摘要
自Parke首次使用人脸参数模型生成三维人脸图像以来，构建逼真的三维人脸模型一直都是计算机视觉领域的一个研究热点。本文在对三维人脸建模技术认真分析的基础上，对基于二维图像的三维人脸建模方法进行了深入的研究。主要研究内容包括以下几个方面：
(1) 从Poser7.0中导出通用三维人脸模型。根据MPEG-4的FDP标准，在正、侧面人脸照片上标出能基本反映人脸几何形状和结构特点的特征点。这两步为后面个性化人脸模型的创建奠定了基础。
(2) 采用了改进的径向基函数插值方法变换通用人脸网格模型,并对插值后的模型进行二次平滑处理，得到的特定人脸模型几何结构更加自然。
(3) 利用三张照片进行纹理合成。对三张照片分别进行匹配融合，然后对融合后的图像进行二次融合处理，使最终得到的纹理图像更加真实自然。根据合成的人脸纹理图像的特点，分别计算出人脸模型的各个部分的纹理坐标。
(4) 把模型数据和纹理数据导入到Visual C++6.0环境中利用OpenGL图形库进行纹理映射。
实验证明，本文提出的算法简便可行，有效避免了网格模型三角面片的扭曲，纹理映射效果生动逼真，得到了具有真实感的三维特定人脸模型。
关键词：三维人脸建模，特定人脸模型，径向基函数，纹理映射，OpenGL
I
Abstract
Since the F.I. Parke generated the first 3D human face image using a Parametric Model for Human Faces, it has been always a research hotspot to built vivid 3D human face model in the computer graphic area. After surveyed the 3D face modeling methods, the author carried out a thorough study in the 3D face modeling using 2D images. The research is composed as follows:
(1). Exported the general face model from Poser 7.0. From front and side images, selected feature points, which correspond to MEPG-4 FDP. These feature points can usually reflect geometrical shape and characteristics of human face. These two steps lay the foundation for generating the upcoming individual fiscal model.
(2). Deformed the generic face model using the improved Radical Basis Function Interpolation and applied smooth treatment basing on the post-interpolation face model. After this step, the geometrical shape of generated 3D face grid model becomes more natural.
(3). Performed texture synthesis using three 2D images. Matched and smoothed these images separately. Then the texture images from the previous step was further performed second fusion, as a result, the human face texture image becomes much smoother. From this point, based on the characteristics of the synthesized face texture, every texture coordinates of the face model can be computed, respectively.
(4). The model data and texture data are imported into Visual C++ 6.0 to perform texture mapping using OpenGL graphic library.
This algorithm has been proved easier and feasible by the experiment. It can effectively prevent triangular facets of the grid model from distortion, making the texture mapping effect more vivid and giving specific 3D face model more realistic.
Key words: 3D face modeling, specific face model, Radial Basis Function, texture mapping, OpenGL
II
目录
摘要 ............................................................................................................................................. I Abstract ...................................................................................................................................... II 目录 .......................................................................................................................................... III 第一章 绪论 .............................................................................................................................. 1
1.1 研究背景 ...................................................................................................................... 1 1.2 研究意义 ...................................................................................................................... 2 1.3 国内外研究现状 .......................................................................................................... 3
1.3.1国外研究现状 ..................................................................................................... 3 1.3.2 国内研究现状 .................................................................................................... 5 1.3.3 三维人脸重建技术的分析比较 ........................................................................ 5 1.4 本文研究内容 .............................................................................................................. 6 1.5 本文的组织结构 .......................................................................................................... 6 第二章 基于图像的三维人脸建模方法回顾 .......................................................................... 8
2.1人脸建模方法的分类 ................................................................................................... 8 2.2 基于几何的人脸建模方法 .......................................................................................... 9 2.3 基于图像的人脸建模方法 ........................................................................................ 11 2.4 人脸建模中常用的技术 ............................................................................................ 13 2.5 本章小结 .................................................................................................................... 14 第三章 通用人脸模型的建立与人脸特征点的提取 ............................................................ 15
3.1 通用人脸模型 ............................................................................................................ 15
3.1.1 通用人脸模型特征及构造要求 ...................................................................... 15 3.1.2 通用人脸模型的获取 ...................................................................................... 16 3.2 基于MPEG-4的人脸特征点定义 ............................................................................ 18
