一種基于人體頭部彩色點(diǎn)云模型的三維發(fā)際線提取方法與流程

本發(fā)明涉及一種發(fā)際線提取方法。特別是涉及一種基于人體頭部彩色點(diǎn)云模型的三維發(fā)際線提取方法。

背景技術(shù)：

發(fā)際線是人體頭部的一個(gè)重要特征，發(fā)際線的提取在面部感知應(yīng)用系統(tǒng)、人體工效學(xué)、逆向工程、整形外科學(xué)等方面具有很重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。

在3D影視、換裝游戲等方面，三維的虛擬頭發(fā)是熱門之一，通過提取三維發(fā)跡線，可使三維虛擬頭發(fā)的仿真效果更加逼真；在假發(fā)生產(chǎn)銷售領(lǐng)域，通過發(fā)際線的實(shí)時(shí)三維提取，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)套私人定制；在理發(fā)美發(fā)行業(yè)中，通過虛擬發(fā)型試戴，可以讓顧客全方位的查看不同發(fā)型在自己頭部模型試戴效果，提高顧客對(duì)發(fā)型的滿意度；整形外科學(xué)中，發(fā)際線的提取有助于發(fā)際線調(diào)整方案的確定，在三維點(diǎn)云模型上，一方面，患者可以預(yù)先查看調(diào)整前后的發(fā)跡線變化，向醫(yī)生提出自己的意見，另一方面，醫(yī)生通過比較原發(fā)跡線和設(shè)計(jì)發(fā)跡線的位置、形狀，可以測(cè)算出發(fā)跡線的受區(qū)面積，計(jì)算出毛囊需求量，從而判斷該手術(shù)的難易程度，并制定出合理的手術(shù)方案。同時(shí)，將彩色頭部點(diǎn)云模型保存在電子數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)全球的數(shù)據(jù)共享，更容易獲得各種族的大量數(shù)據(jù)，通過提取三維發(fā)際線，對(duì)發(fā)際線定性定量分析，可獲得更多更具體的發(fā)際線特性，對(duì)面部感知、人體工效學(xué)等具有很大的研究意義。

目前已有在二維圖像上提取發(fā)際線點(diǎn)的方法，再利用二維到三維的映射關(guān)系，將發(fā)際線轉(zhuǎn)換到三維模型上，過程繁雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種能夠直接從彩色的點(diǎn)云模型中提取三維發(fā)跡線的基于人體頭部彩色點(diǎn)云模型的三維發(fā)際線提取方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于人體頭部彩色點(diǎn)云模型的三維發(fā)際線提取方法，包括如下步驟：

1)掃描人體頭部，獲取稠密的頭部彩色點(diǎn)云模型；

2)建立人臉局部坐標(biāo)系，并將點(diǎn)云模型轉(zhuǎn)換到所建立的人臉局部坐標(biāo)系中；

3)提取鼻尖點(diǎn)；

4)提取頭部深色部分；

5)對(duì)深色部分點(diǎn)云按照豎直方向分層，并按照水平方向排序；

6)提取深色部分點(diǎn)云的邊界線點(diǎn)；

7)去除噪聲，得到發(fā)際線點(diǎn)；

8)擬合得到三維發(fā)際線。

步驟2)包括：以左右耳的至高點(diǎn)或臨近至高點(diǎn)處，以及眉間點(diǎn)為基準(zhǔn)，建立人臉局部坐標(biāo)系，通過平移和旋轉(zhuǎn)將頭部彩色點(diǎn)云模型轉(zhuǎn)換到人臉局部坐標(biāo)系下，并使當(dāng)人臉局部坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系重合時(shí)，頭部彩色點(diǎn)云模型正視前方；人臉局部坐標(biāo)系以頭部彩色點(diǎn)云模型的左方為X軸正方向，頭部彩色點(diǎn)云模型的上方為Y軸正方向，頭部彩色點(diǎn)云模型的前方為Z軸正方向。

步驟4)是利用RGB信息提取出頭部深色部分，包括頭蓋、眉毛和眼球。

步驟5)包括在人臉局部坐標(biāo)系中，對(duì)提取出的深色部分點(diǎn)云按照Y坐標(biāo)值等間隔分層，共分成n層，并對(duì)每一層的點(diǎn)云按照X坐標(biāo)值從小到大依次排序。

