三維立體人像數(shù)字?jǐn)z影系統(tǒng)

文/紫光股份有限公司技術(shù)研發(fā)部部長(zhǎng)  高 宏

        一、二維數(shù)字人像輸入系統(tǒng)

        三維立體人像數(shù)字?jǐn)z影系統(tǒng)由二維數(shù)字人像輸入系統(tǒng)、三維數(shù)字人像處理系統(tǒng)和三維數(shù)字人像輸出系統(tǒng)三部分組成（圖1）。
        圖1 三維立體人像數(shù)字?jǐn)z影系統(tǒng)
        二維數(shù)字人像輸入計(jì)算機(jī)的方式有兩種：一是利用數(shù)碼相機(jī)直接拍攝，將二維數(shù)字影像文件轉(zhuǎn)存到計(jì)算機(jī)中；二是利用平板掃描儀逐點(diǎn)掃描照片或圖片，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字影像后輸入到計(jì)算機(jī)中。

        二、三維數(shù)字人像處理系統(tǒng)

        由于人臉及其五官具有一定的軸對(duì)稱性等，因此我們可利用三視圖原理和正、側(cè)面照片的正交性，從二維照片中提取出被拍攝人物的三維幾何模型。
        被拍攝人物表面上同一空間點(diǎn)在正、側(cè)面照片上的投影點(diǎn)的亮度值并不完全相同，而且具有相同亮度值的圖像點(diǎn)未必是空間同一點(diǎn)的投影，因此對(duì)正、側(cè)面照片上的同一點(diǎn)進(jìn)行精確定位是十分困難的。三維人像數(shù)字?jǐn)z影系統(tǒng)中“三維人像圖像處理軟件”首先利用人像識(shí)別技術(shù)對(duì)被拍攝人物特征點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別和定位，然后利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)分析被拍攝人物表面上每一點(diǎn)在正、側(cè)面照片上成像點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可從正面照片獲取人臉表面上任意一點(diǎn)的寬度（X）和高度（Y）坐標(biāo)值，從側(cè)面照片獲取相應(yīng)點(diǎn)的深度（Z）坐標(biāo)值，最后根據(jù)所有成像點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)值，就可建立被拍攝人物的三維幾何模型。
        三維幾何模型只表示被拍攝人物表面的三維幾何形狀，但缺乏表面細(xì)節(jié)特征，沒(méi)有真實(shí)感，在實(shí)際應(yīng)用中無(wú)法滿足實(shí)際需要。為了使生成的三維人像模型體現(xiàn)更多的面部細(xì)節(jié)特征，達(dá)到與照片一樣的逼真程度，“三維人像圖像處理軟件”還要將正面、側(cè)面照片無(wú)縫拼接為一張與視點(diǎn)無(wú)關(guān)的紋理圖像，然后再映射到三維幾何模型上，將豐富的紋理細(xì)節(jié)疊加到模型表面上，最終獲得具有真實(shí)感的三維立體人像模型。
        由于正、側(cè)面照片的光照條件和拍攝角度不同，拼接起來(lái)的貼圖有明顯的裂縫。為了消除裂縫，采用多分辨率樣條技術(shù)（圖像金字塔法）消去正面和側(cè)面圖像之間的裂痕。從正、側(cè)面照片融合出的紋理圖像是二維平面的，而人臉模型是三維立體的，所以紋理圖像的象素范圍與人臉模型的像素范圍通常不能很好地吻合。為獲得較好的貼圖質(zhì)量，采用插值方法來(lái)計(jì)算人臉模型的像素顏色，可較好地實(shí)現(xiàn)紋理縮放和紋理重復(fù)。

        三、三維數(shù)字人像輸出系統(tǒng)

        三維數(shù)字人像輸出系統(tǒng)使用激光內(nèi)雕機(jī)作為三維影像輸出設(shè)備。激光內(nèi)雕機(jī)將脈沖強(qiáng)激光在水晶內(nèi)部聚焦，產(chǎn)生微米級(jí)大小的汽化爆裂點(diǎn)，形成不透明的微小缺陷，猶如激光束在水晶內(nèi)部“打印”出一個(gè)微小點(diǎn)。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制爆裂點(diǎn)在水晶體內(nèi)部的空間位置，可將三維立體人像栩栩如生地“打印”到水晶內(nèi)部空間，形成與黑白照片類(lèi)似的三維實(shí)體影像。
        激光內(nèi)雕機(jī)是一種與激光打印機(jī)類(lèi)似的二值點(diǎn)陣輸出設(shè)備，輸出的點(diǎn)只能是開(kāi)或關(guān)兩種狀態(tài)，每個(gè)打印點(diǎn)只有有色或無(wú)色兩種狀態(tài)，而沒(méi)有深淺濃淡之分?！叭S人像圖像處理軟件”采用半色調(diào)技術(shù)，利用視覺(jué)對(duì)視頻信號(hào)的帶通特性，將連續(xù)色調(diào)的紋理貼圖灰度圖像進(jìn)行空間調(diào)制，使得在小面積內(nèi)分布的像素灰度被綜合為該面積的灰度，通過(guò)激光內(nèi)雕機(jī)輸出，形成一個(gè)在視覺(jué)觀察效果上近似于原圖像的二值圖像，可達(dá)到300DPI的空間分辨率。
        圖2為從網(wǎng)絡(luò)下載實(shí)驗(yàn)用的正、側(cè)面照片，圖3為“三維人像圖像處理軟件”生成的DXF格式點(diǎn)云加工文件圖像，圖4為激光內(nèi)雕機(jī)輸出的180°三維立體人像。
        三維立體影像使用人造水晶作為打印記錄載體，克服了傳統(tǒng)相紙不能長(zhǎng)期保存、受潮褪色、見(jiàn)光發(fā)黃、藝術(shù)表現(xiàn)效果單一等缺陷。人造水晶具有玲瓏剔透、高貴典雅、質(zhì)地堅(jiān)硬、恒久不變等優(yōu)點(diǎn)，其鉆石般璀璨的光芒既能給人以高貴神秘和耀眼奪目的感覺(jué)，又充滿了浪漫的感情和無(wú)限的生命力，是愛(ài)情純潔堅(jiān)貞的象征，寄托著人類(lèi)對(duì)純真感情和美好生活的想往，因此水晶記錄載體表達(dá)的思想內(nèi)涵遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了金銀、玉石、木頭、紙張等藝術(shù)記錄載體，同時(shí)也成為傳遞人與人之間的情感載體。
        三維立體人像數(shù)字?jǐn)z影系統(tǒng)利用數(shù)碼相機(jī)和圖像處理軟件進(jìn)行三維成像，將人生精彩時(shí)刻以三維立體形式永久駐留在水晶內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代科學(xué)與傳統(tǒng)藝術(shù)的完美結(jié)合，滿足人們對(duì)三維人像的影像記錄和傳播需求。水晶三維立體人像不僅能給人們帶來(lái)全新的視覺(jué)享受，而且能表達(dá)并傳遞人與人之間的的真摯情感，因此具有很高的審美價(jià)值和收藏價(jià)值，可用于生日和節(jié)慶留影紀(jì)念、饋贈(zèng)親朋好友的個(gè)性化工藝禮品、旅游紀(jì)念品、個(gè)性飾品、吉祥佩飾、家居飾品、榮譽(yù)獎(jiǎng)品、辦公室裝飾品等。