三維人臉圖像的數(shù)據(jù)采集范文
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采集設(shè)備進(jìn)行三維掃描的過(guò)程是一個(gè)實(shí)時(shí)曲面配準(zhǔn)的過(guò)程。盡管這一過(guò)程有一定的魯棒性，但是掃描對(duì)象的姿態(tài)變化很容易干擾配準(zhǔn)的準(zhǔn)確度[7]。因此在采集三維人臉圖像前應(yīng)和被采集人進(jìn)行必要的溝通，防止采集過(guò)程中因被采集人說(shuō)話或移動(dòng)導(dǎo)致配準(zhǔn)失效而中斷操作。為了在保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的同時(shí)減少重復(fù)數(shù)據(jù)量，使用手持式3D掃描儀時(shí)，需要按照一定的移動(dòng)順序?qū)θ四槇D像進(jìn)行擷取[8,9]。采取的掃描順序（見(jiàn)圖2）是從被采集人的一側(cè)耳部開(kāi)始，上下S型經(jīng)鼻面部向另一側(cè)耳部移動(dòng)，然后向下采集下巴被遮擋部位的圖像，最后回到開(kāi)始的部位完成掃描（單幀曲面范圍90mm×70mm~180mm×140mm）。這樣做的好處，一是不會(huì)遺漏采集部位；二是符合人臉面部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如果采用橫向S型掃描則要多次經(jīng)過(guò)鼻翼兩側(cè)，這就增加了掃描難度；三是固定了采集順序，在預(yù)處理時(shí)可以快速找到需要修改或刪除的某一幀或幾幀圖像。對(duì)耳朵、鼻翼兩側(cè)、下唇至下巴中間結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的曲面，在采集時(shí)，可以采取小角度變換掃描儀打光角度。對(duì)下巴的采集，可以將掃描儀從下方盡量接近被采集人身體并向上打光，以減少由于遮擋形成的空洞。因手持式3D掃描儀的便攜特點(diǎn)（≤1kg），采集現(xiàn)場(chǎng)只要具備交流電，在明視照度下即可進(jìn)行操作，所以非常方便在非實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行采集。
2對(duì)采集數(shù)據(jù)的預(yù)處理
采集到的原始數(shù)據(jù)是一個(gè)曲面幀集合，根據(jù)采集時(shí)間、幀速率的不同包含400~1500個(gè)曲面幀數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)合成一個(gè)完整的三維人臉圖像之前需要一系列的模型處理。主要包括：整體配準(zhǔn)、光順合成、補(bǔ)洞、小型對(duì)象過(guò)濾、簡(jiǎn)化網(wǎng)格以及紋理映射等步驟[7,10]。對(duì)于大部分一次性采集完成且自動(dòng)配準(zhǔn)較好的數(shù)據(jù)，使用上述自動(dòng)處理都能夠取得良好效果。但由于光照條件的細(xì)微變化、臉部皮膚的光滑程度不同，或者曲面結(jié)構(gòu)相互遮擋等因素，一些模型自動(dòng)處理的結(jié)果并不理想，如圖3左所示，自動(dòng)配準(zhǔn)造成了明顯的裂紋。這不但會(huì)影響視覺(jué)效果，還對(duì)后期的深入應(yīng)用造成干擾[11]。這就需要經(jīng)過(guò)人工干預(yù)配準(zhǔn)獲得理想的效果（見(jiàn)圖3右）。