步驟6)中對(duì)每一層點(diǎn)云，分別計(jì)算各個(gè)相鄰點(diǎn)之間的X坐標(biāo)差值，當(dāng)其中兩個(gè)相鄰點(diǎn)之間的X坐標(biāo)差值超過一定閾值時(shí)，即認(rèn)為這兩個(gè)點(diǎn)均為深色部分的邊界線點(diǎn)。

步驟7)中以鼻尖點(diǎn)為基準(zhǔn)，結(jié)合人臉尺寸的統(tǒng)計(jì)值，去除邊界線點(diǎn)中的眉毛和眼球部分，得到發(fā)際線點(diǎn)。

步驟8)中，利用包圍盒法對(duì)步驟7)得到的發(fā)際線點(diǎn)進(jìn)行精簡(jiǎn)，并利用三次B樣條曲線擬合得到三維發(fā)際線。

本發(fā)明的一種基于人體頭部彩色點(diǎn)云模型的三維發(fā)際線提取方法，最大的特點(diǎn)在于利用彩色的三維頭部點(diǎn)云模型，基于發(fā)色與膚色的差別及人體面貌特征，通過逐層排序分析法提取發(fā)際線點(diǎn)，并擬合成發(fā)際線。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于能夠直接提取三維發(fā)際線，簡(jiǎn)便易行，算法復(fù)雜度低，數(shù)據(jù)易于保存和傳輸，適用性廣，在面部感知應(yīng)用系統(tǒng)、人體工效學(xué)、逆向工程、整形外科學(xué)等方面具有很重要的應(yīng)用價(jià)值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種基于人體頭部彩色點(diǎn)云模型的三維發(fā)際線提取方法的流程圖；

圖2a是頭部彩色點(diǎn)云模型的左前視圖；

圖2b是頭部彩色點(diǎn)云模型的正前視圖；

圖2c是頭部彩色點(diǎn)云模型的右前視圖；

圖3是人臉局部坐標(biāo)系建立示意圖；

圖4是不同坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換示意圖；

圖5a是頭部彩色點(diǎn)云模型在原始坐標(biāo)系中顯示的結(jié)果示例圖；

圖5b是頭部彩色點(diǎn)云模型在人臉局部坐標(biāo)系中顯示的結(jié)果示例圖；

圖6是深色部分的提取結(jié)果示意圖；

圖7是按照Y坐標(biāo)值分層的示意圖；

圖8是對(duì)i層點(diǎn)云按照X坐標(biāo)值排序的示意圖；

圖9a是三維發(fā)際線擬合的結(jié)果示例圖；

圖9b是擬合的三維發(fā)際線在頭部點(diǎn)云模型中相對(duì)分布的示例圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的一種基于人體頭部彩色點(diǎn)云模型的三維發(fā)際線提取方法做出詳細(xì)說明。

據(jù)相關(guān)調(diào)查，通常，發(fā)色、眼色比膚色的顏色深，且在邊界處顏色發(fā)生突變，即RGB信息突變。因此，本發(fā)明的一種基于人體頭部彩色點(diǎn)云模型的三維發(fā)際線提取方法，提取出頭部RGB信息突變的部分，即頭部深色部位的邊界，主要包含了發(fā)際線、眉毛及眼球部位的邊界；再根據(jù)人體面貌特征，將眉毛及眼球部位的邊界去掉，即為發(fā)跡線邊界。

