、紅外掃描儀、CT掃描儀等［3］.該方法可以較為準(zhǔn)確逼真的得到人體模型.

3D打印技術(shù)于1995年在美國(guó)麻省理工學(xué)院誕生［4］.3D打印技術(shù)種類眾多，例如，選擇性激光熔化成型、石膏3D打印、分層實(shí)體制造、熔融沉積技術(shù)、光固化成型技術(shù).目前，使用最多，運(yùn)用最廣的就是熔融沉積技術(shù).

采用雙目光柵測(cè)量系統(tǒng).利用逆向工程軟件Geomagic studio 12，進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接，得到人體模型.利用3Dmax軟件建立發(fā)型庫(kù).將人體數(shù)據(jù)與發(fā)型數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、修補(bǔ)、封裝等處理，獲得完整的三維人像模型.

1 基于光柵測(cè)量的人像建模

人體存在大約2 Hz的自然頻率，即人的表情和身體會(huì)發(fā)生微小抖動(dòng)，影響三維模型質(zhì)量.為提高采集數(shù)據(jù)的精確性、完整性，需要減少拍攝時(shí)間和次數(shù).光柵測(cè)量為結(jié)構(gòu)光投射方式的多線模式，能夠一次獲得較多數(shù)據(jù)，滿足要求.

光柵投影到人體經(jīng)過(guò)調(diào)制得到變形光柵，兩個(gè)攝像機(jī)從正面、左右兩個(gè)側(cè)面背面等位置采集變形光柵，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，最終得到相應(yīng)面人體特征點(diǎn)數(shù)據(jù).利用軟件Geomagic studio 12，將數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，得到人體模型.利用3Dmax軟件建立由于光照原因無(wú)法測(cè)量的發(fā)型庫(kù)數(shù)據(jù).將人體與發(fā)型數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、修補(bǔ)以及封裝，最終獲得完整的三維人像模型.具體流程如圖1所示.

圖1 三維人像模型建模流程Fig.1 Process of 3D portrait modeling

2 光柵式雙目掃描計(jì)算原理

采用的掃描系統(tǒng)由兩個(gè)CCD攝像機(jī)和一個(gè)光柵投影儀組成.其基本原理為，首先通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定，得到光柵式雙目系統(tǒng)參數(shù)，即攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)以及其光柵投影之間幾何位置關(guān)系.然后向被測(cè)物體表面投射一組光柵圖像，光柵經(jīng)調(diào)制變形，兩照相機(jī)同時(shí)拍攝變形光柵圖像.采用一定的算法求取變形光柵的相位分布，得到絕對(duì)相位，完成兩幅圖像點(diǎn)的匹配；最后根據(jù)雙目視覺(jué)原理，解算出被測(cè)物體的三維點(diǎn)云坐標(biāo).

2.1 光柵相位計(jì)算

對(duì)光柵圖像主值相位求解采用四部相位法，將光柵在垂直柵線條方向上平移1／4個(gè)柵距，四副標(biāo)準(zhǔn)相位光柵圖像的初始相位分別為0、π／2、π、3π／2，其光強(qiáng)表達(dá)式如下：

Ii（x，y）為圖像坐標(biāo)點(diǎn)（x，y）的光強(qiáng)，I′（x，y）為圖像平均灰度值，I″（x，y）為圖像灰度調(diào)制幅值，φ（x，y）為待求的主值相位，即相對(duì)相位.

根據(jù)式（1）可以得到：

根據(jù)式（2）求出像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)相位值φ(x，y)，相位主值在［－π，π］之間，由于正弦光柵圖像的周期性，主值相位在測(cè)量中并不是唯一，需要相位展開(kāi)，得到絕對(duì)相位φm，如圖2所示.

圖2 絕對(duì)相位與相對(duì)相位Fig.2 Absolute phase and relative phase

采用Reich三頻兩步外差法［5］進(jìn)行相位展開(kāi).使用三個(gè)初始值相位函數(shù)分別為φ1、φ2、φ3，其頻率分別為f1、f2、f3，則由多頻外差法可以得到.

