一种人脸线条画的自动绘制系统的制作方法

本发明属于艺术制作领域，特别涉及一种人脸线条画的自动绘制系统。

背景技术：

现有技术中，利用机器人绘制人脸肖像画，基本过程都是通过相机采集人脸图像，通过边缘检测算法提取人脸轮廓，然后将提取出来的轮廓经过轨迹规划算法生成相应的矢量点图发送给工业机器人控制器，再完成机器人对人脸肖像画的绘制。而目前德国卡尔斯鲁厄市艺术和媒体技术中心机器人实验室已经利用六轴机械臂完成对人像肖像画的自动绘制，但该方法对外界光线的要求非常高，而且绘制的人脸肖像画仅包含人脸信息，不包含其他与被绘制人相关的信息。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

基于以上问题，本发明提出一种人脸线条画的自动绘制系统，用于解决现有技术中对光线要求高，仅包含人脸不包含与人脸相对应文字的问题。

(二)技术方案

本发明提出一种人脸线条画的自动绘制系统，以便在普通光照环境下能够控制机器人完成对采集的人脸线条画的绘制，并在绘制完成的人脸线条画上完成艺术字的绘制。

一种人脸线条画的自动绘制系统，包括数据处理控制模块和机器人绘制模块，其中：

数据处理控制模块，用于从包含人脸的图像中提取人脸图像，并将人脸图像转换成人脸线条画，还用于接收输入的与人脸相对应的文字并将其转换成艺术字；

机器人绘制模块，与所述数据处理模块相连接，用于在数据处理控制模块的控制下对所述人脸线条画和艺术字进行绘制。

进一步地，人脸线条画的自动绘制系统还包括图像采集模块，用于采集包含人脸的图像。

进一步地，图像采集模块为普通相机、工业相机、可见光摄像头和近红外摄像头中任一种。

进一步地，数据处理控制模块包括：

图像检测模块：用于检测并提取所述图像采集模块采集的人脸图像；

线条画生成模块：用于将所述图像检测模块提取的人脸图像转换成人脸线条画；还用于接收外部输入设备输入的文字，并将所述文字转换成艺术字；

机器人控制模块：用于控制所述机器人绘制模块的绘制。

进一步地，图像检测模块在人脸图像检测时对图像中的单个人脸或多个人脸进行检测。

进一步地，将所述文字转换成艺术字为先将文字转换成艺术字图像，再将艺术字图像转换成艺术字线条画。

进一步地，所述线条画生成模块对人脸图像和艺术字图像的转换为采用线条提取算法将图像转换为线条画。

进一步地，所述线条提取算法直接将图像转换为线条画，或将图像经过图像算法处理后转换为线条画。

进一步地，所述线条画生成模块还用于对人脸线条画和艺术字线条画进行编码。

进一步地，所述人脸线条画和艺术字线条画的编码为矢量图和坐标点图中的任一种，以机器人能够接收并解析的编码为标准。

进一步地，所述机器人控制模块，还用于接收和解码人脸线条画和艺术字线条画的编码，并根据解码信息控制所述机器人绘制模块。

进一步地，所述机器人绘制模块为多轴机械臂或智能机器人。

进一步地，所述机器人绘制模块根据需要安装不同类型的画笔和配置不同尺寸的图纸。

(三)有益效果

本发明具有以下有益效果：

1、本发明提出的人脸线条画的自动绘制系统，在普通光照环境下即可控制机器人完成对采集的人脸线条画的绘制。

2、本发明提出的人脸线条画的自动绘制系统，采用线条画提取算法完成人脸线条画和艺术字线条画的转换，从而使得绘制的人脸线条画清晰且边缘连续；并能够同时完成与被绘制人相对应艺术字的绘制。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种人脸线条画的自动绘制系统的构成示意图；