如圖1所示，本發(fā)明的一種基于人體頭部彩色點(diǎn)云模型的三維發(fā)際線提取方法，包括如下步驟：

1)掃描人體頭部，獲取稠密的頭部彩色點(diǎn)云模型。

利用彩色三維掃描儀掃描人體頭部，得到稠密的頭部彩色點(diǎn)云模型。本發(fā)明實(shí)施例是采用彩色三維激光掃描儀，包括三維系統(tǒng)和彩色系統(tǒng)。其中，三維系統(tǒng)基于激光三角法，采用一維垂直運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌帶動(dòng)掃描模塊(包括激光器和黑白CCD)上下移動(dòng)的方式進(jìn)行掃描，經(jīng)數(shù)據(jù)處理模塊，獲得人體頭部的三維坐標(biāo)信息；彩色系統(tǒng)由彩色CCD和數(shù)據(jù)處理模塊組成，主要獲得人體頭部的彩色信息，利用標(biāo)定好的三維坐標(biāo)與二維彩色信息的映射關(guān)系，匹配頭部的三維信息，得到三維彩色點(diǎn)云模型。對(duì)點(diǎn)云模型進(jìn)行數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化壓縮、去噪、孔洞填充等預(yù)處理，得到理想的光滑的頭部彩色點(diǎn)云模型。如圖2a、圖2b、圖2c所示，即為頭部彩色點(diǎn)云模型示例。

2)建立人臉局部坐標(biāo)系，并將點(diǎn)云模型轉(zhuǎn)換到所建立的人臉局部坐標(biāo)系中。包括：針對(duì)頭部點(diǎn)云模型在坐標(biāo)系中位置隨機(jī)的問題，以左右耳的至高點(diǎn)或臨近至高點(diǎn)處，以及眉間點(diǎn)為基準(zhǔn)，建立人臉局部坐標(biāo)系，通過平移和旋轉(zhuǎn)將頭部彩色點(diǎn)云模型轉(zhuǎn)換到人臉局部坐標(biāo)系下，并使當(dāng)人臉局部坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系重合時(shí)，頭部彩色點(diǎn)云模型正視前方；人臉局部坐標(biāo)系以頭部彩色點(diǎn)云模型的左方為X軸正方向，頭部彩色點(diǎn)云模型的上方為Y軸正方向，頭部彩色點(diǎn)云模型的前方為Z軸正方向。

不同三維掃描儀定義的三維坐標(biāo)系不同，而且在同一個(gè)掃描儀中當(dāng)位置、角度發(fā)生變化時(shí)，所得模型的三維坐標(biāo)也會(huì)不同，不能夠?qū)崿F(xiàn)特征點(diǎn)的自動(dòng)提取。因此，建立一個(gè)新的人臉局部坐標(biāo)系，并將點(diǎn)云模型轉(zhuǎn)換到該坐標(biāo)系下，使得當(dāng)人臉局部坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系重合時(shí)，人體頭部的點(diǎn)云模型處于正視前方的方位。在頭部點(diǎn)云模型中，使其正視前方，提取在同一水平面且非共線的三點(diǎn)，以此為基準(zhǔn)點(diǎn)即可建立人臉局部坐標(biāo)系。本發(fā)明利用半自動(dòng)的方法來(lái)建立人臉局部坐標(biāo)系。

根據(jù)人體面貌特征，當(dāng)人體頭部正視前方時(shí)，左右耳的至高點(diǎn)與眉間點(diǎn)基本處于同一水平面。如圖3，以左右耳的至高點(diǎn)的臨近點(diǎn)P₁、P₂及眉間點(diǎn)P₃為基準(zhǔn)建立人臉局部坐標(biāo)系。具體做法：

(1)連接P₁P₂，記為X軸，且以頭部彩色點(diǎn)云模型的左方為正方向；

(2)由P₃向P₁P₂作垂線，垂點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)O，并記直線OP₃為Z軸，以頭部彩色點(diǎn)云模型的前方為正方向；

(3)依據(jù)右手坐標(biāo)系法則，判定Y軸，以頭部彩色點(diǎn)云模型的上方為正方向。

為了獲取左右耳至高點(diǎn)及眉間點(diǎn)三點(diǎn)的位置，可以選擇在掃描時(shí)為被掃瞄者在相應(yīng)位置貼標(biāo)記物并識(shí)別，也可以在獲取點(diǎn)云模型后，手動(dòng)選出這三點(diǎn)的位置。

新建立的人臉局部坐標(biāo)系和原坐標(biāo)系是不重合的，通過對(duì)點(diǎn)云模型平移、旋轉(zhuǎn)，得到人臉局部坐標(biāo)系下的點(diǎn)云模型。圖4是點(diǎn)云模型在不同坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)換示意圖。圖5a、圖5b即為頭部彩色點(diǎn)云模型在原始坐標(biāo)系和人臉局部坐標(biāo)系中顯示的結(jié)果示例圖。

