三维人脸纹理映射方法研究童晶。关华剪关东东1 引言在计算机动画，电子游戏，虚拟会议等也用领域中我们需要在计算机中真实地重建三维人脸模型，即获得三维人脸的几何形状信息( 如三角网格模犁表示( x ，Y ，z ，t r i ) ) 和表面的颜色纹理信息( r g ，b ) ) 。利用各种现有的三维成像设备，人们可以精确地获取人脸的几何信息。我们利用L S 一5 0 0 0 型三维激光扫描仪，可以获得人脸的点云数据( x ，Y ，z ) ；在以往的研究中，我们提出了一种基于基奉网格变形的化简方法，可以有效地对三维人脸点云数掘进行压缩，添加拓扑连接关系，最终我们可以得到人脸的三角同格表示( 见图一) 。但如何有效简便地扶取三维人脸几何模型表面准确的颜色信息( 即纹理) ，则一直是一个附难的问题。由左至右依次为：1 5 5 0 0 0 型三维激光扫描仪其扫描本文作者簌得的三维人头点云敷据( 2 5 2 0 0 0顶点) ，厦利用基本网格变形方法得到的化简三维人头网格( 6 8 7 项点)圈l与若十幅未定标的照片( 本文为正面，左侧，右侧二幅照片) ，自动或半自动地建立其对应关系以生成真实的三维人脸纹理。其主要步骤是a 确定i 维网格与各幅照片的纹理映射关系，也即所酒的定标问题；b 将三维网格曲面向二维乎面做投影，实现独立于视点的参数化；c 对各幅照片进行纹理重采样融合生成对应的纹理贴图图片。第三种方法近年柬国内外傍f 究得比较多，理论上讲可以较好地解决给三维人脸添加纹婵的问题。但“目前提出的方法对调整后的网格模型的纹理映射质量普遍不高、不够逼真，也没有一种简捷、有效的纹理映射算法”uJ 。本文就利用第三种方法的思路，提出了一种高效鲁捧的三维人脸纹理映射算法。2 三维人脸纹理映射方法下面我们就分部介绍我们箅法的具体流程：21 确定三维网格与各幅照片的纹理映射关系我们选择使用透视投影模型”来描述纹删映射，即纹理映射可以用人脸的透视投影成像原理来表示，这实际上是一个定标问题。我们利用在各幅照片与三维刚格之间手工标记特征对应点束计算透视投影矩阵。( 见图2 )目前获得三维人脸的纹理信息主要有三种方法：第一种是借助于专门的硬件设备获得同一视点下的人脸几何模型和彩色照片( 盘u 结构光扫描仪V D I D9 1 0 ) ，这样就获得了自然的纹理映射但这样往往受限于硬件设备。第二种足利用专业的三维用形学软件来手工捌整( 如M a y a ) 此方法过于依囤2 手工标定三堆网格厦正面照片特征点示例 赖用户的经验技巧，且费时费力。第三种就是输入几何模型* 山东太学数学与系统科学学院山东济南2 5 0 1 0 0设我们在照片上标定的特征点为n 。= 巩，R ，1 7 ，- =，1 2 -! 塑! 生苤! 塑幽_ 匿E 要锄堡星垫查墨堡塞焦Z ：- 纠t N 格的对应特征点为晟= z ，竹，4 ，I 7 ，i = 1 ，1 2需要初始在三维人脸网格和照片上标注少数对应的特征点rT I I 1 “ 1 3r 。1自动化程度高算法效果达到了实际应用的要求( 图4 ) 。进透视投影矩阵形式为M ：lbr 。r 。I一步的工作主要存在以下方向：【h，。如，。J定义重投影误羊能昔函数E ( M ) = I I 佩一q I I2我们的问题就转换为最小化E ( ) 的问题，利用最小二乘法求出投影矩阵M ，我们就确定了三维人脆网格和真实照片问的对应关系。2 2 将三维网格曲面向二维平面做投影，实现独立于视点的参数化“1设三维人头网格的坐标值为( x m z ) 我们的n J 题就是求映射函数( 工，工，正) ，使得三维网格和二维平面坐标( u ，a ) 建立一一对应的关系：，( * ，Y ：) = “u ，”) = “正( u ，”) ，工( u ，”) ，上( u ，F ) )匿了三维人头的柱面授影参数化效果厦重采样生成的三维人脸奎局纹理图参数化的要求足：保证参数化后网格的拓扑连接关系，且尽量减少三如形的变形( 保角度和保面积) 。由于人头的结构特征，我们使用了柱面投影，三维踟格的参数化效果见图3 ( b ) 。2 3 对各幅照片进行纹理重采样，融合生成对应的纹理贴图图片当得到参数化后的二维纹理网格后，我们就必须多输人的照片进行重采样以生成对应的纹理贴图图片。利片j 第一步建立的照片和三维网格的对虚关系对图3 所示的二维参数化三角阿格进行填色。由丁各幅照片的光照条件很难完全一致如何在接缝处得到平滑过渡的纹理也就成为一个需要解决的问题。我们利用”1 巾的多分辨率技术，有效地消除了不连续的边界，我们合成的全局纹理图见图3 右。将此全局纹理图作用于对应的三维网格上，我们即得到图4 的效果：3 结论本文实现了一种高效鲁捧的三维 脸纹理映射方法，仅团! 塑! 生篁! 塑图4 最终舍成的本丈作者的三堆人脸网格纹理映射效果a 吏现一种高效高速的定标方法，并且算法对噪声不敏感，鲁棒性高。考虑到人脸非刚体的特性，针对人脸的表情变化改进透视投影模型以使三维人脸网格和二维照片更好地对应。b 实现一种能针对复杂拓扑结构三角网格的参数化方法，并且考虑到人脸网格的特殊性，参数化时进一步强调面部特征区域，在有限的纹理空问可以更多地反映人腧的生理特征。c 对于各个视点采集的照片图像合理的预处理，改善不同视点拍摄的照片因为光照条什等不同引起的差异，实现一种合理的重采样方法，解决最终合成全局纹理图片边界平滑过渡的问题。d 进行眼球口腔内部及头发等器官纹理生成的研究。参考文献： 1 赵向阳，杜利民人脸夸成中模型的平滑调整和逼真的纹理映射计算机辅助设计与图形学学报，N o v l 2 0 0 4 2 马颂德张正友著计算机视觉计算理论与算法基础科学出版社1 9 9 8 3 P e t e rJB u t t 。E d w a r dH A n d e l r , o n AM u J t l r e s o l u t i o nS p l h l eW i t hA p p l i c a t i o nI oI t m g eM o s a i c s A C MT r a n s a c t i o n so nG r a p h i c s 1 9 8 3 ，2 ( 4 ) ：2 1 7 2 3 6 4 M S F l o a t e ra n dK H o r m a n n P a r a m e t e r i z a f i o no ft r i a n g u h i t i o ma n di i N o r g a n J F A 耐p o i n t s I nA 1 s k e ，E Q u a k ，m l dM S F l o a t e r ，e d i t o r s ，T u t o r i a l so nM u h i r e s o l u t i o ni nC e o -m e t t l eM o d e l l i n g ，M a t h e m a t i c sa n dV i s u a l i z a t i o n 。p a g e s2 8 7 3 1 6 S p r i n g e r ，B e r l i n ，H e i d e l b e r g ，2 0 0 2