式（3）中，f12為φ1、φ2兩函數(shù)疊加函數(shù)φ12的頻率，f23為φ2、φ3兩函數(shù)疊加函數(shù)φ23的頻率，f123為φ12、φ23兩函數(shù)疊加函數(shù)的頻率.選擇適當(dāng)時(shí)f1、f2、f3，可使疊加頻率f123為1，從而圖像像素點(diǎn)相位在整個(gè)區(qū)域無(wú)歧義展開(kāi)，得到φ（x，y）.

2.2 雙目視覺(jué)原理的立體匹配和三維重構(gòu)

如圖3所示，I1、I2為左右攝像機(jī)獲取的圖像平面，P為空間物點(diǎn)，P1、P2為左右圖像上像點(diǎn).

圖3 光柵雙目視覺(jué)原理圖Fig.3 Schematic diagram of raster binocular vision

由光柵相位計(jì)算原理，根據(jù)左圖像I1上的點(diǎn)P1的相位值，可在右邊圖像I2上找到一條與點(diǎn)P1具有相同相位值的變形灰度條紋.由極線原理，可找到P1在右圖像對(duì)應(yīng)的極線Ep.匹配點(diǎn)在條紋曲線和極線上，兩者交于點(diǎn)P2，即P2為I2圖像上P1對(duì)應(yīng)匹配點(diǎn).

攝像機(jī)投影方程如公式（4）.

u1、u2分別為相機(jī)圖像上P1、P2的像素坐標(biāo)，Zc1、Zc2為比例因子，為常量.M1、M2為左右相機(jī)的投影矩陣，由攝像機(jī)標(biāo)定得到.xp為空間點(diǎn)P三維坐標(biāo).根據(jù)式（4）能夠求出物點(diǎn)三維坐標(biāo).

3 發(fā)型庫(kù)及數(shù)據(jù)拼接

3.1 發(fā)型庫(kù)

發(fā)型是人體的顯著特征，但是由于發(fā)絲顏色比較深、細(xì)且松散，通過(guò)光學(xué)測(cè)量很難獲取其三維信息.目前，只有紅外掃描儀能夠掃描到部分頭發(fā).使用其他掃描儀情況下，通過(guò)帶假發(fā)或者使用理發(fā)產(chǎn)品將頭發(fā)整理成面狀的發(fā)型，采集部分被頭發(fā)覆蓋的頭部數(shù)據(jù).使用間接法創(chuàng)建人物發(fā)型，如，后期用Maya、3Dmax、Z-brush等軟件構(gòu)造一組發(fā)型，建立一個(gè)發(fā)型庫(kù)，得到人體模型后，根據(jù)其頭型和顧客的喜好，選擇適合的頭發(fā)進(jìn)行匹配，即為發(fā)型移植法［5］，流程如圖4所示；將人體模型直接導(dǎo)入3Dmax等環(huán)境，利用手繪板等工具重建頭發(fā)，該操作需要一定的美術(shù)基礎(chǔ)，操作不易實(shí)現(xiàn).

圖4 發(fā)型移植流程Fig.4 Process of hair transplant

通過(guò)發(fā)型移植的方法創(chuàng)建人物發(fā)型，使用3Dmax建立發(fā)型庫(kù).其中四款發(fā)型如圖5所示.

圖5 發(fā)型圖Fig.5 Hairstyle template library

3.2 數(shù)據(jù)拼接

三維掃描得到人體臉和身體不同面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行拼接、封裝處理得到人體模型.人體建模完成之后與發(fā)型拼接、并完成后期數(shù)據(jù)處理獲得人像模型.

