光柵式雙目技術(shù)在3D照相技術(shù)中的應(yīng)用研究

鄧慧 趙鵬 孫桐

摘 要：3D照相主要是由三維人像建模與3D打印兩大部分構(gòu)成。模型精度會(huì)從根本上對(duì)打印質(zhì)量產(chǎn)生決定性作用。借助光柵雙目三維掃描儀得到三維數(shù)據(jù)，獲取具備較高高精度的人像模型。頭發(fā)部分很難通過(guò)掃描的方式獲取到，只有通過(guò)完善發(fā)型模板庫(kù)，同時(shí)借助掃描數(shù)據(jù)以及發(fā)型數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式，最終獲取全部的人像模型。高效運(yùn)用熔融沉積技術(shù)開(kāi)展3D打印工作，最終獲取到塑料3D人像。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)對(duì)上述方法所獲取的塑料人頭與真實(shí)人頭進(jìn)行多方位的比對(duì)，所得到的最終結(jié)果表明，兩者之間差距較小。

關(guān)鍵詞：光柵式；雙目技術(shù)；3D照相技術(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.136

0 引言

在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，人類對(duì)于可以科技的依賴性和要求都在隨之不斷上升。在這樣的社會(huì)背景之下，3D人像打印技術(shù)慢慢進(jìn)入了人類生活。在很早之前，我國(guó)就出現(xiàn)過(guò)類似于“泥人張”這類的手工人像技術(shù)，但是3D人像打印作為一種新興的高科技技術(shù)，同傳統(tǒng)技藝相比不僅具備更高的精度，還有更短的周期。

1 基于光柵測(cè)量的人像建模

光柵投影到人體主要通過(guò)調(diào)制的方式來(lái)最終獲取變形光柵，專門(mén)增設(shè)兩臺(tái)攝像機(jī)，分別在其正面以及左右兩個(gè)側(cè)面和背面等位置來(lái)共同進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，待采集工作全部完成之后，將所得到的數(shù)據(jù)全部輸送到計(jì)算機(jī)內(nèi)部，最終借助計(jì)算機(jī)以及相關(guān)數(shù)據(jù)獲取相關(guān)的人體特征點(diǎn)數(shù)據(jù)。把人體數(shù)據(jù)和發(fā)型數(shù)據(jù)兩者有效組合起來(lái)，并對(duì)組合后的數(shù)據(jù)開(kāi)展一定的修補(bǔ)和封裝工作，通過(guò)這樣的方式來(lái)得到全面的三維人像模型。

現(xiàn)階段，由于所輸入的數(shù)據(jù)存在著各種差異，人像建模通常情況下能夠被劃分為下列兩類：第一種方法是，借助輸入圖像來(lái)從新重新創(chuàng)建三維模型。與之相關(guān)的軟件主要包括：facegen﹑candide﹑agisoft等，這些軟件的使用前提就是精度要求較低。另一種方法為，借助三維掃描儀直接對(duì)人體進(jìn)行全方位掃描，快速獲取相關(guān)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。上世紀(jì)九十年代，位于大洋彼岸的麻省理工學(xué)院誕生研究出了轟動(dòng)世界的3D打印技術(shù)，這類技術(shù)是由多種多樣的不同技術(shù)共同組成的，比如說(shuō)，石膏3D打印﹑熔融沉積技術(shù)﹑光固化成型技術(shù)?，F(xiàn)階段，存在著更為廣泛的用途的技術(shù)就是熔融沉積技術(shù)。借助3Dmax軟件完善發(fā)型庫(kù)。把人體數(shù)據(jù)和發(fā)型數(shù)據(jù)兩者有效組合起來(lái)，并對(duì)組合后的數(shù)據(jù)開(kāi)展一定的修補(bǔ)和封裝工作，通過(guò)這樣的方式來(lái)得到全面的三維人像模型。

2 光柵式雙目掃描計(jì)算原理

光柵式雙目掃描計(jì)算原理是，第一步是借助測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的標(biāo)定，通過(guò)標(biāo)定工作獲取準(zhǔn)確的光柵式雙目系統(tǒng)參數(shù)。借助某些具體的算法求出變形光柵的分布情況，獲取絕對(duì)相位；最終回到雙目視覺(jué)的基本原理上來(lái)，就能夠很容易看出被測(cè)物體準(zhǔn)確的三維點(diǎn)云坐標(biāo)。

2.1 發(fā)型庫(kù)

近些年來(lái)，在對(duì)人類頭發(fā)進(jìn)行掃描時(shí)，往往需要借助紅外掃描儀來(lái)完成，但依然達(dá)不到預(yù)期效果。通過(guò)間接法的形式來(lái)完成對(duì)人物發(fā)型的創(chuàng)建工作，盡快建立健全相關(guān)的發(fā)型庫(kù)，在獲得了人體模型以后，能夠充分尊重顧客的個(gè)人意愿，選取最佳的發(fā)型，通俗來(lái)講就是借助發(fā)型移植法，把具體的人體模型不經(jīng)任何轉(zhuǎn)變的引入3Dmax等環(huán)境之中，充分發(fā)揮手繪板等工具的實(shí)際作用，爭(zhēng)取在第一時(shí)間重建頭發(fā)，上述步驟在實(shí)際造作過(guò)程中要求操作者具備一定的繪畫(huà)能力，具備較大的難度。