3.2.1 MPEG-4标准下的FDP参数 .......................................................................... 18 3.2.2 本文选定的人脸特征点 .................................................................................. 19 3.3 本章小结 .................................................................................................................... 20 第四章 个性化三维人脸建模 ................................................................................................ 21
4.1 照片的预处理 ............................................................................................................ 21
4.1.1 人脸图像的规范化调整 .................................................................................. 21
III
4.1.2 人脸图像的归一化处理 .................................................................................. 23 4.1.3 从正侧面照片中恢复特征点的空间坐标 ...................................................... 23 4.2 特定人脸模型的构建 ................................................................................................ 24
4.2.1 一般人脸模型的整体变换 .............................................................................. 24 4.2.2 几种常见的空间插值技术 .............................................................................. 25 4.3 模型的局部修改 ........................................................................................................ 28
4.3.1 径向基函数简介 .............................................................................................. 28 4.3.2 基于径向基函数的三维人脸重构 .................................................................. 30 4.3.3 径向基函数插值的三维人脸变形结果 .......................................................... 31 4.3.4 三维人脸模型的二次平滑处理 ...................................................................... 32 4.4 本章小结 .................................................................................................................... 33 第五章 真实感人脸纹理映射 ................................................................................................ 34
5.1 纹理映射技术概述 .................................................................................................... 34
5.1.1 纹理及纹理定义 .............................................................................................. 34 5.1.2 纹理的分类 ...................................................................................................... 34 5.1.3 纹理映射的建立 .............................................................................................. 35 5.2全视角人脸纹理图像的合成 ..................................................................................... 36
5.2.1 图像的拼接 ...................................................................................................... 37 5.2.2 基于塔形分解方法的人脸纹理图像二次融合 .............................................. 40 5.3 纹理映射的实现 ........................................................................................................ 44
5.3.1 纹理坐标的计算 .............................................................................................. 44 5.3.2 OpenGL中的基本纹理映射技术 .................................................................... 45 5.3.3实验结果与分析 ............................................................................................... 48 5.4 本章小结 .................................................................................................................... 53 第六章 总结与展望 ................................................................................................................ 54
6.1 总结 ............................................................................................................................ 54 6.2 展望 ............................................................................................................................ 54 参考文献 .................................................................................................................................. 56 致谢 .......................................................................................................................................... 60 个人简介 .................................................................................................................................. 61
IV
基于二维图像的三维人脸建模技术研究
第一章 绪论
人脸是区分不同个体的最重要的特征，也是人体上最具表达力的一个组成部分。人脸表面具有十分复杂的几何形状和非常丰富的颜色纹理信息，而且兼有广泛性和多样性特点。因此人脸识别是一项具有很大挑战性的工作。
当前人脸识别的方法主要集中在二维图像方面，其识别的准确率在一定程度上由图像来源和质量决定。因为容易受到外部环境和对象自身条件的限制，最终识别结果往往不尽人意。
针对二维人脸识别的不足，科学家们提出利用三维人脸信息进行人脸识别。从70年代以来，三维人脸建模技术日益引起人们的关注，许多不同领域的研究者提出很多创新方法，从而大大推进了该技术的发展。由于巨大的应用前景和科学上的挑战性，真实感三维人脸建模近些年来逐渐成为计算机及相关领域最热门的研究方向之一。
1.1 研究背景
自人类社会形成以来，人们对模拟人脸一直抱有浓厚的兴趣。最初实现人脸模拟的方法包括美术绘画、泥塑艺术、雕刻工艺等，随着科技的进步，出现了电影和照片，但其仅限于反映人脸在某个角度的二维信息。然而随着科技的进一步发展，在诸多领域单方向的人脸信息已经不能满足人们的需要，人们希望可以从各个方向观察人脸，从而可以更便利的识别人脸对象。近些年来，计算机技术的发展日新月异，人脸建模技术的应用领域也日益广泛，人们利用计算机优良的数据计算和处理能力使人脸模拟技术日趋完善，不管是二维还是三维人脸图像，都可以在计算机上进行模拟和演示。现在三维人脸建模技术已经作为一个研究热点而广受关注。
当前虽然已经在三维人脸重建方面取得了一些成就，但在实现完美的三维人脸构建方面还存在有许多问题，从几何结构上来看，人脸表面具有极其复杂的外部轮廓曲线和纹理信息，只有利用精深的数学方法才能描绘这些特性。表情动作的仿真、头发的模拟、光照强度的调整、真实感纹理映等这些问题的彻底解决都有一定的难度，近些年来图像图形学专家一直致力于解决这些难题。而且三维建模需要专用的设备，需要处理的数据量大，不便于存储及网络上传输等问题需要进一步改善[1]。
三维人脸建模虽然存在许多难以解决的问题，但很多学者专家还是在坚持不懈的致
1