人工干預(yù)配準(zhǔn)主要包括三個(gè)步驟：第一步要先找出自動(dòng)配準(zhǔn)不理想的幀或幀集合，將其選取移出成為新的幀集合。如圖4所示，計(jì)算機(jī)在自動(dòng)配準(zhǔn)掃描圖像時(shí)出現(xiàn)了較大的偏離（見(jiàn)圖4左），這就要對(duì)偏離的曲面進(jìn)行人工篩選，生成新的幀集合（見(jiàn)圖4右）。有的采集圖像可能包含多個(gè)曲面的圖像，分離出不止一個(gè)幀集合，可根據(jù)具體的采集結(jié)果分離出二個(gè)或二個(gè)以上的幀集合，每個(gè)幀集合應(yīng)保持在一個(gè)連續(xù)的曲面內(nèi)且互相包含重合區(qū)域。第二步是在分離出的幀集合之間進(jìn)行特征對(duì)齊，即在需要拼合的兩部分幀集合上標(biāo)記多個(gè)特征比較明顯的相同部位（同名點(diǎn)），例如眼角、嘴角、耳廓、鼻尖、鼻翼等部位（見(jiàn)圖5）。如果分離圖像沒(méi)有共同的明顯的特征，也可以通過(guò)人工交互移動(dòng)待配準(zhǔn)的幀集合與參考幀集合盡量對(duì)齊重合，其重合精度主要依賴人眼。第三步是自動(dòng)拼接網(wǎng)格。如果把“特征對(duì)齊”理解為對(duì)分離圖像的“粗拼”，那么“拼接網(wǎng)格”即是對(duì)分離圖像的“細(xì)拼”。在自動(dòng)拼接網(wǎng)格的基礎(chǔ)上再“允許圖像紋理拼接”，這樣就得出人工擬合后的三維圖像，后續(xù)可以重復(fù)整體配準(zhǔn)和光順合成的過(guò)程，達(dá)到更好的處理效果。另外，人工干預(yù)也可以通過(guò)刪除個(gè)別幀圖像以獲取較好的圖像質(zhì)量。例如圖6就是通過(guò)刪除單幀，來(lái)修補(bǔ)眨眼造成的閉眼圖像。
由于光照條件的變化或者掃描過(guò)程中偶然出現(xiàn)的不穩(wěn)定移動(dòng)，可能會(huì)對(duì)采集的三維人臉圖像質(zhì)量造成影響，自動(dòng)配準(zhǔn)和人工干預(yù)后仍由此可見(jiàn)會(huì)出現(xiàn)裂紋或者其他不理想的質(zhì)量問(wèn)題（約占5.3%）。這種情況下可以通過(guò)2D/3D擦除、修補(bǔ)和光滑處理來(lái)改善，但是應(yīng)盡量減少圖像插值的處理，以免改變或消除人臉面部皮膚的原始細(xì)節(jié)特征。除此之外，對(duì)三維圖像的編輯還包括坐標(biāo)變換、數(shù)據(jù)擦除、網(wǎng)格簡(jiǎn)化等，對(duì)紋理圖像的編輯包括亮度/對(duì)比度調(diào)整、色調(diào)、色飽和度以及圖像灰度校正等。使用的3D掃描儀的幀速率為7.5fps，采集一個(gè)樣本的平均耗時(shí)在80~110s之間。為了說(shuō)明采集幀數(shù)與圖像質(zhì)量的關(guān)系，記錄預(yù)處理過(guò)程中的部分?jǐn)?shù)據(jù)。按照“優(yōu)質(zhì)、良好、一般”將處理前后的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)為三個(gè)等級(jí)，并按照采集幀數(shù)分類得出以下數(shù)據(jù)關(guān)系。由此可見(jiàn)，采集圖像在500~700幀范圍內(nèi)的三維人臉圖像的質(zhì)量最好，需要人工干預(yù)處理的樣本數(shù)較少，平均處理的時(shí)間也較短。700~900幀的圖像需要較多的人工干預(yù)，但是預(yù)處理后也可以得到較高的圖像質(zhì)量。900幀以上的圖像采集質(zhì)量較一般，但是經(jīng)預(yù)處理后圖像質(zhì)量有較大幅度提高，只是處理耗時(shí)較長(zhǎng)。而500幀以下的圖像質(zhì)量在預(yù)處理前后都很難獲得高質(zhì)量的圖像效果。
作者：王俊娟 許磊 黎智輝 謝蘭遲 張寧 郭晶晶 單位：蚌埠市公安局 公安部物證鑒定中心