2.2 數(shù)據(jù)拼接

對(duì)于那些通過(guò)三維掃描的方式所獲取的人體臉以及身體等不同面點(diǎn)的云數(shù)據(jù)，應(yīng)當(dāng)盡快開(kāi)展拼接﹑封裝等工作，以便于盡快獲取人體模型。光柵掃描系統(tǒng)在實(shí)際工作過(guò)程中，很容易就會(huì)受到來(lái)自于各方面因素的干擾，最終獲取的數(shù)據(jù)往往也會(huì)帶有一定程度的雜音或者多余數(shù)據(jù)。為了科學(xué)有效地解決這一問(wèn)題，多數(shù)情況下都會(huì)在點(diǎn)云階段，僅僅只對(duì)孤點(diǎn)數(shù)據(jù)采取一定的清理措施。在進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接的過(guò)程中往往會(huì)用到手動(dòng)拼接和自動(dòng)拼接這兩大類方式。通過(guò)手動(dòng)的形式找到兩組點(diǎn)云相似度最大的點(diǎn)（點(diǎn)數(shù)應(yīng)當(dāng)不小于或等于3），在獲取了最科學(xué)有效的變換矩陣之后，緊接著進(jìn)行全部點(diǎn)云的組接工作。隨后在對(duì)其開(kāi)展自動(dòng)拼接，幫助點(diǎn)云進(jìn)行更好的對(duì)齊。第一，在開(kāi)展測(cè)量工作的過(guò)程中，人臉兩鬢﹑耳蝸等重要位置的實(shí)際數(shù)據(jù)，會(huì)時(shí)刻受到頭發(fā)的影響，最終所獲取的數(shù)據(jù)很難做到準(zhǔn)確無(wú)誤。因此，在測(cè)量工作全部完成之后，還需要對(duì)其進(jìn)行一定的修補(bǔ)工作。第二，在對(duì)掃描數(shù)據(jù)和發(fā)型數(shù)據(jù)兩者進(jìn)行組接的過(guò)程中，為了達(dá)到高效匹配人像的目的。應(yīng)當(dāng)在第一時(shí)間對(duì)兩者的數(shù)據(jù)采取一定的比例縮放。第三，借助特征點(diǎn)對(duì)齊技術(shù)，科學(xué)有效地完成發(fā)型點(diǎn)云數(shù)據(jù)和人像點(diǎn)云數(shù)據(jù)兩者進(jìn)行組接。第四，對(duì)于那些已經(jīng)拼齊的點(diǎn)云，開(kāi)展下一步的封裝﹑簡(jiǎn)化﹑降噪等工作。

3 光柵式雙目三維視覺(jué)系統(tǒng)

3.1 工作原理

搭建的光柵式雙目三維視覺(jué)系統(tǒng)工作原理圖。包括左右兩個(gè)三維掃描儀相機(jī)（分辨率1028*1024），計(jì)算機(jī)（顯卡內(nèi)存1GB），三腳架，云臺(tái)和高精度平面標(biāo)定靶標(biāo)等。三腳架用以穩(wěn)定并調(diào)節(jié)高度，云臺(tái)用以調(diào)節(jié)俯仰、傾斜和旋轉(zhuǎn)角度，以保證掃描儀的光柵投射方向與地面垂直。

3.2 系統(tǒng)的標(biāo)定和調(diào)節(jié)

對(duì)光柵式雙目三維視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定的過(guò)程就是求解上述左右相機(jī)的屬性參數(shù)和相對(duì)位置的過(guò)程，由于有相機(jī)的移動(dòng)和模型的大小、深度等變化，標(biāo)定過(guò)程需要反復(fù)進(jìn)行，從而確定空間坐標(biāo)物點(diǎn)和圖像平面像點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

標(biāo)定的平面點(diǎn)靶標(biāo)尺寸為150mm×200mm，標(biāo)志行列矩陣為14×17，圓形的直徑為4mm，用以判定方位的空心圓大徑和小徑分別為15mm和9mm，點(diǎn)與點(diǎn)沿長(zhǎng)度方向和高度方向的距離為11.54mm和12.5mm，標(biāo)志點(diǎn)在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中有特定唯一編號(hào)，范圍為1～238?？烧{(diào)節(jié)光柵條紋寬度范圍為0～12mm，根據(jù)臉部模型尺寸設(shè)置為1。相機(jī)曝光時(shí)間用以調(diào)節(jié)圖像亮度，增益則調(diào)節(jié)圖像對(duì)比度和清晰度，左右相機(jī)參數(shù)設(shè)置自動(dòng)同步。