光柵掃描系統(tǒng)獲得的人臉三維點(diǎn)云存在少量噪聲、冗余等數(shù)據(jù)，為保證數(shù)據(jù)完整性精度，一般在點(diǎn)云階段，只對(duì)孤點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除處理.數(shù)據(jù)拼接采用手動(dòng)加自動(dòng)拼接的方式.手動(dòng)選取兩組點(diǎn)云位置相似的點(diǎn)（點(diǎn)的數(shù)目大于3），如圖6所示．

圖6 左側(cè)臉與正臉拼接Fig.6 Merge of left and face data

在第一次測(cè)量點(diǎn)云集合為P坐標(biāo)分別為（xi，yi，zi），第二次測(cè)量點(diǎn)云集合為Q，坐標(biāo)為（Xi，Yi，Zi）.點(diǎn)1、2、3為手動(dòng)選取的點(diǎn)，坐標(biāo)為式（5）.通過(guò)以下計(jì)算得到相應(yīng)的變換矩陣T.

而對(duì)齊過(guò)程中，手動(dòng)選點(diǎn)存在誤差，為了減少誤差，可以選取多個(gè)點(diǎn)（i＞3）.計(jì)算得到多個(gè)變換矩陣，使用最小二乘法對(duì)點(diǎn)云處理，測(cè)量誤差，選取誤差值最小時(shí)的變換矩陣對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行拼接.

得到最佳變換矩陣后，再通過(guò)式（6）完成所有點(diǎn)云拼接.再進(jìn)行自動(dòng)拼接，進(jìn)一步對(duì)齊點(diǎn)云.

首先，測(cè)量中，人臉兩鬢、耳蝸等部位數(shù)據(jù)，會(huì)受到頭發(fā)和陰影的遮擋，可能無(wú)法完全測(cè)量，出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺損的情況，需要對(duì)缺損的數(shù)據(jù)進(jìn)行修補(bǔ).其次，掃描數(shù)據(jù)與發(fā)型數(shù)據(jù)拼合時(shí)，為了匹配掃描人像模型.需通過(guò)齊次坐標(biāo)變換對(duì)導(dǎo)入的發(fā)型數(shù)據(jù)進(jìn)行比例縮放以及平移處理.再次，通過(guò)特征點(diǎn)對(duì)齊技術(shù)，將發(fā)型點(diǎn)云數(shù)據(jù)與人像點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼齊.最后，對(duì)拼齊的點(diǎn)云進(jìn)行封裝、簡(jiǎn)化、降噪等操作，得到面片STL模型如圖7所示.

圖7 人體模型圖Fig.7 Human body model

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 3D人像打印

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為武漢維景三維科技有限公司的PowerScan－Ⅱ精密型光柵掃描儀、北京太爾S200系列3D打印機(jī).參數(shù)如表1所示.

表1 掃描儀、打印機(jī)參數(shù)測(cè)量參數(shù)Table 1 Parameters of scanner and printer

通過(guò)圖1流程，制作一個(gè)完整人像.其中，將掃描得到的數(shù)據(jù)和發(fā)型數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Studio軟件進(jìn)行點(diǎn)云拼接得到人像模型具體點(diǎn)云數(shù)據(jù)如表2所示.自動(dòng)拼接過(guò)程中，調(diào)整公差為0．01 mm.導(dǎo)入適當(dāng)?shù)陌l(fā)型庫(kù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)插補(bǔ)與融合，得到完整的人像點(diǎn)云.點(diǎn)云封裝面片三角化，導(dǎo)出為STL格式.經(jīng)過(guò)打印機(jī)加工，材料為ABS塑料絲，得到塑料人像模型，噴漆處理后如圖8所示.

由于打印機(jī)范圍有限，打印模型縮放0．2.原尺寸為252．09×418．28×587．35 mm，縮放后為50．34× 83．66×117．47 mm.花費(fèi)材料102 g.

4.2 人臉測(cè)量

光柵掃描人體得到一次掃描數(shù)據(jù)，處理打印，將塑料人像再次使用光柵掃描，得到二次掃描數(shù)據(jù).將二次掃描數(shù)據(jù)與一次掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合比較，測(cè)量人像模型打印精度.為了方便檢測(cè)，減小檢測(cè)誤差，另一做組人臉實(shí)驗(yàn)，如圖9所示.