3)提取鼻尖點(diǎn)；

眾所周知，鼻尖在人臉正面的最前方。根據(jù)步驟S2可知，在人臉局部坐標(biāo)系中，鼻尖點(diǎn)的Z值最大，據(jù)此可以提取出鼻尖點(diǎn)。

4)提取頭部深色部分，具體是利用RGB信息提取出頭部深色部分，包括頭蓋、眉毛和眼球；

一般在人體面部，毛發(fā)、眼球的顏色要比皮膚的顏色深，據(jù)此特性，在彩色點(diǎn)云模型中，根據(jù)發(fā)色與膚色的具體差異，設(shè)置一個(gè)灰度閾值(即圖1中的閾值a)，并選出所有灰度值小于該閾值的點(diǎn)，即提取出深色部分，主要包括頭蓋、眉毛及眼球等部分，所得結(jié)果示例見圖6。

5)對(duì)深色部分點(diǎn)云按照豎直方向分層，并按照水平方向排序；包括在人臉局部坐標(biāo)系中，對(duì)提取出的深色部分點(diǎn)云按照Y坐標(biāo)值等間隔分層，共分成n層，圖7即為按照Y值分層的示意圖。并對(duì)每一層的點(diǎn)云按照X坐標(biāo)值從小到大依次排序，圖8是對(duì)第i層的m個(gè)點(diǎn)進(jìn)行排序的示意圖。本實(shí)例采用的層間隔為2mm。

6)提取深色部分點(diǎn)云的邊界線點(diǎn)，從圖8中可以看出，大多數(shù)相鄰點(diǎn)之間的X值差值都很小，只有點(diǎn)j與(j+1)之間的差值比較大，而且點(diǎn)j與(j+1)正是邊界處的點(diǎn)。據(jù)此，對(duì)每一層點(diǎn)云，分別計(jì)算各個(gè)相鄰點(diǎn)之間的X坐標(biāo)差值，當(dāng)其中兩個(gè)相鄰點(diǎn)之間的X坐標(biāo)差值超過一定閾值時(shí)(即圖1中的閾值b)，即認(rèn)為這兩個(gè)點(diǎn)均為深色部分的邊界線點(diǎn)。本實(shí)例采用的差值閾值為8mm。

7)去除噪聲，得到發(fā)際線點(diǎn)。以鼻尖點(diǎn)為基準(zhǔn)，結(jié)合人臉尺寸的統(tǒng)計(jì)值(如鼻長(zhǎng)、眼長(zhǎng)、眼間距等)，去除邊界線點(diǎn)中的眉毛和眼球部分，得到發(fā)際線點(diǎn)。

8)擬合得三維發(fā)際線。提取到的發(fā)際線點(diǎn)往往會(huì)由于模型或算法的缺陷，而會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余的情況，這樣，計(jì)算效率不高，擬合出的曲線也不光滑，甚至誤差較大。因此，在保留發(fā)際線點(diǎn)原有特征的基礎(chǔ)上，需先對(duì)發(fā)際線點(diǎn)精簡(jiǎn)，再進(jìn)行擬合。本發(fā)明是利用包圍盒法對(duì)步驟7)得到的發(fā)際線點(diǎn)進(jìn)行精簡(jiǎn)，并利用三次B樣條曲線擬合得到三維發(fā)際線。

借鑒傳統(tǒng)的包圍盒法，用一定大小的空間包圍盒約束點(diǎn)云，對(duì)分布在每個(gè)包圍盒中的所有點(diǎn)數(shù)據(jù)求坐標(biāo)平均值，并代替整個(gè)包圍盒中的點(diǎn)數(shù)據(jù)。該算法簡(jiǎn)單，速度快，且保持了原有發(fā)際線的特征。本實(shí)例采用的包圍盒大小為8*8*8mm³。

對(duì)精簡(jiǎn)后的發(fā)跡線點(diǎn)利用三次B樣條曲線擬合，得到發(fā)跡線，具有遞推性、局部性質(zhì)、可微性、凸包性質(zhì)等特性。圖9a、圖9b即為三維發(fā)際線擬合的結(jié)果示例。