4 臉部數(shù)據(jù)處理

4.1 臉部掃描

臉部三維信息的獲取實(shí)質(zhì)是以非接觸測(cè)量的方式準(zhǔn)確快速地采集到其處于空間位姿的數(shù)據(jù)。為了保證臉部的準(zhǔn)確形態(tài)和便于模型重構(gòu)，采用油泥模型替代臉部實(shí)體。利用光柵式雙目三維視覺(jué)系統(tǒng)中3DScan軟件對(duì)某一臉部投射一系列光柵進(jìn)行掃描，為有效排除背景噪聲等干擾，設(shè)定以標(biāo)定基準(zhǔn)面為上下的空間范圍-150～200mm。標(biāo)志點(diǎn)是隨機(jī)粘貼在臉部表面的易識(shí)別的點(diǎn)，不同掃描圖像之間的自動(dòng)拼接是通過(guò)標(biāo)志點(diǎn)的識(shí)別和匹配來(lái)進(jìn)行的，每次掃描后標(biāo)志點(diǎn)被識(shí)別并給予唯一編號(hào)，公共標(biāo)志點(diǎn)則表示在不同的掃描圖像中有相同編號(hào)。

4.2 數(shù)據(jù)編輯

掃描臉部模型后解算出的各個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)為三維空間坐標(biāo)，整體集合稱為點(diǎn)云（point—clouds）。為盡可能地完整復(fù)現(xiàn)臉部的原貌，共拍攝6幅圖像，每幅圖像采集約180萬(wàn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。對(duì)于獲取的模型數(shù)據(jù)編輯主要分為點(diǎn)云編輯和標(biāo)志點(diǎn)編輯。由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)量直接影響后期的運(yùn)算量，加上采集傳感器、背景噪聲等不可避免的外界因素，用編輯手段以剔除原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)的孤立點(diǎn)、無(wú)效點(diǎn)和錯(cuò)誤點(diǎn)、無(wú)效區(qū)域和多余區(qū)域等。

4.3 優(yōu)化拼接

由于拼接過(guò)程中存在測(cè)量誤差、擬合誤差及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差，部分相同編號(hào)的標(biāo)志點(diǎn)相對(duì)位置也不可能完全一致；而且在相鄰的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)重疊區(qū)域內(nèi)存在大量重復(fù)的采樣點(diǎn)，數(shù)據(jù)冗余，同時(shí)也給后續(xù)重構(gòu)建模帶來(lái)困難，因此，必須對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行全局優(yōu)化處理，以提高模型的拼接精度。為精簡(jiǎn)計(jì)算量，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)按25%的比例（即每4個(gè)點(diǎn)抽取1個(gè)點(diǎn)）采用最小二乘法進(jìn)行優(yōu)化處理，同時(shí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)所有重疊區(qū)域內(nèi)兩點(diǎn)拼接誤差若超過(guò)最大設(shè)定距離1mm，則不會(huì)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，點(diǎn)云數(shù)據(jù)量為2043539。

4.4 三維重構(gòu)

為便于后續(xù)加工制造，應(yīng)用Geomagic Studio逆向工程軟件，利用濾點(diǎn)渲染功能、數(shù)據(jù)補(bǔ)缺技術(shù)刪除背景部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)，濾除掃描過(guò)程存在的部分無(wú)效點(diǎn)。加載臉部模型的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝降噪，在光順修復(fù)過(guò)程中對(duì)明顯錯(cuò)誤區(qū)域和標(biāo)志點(diǎn)空洞等進(jìn)行填復(fù)，點(diǎn)與點(diǎn)間距設(shè)置為0.01mm，需要運(yùn)算出多邊形曲面。由于三維空間內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系較為模糊，很難直接對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，需要將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三角片網(wǎng)格，三角片每邊最多屬于兩個(gè)小三角片，由此建有清晰的拓?fù)潢P(guān)系，最后三角形數(shù)量為251471個(gè)。最終生成曲面片，共有650個(gè)，保存為標(biāo)準(zhǔn)的三維轉(zhuǎn)換iges格式。

5 結(jié)語(yǔ)

借助雙目光柵測(cè)量技術(shù)以及FDM技術(shù)來(lái)生產(chǎn)3D人像。通過(guò)雙目結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)的形式來(lái)得到人體數(shù)據(jù)，進(jìn)一步改善精度，避免不必要的誤差。在數(shù)據(jù)很難測(cè)量的情況下，需要專門(mén)為其建造發(fā)型庫(kù)模板，并對(duì)之前測(cè)定的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行組接或者優(yōu)化等工作，在此基礎(chǔ)上制作出模型。最終一步便是借助3D打印技術(shù)，最終獲取實(shí)體模型。上文中所提到的發(fā)型移植方案，能夠有效縮減3D測(cè)量工作的步驟，降低整個(gè)測(cè)量工作的難度，大大提升測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，所得出的塑料人像數(shù)據(jù)很難達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)通過(guò)一定的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)便能夠使其滿足具體要求，不斷改善人偶的美觀程度。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳獻(xiàn)輝.基于光柵式雙目技術(shù)的3D照相技術(shù)研究[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2016（02）.

[2]郭春璐.光柵式自由立體顯示技術(shù)的研究與分析[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2017（05）.

作者簡(jiǎn)介：鄧慧（1991-），女，四川內(nèi)江人，碩士，助教，研究方向：信息顯示、3D顯示、光柵3D顯示。