表2 人像拼接數(shù)據(jù)Table 2 Merging data of portrait

圖8 3D塑料人像Fig.8 Portrait of 3D plastic

圖9 人臉照片（左），一次、二次人臉掃描數(shù)據(jù)Fig.9 Face image（left），the original（middle）plastic and（right）face scan data

Geomagic Studio中的“最佳擬合對(duì)齊”功能可以實(shí)現(xiàn)模型擬合比較.對(duì)兩組臉型數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，一次掃描數(shù)據(jù)為參照，二次掃描數(shù)據(jù)為測(cè)量數(shù)據(jù)，如圖10所示，其偏差如表3所示.

表3 偏差數(shù)據(jù)Table 3 Data of deviation

圖10 偏差測(cè)量Fig.1 0Deviation measurement

3D光柵分別掃描人體與塑料人像，得到其平均偏差為0．134～－0．170 mm，平均偏差值較小.說(shuō)明平均擬合精度高.可依據(jù)此擬合分析，而且小偏差范圍（0～0．200 mm）分布面積大，占大半臉，說(shuō)明整體偏差較為穩(wěn)定.綜合測(cè)量?jī)x精度±0．008 mm，打印機(jī)精度±0．1 mm，偏差范圍合理.說(shuō)明這種測(cè)量方法具有良好的精度.

5 結(jié)語(yǔ)

使用雙目光柵測(cè)量技術(shù)、FDM技術(shù)制作3D人像.雙目結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)獲得人體數(shù)據(jù)，提高精度，減少誤差.對(duì)于無(wú)法測(cè)量的發(fā)型數(shù)據(jù)，建立發(fā)型庫(kù)模板，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的拼合、減噪、簡(jiǎn)化，得到模型即一次掃描數(shù)據(jù).最后3D打印，得到實(shí)體模型.實(shí)體模型再掃描，與一次掃描數(shù)據(jù)擬合，得知該模型具有高的精度.

該發(fā)型移植的方法，可以省略3D測(cè)量中頭發(fā)型難得的過(guò)程，可用于其他的3D測(cè)量系統(tǒng)，擴(kuò)大了人偶測(cè)量的儀器種類.實(shí)驗(yàn)中，得到的塑料人像數(shù)據(jù)表面較為粗糙，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)可對(duì)塑料人像噴漆處理，進(jìn)一步提高人偶美觀度.

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3D portrait printing based on raster binocular vision technologies

WU Xian－h(huán)ui1，2，CHEN XU－bing1，2，HU Tai－ran1，2
1．School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China；2．Hubei Key Laboratory of Chemical Equipment Intensification and Intrinsic Safety（Wuhan Institute of technology），Wuhan 430205，China

Hair is a typical feature of the human body．It is difficult to obtain 3D information of hair by optical measurement because of its dark colour，thin and loose structure，which brings some difficulties for 3D scanning and portrait modelling．A complete portrait model was obtained firstly by merging scan data with hairstyle data which based on establishing hairstyle template library，and then a face of 3D plastic was printed by employing the fused deposition modelling technology.A half-length acrylonitrile-butadiene-styrene plastic portrait of 80.29 mm×92.54 mm×63.1 mm was produced in the laboratory.The results show that the mean deviations of ABS plastic face are between 0．134 mm and－0．170 mm，and the overall deviation is stable．It demonstrates that the proposed method is feasible with better appearance and higher precision of 3D portraits．

raster measurement technique；3D portrait modeling；3D printing；hairstyle template library

TB35

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.11.011

1674－2869（2015）11－0052－06

本文編輯：陳小平

2015－10－09

湖北省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目（D20131507）；武漢工程大學(xué)第六屆研究生教育創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（CX2014032）

吳獻(xiàn)輝（1990－），女，湖北荊門(mén)人，碩士研究生.研究方向：快速成型.*通信聯(lián)系人