图2为本发明提供的一种人脸线条画的自动绘制系统各部分的连接示意图；

图3为本发明实施例提供的人脸线条画效果图；

图4为本发明实施例提供的艺术字效果图；

图5为本发明实施例提供的机器人完成的人脸线条画和艺术字效果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

应当指出，本部分中对具体结构的描述及描述顺序仅是对具体实施例的说明，不应视为对本发明的保护范围有任何限制作用。此外，在不冲突的情形下，本部分中的实施例以及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明提供了一种人脸线条画的自动绘制系统。其构成示意图如图1所示，该自动绘制系统包括数据处理控制模块和机器人绘制模块，其中：

数据处理控制模块，用于从包含人脸的图像中提取人脸图像，并将人脸图像转换成人脸线条画，还用于接收输入的与人脸相对应的文字并将其转换成艺术字；

机器人绘制模块，与所述数据处理模块相连接，用于在数据处理控制模块的控制下对所述人脸线条画和艺术字进行绘制。

进一步地，人脸线条画的自动绘制系统还包括图像采集模块，用于采集包含人脸的图像。图像采集模块为普通相机、工业相机、可见光摄像头和近红外摄像头中任一种，以满足在普通光照环境下采集的图像能保证人脸检测模块能检测到清晰人脸为标准。

其中数据处理控制模块包括：

图像检测模块：用于检测并提取所述图像采集模块采集的人脸图像；

线条画生成模块：用于将所述图像检测模块提取的人脸图像转换成人脸线条画；还用于接收外部输入设备输入的文字，并将所述文字转换成艺术字。

机器人控制模块：用于控制所述机器人绘制模块的绘制。

其中图像检测模块在人脸图像检测时对图像中的单个人脸或多个人脸进行检测。提取人脸图像为从原图像中经过检测算法检测出人脸之后所截取的包含头发、人脸、双耳及颈部的图像，降低了对图像采集环境的要求。其中图像检测模块在人脸图像检测时，优先检测图像中离图像采集装置最近的人脸，通过设置不同的参数，也可实现多人脸检测。

其中线条画生成模块的将所述文字转换成艺术字为先将文字转换成艺术字图像，再将艺术字图像转换成艺术字线条画。对人脸图像和艺术字图像的转换为采用线条提取算法将人脸图像和艺术字图像转换为人脸图像线条画和艺术字线条画。线条提取算法直接将人脸图像和艺术字图像转换为人脸线条画和艺术字线条画，或将人脸图像和艺术字图像经过图像算法处理后转换为人脸线条画和艺术字线条画。线条画生成模块还用于对人脸线条画和艺术字线条画进行编码，其编码为矢量图和坐标点图中的任一种，以机器人能够接收并解析的编码为标准。

其中，机器人控制模块还用于接收和解码人脸线条画和艺术字线条画的编码，并根据解码信息控制所述机器人绘制模块。

进一步地，所述机器人绘制模块为多轴机械臂或智能机器人。机器人绘制模块根据需要安装不同类型的画笔和配置不同尺寸的图纸。

本发明提出的人脸线条画的自动绘制系统各部分的连接示意图如图2所示，数据处理控制模块2与图像采集模块1连接，用于检测图像采集模块1采集的包含人脸的图像，并提取其中的人脸图像。数据处理控制模块2还与机器人绘制模块3相连接，用于控制机器人绘制模块3完成人脸线条画和艺术字线条画的绘制。

实施例

如图1所示，本实施例提出一种人脸线条画的自动绘制系统，包括图像采集装置、数据处理控制装置和机器人绘制装置，各装置间的连接关系如图2所示，其中：

图像采集模块，用于采集位于本模块前方的图像；

数据处理控制模块，包括三个模块：图像检测模块，用于采集并提取图像采集模块采集的包含人脸的图像；线条画生成模块，用于将图像检测模块提取的人脸图像转换成人脸线条画，还用于接收外部输入设备输入的文字，并将所述文字转换成艺术字图像，再将艺术字图像转换成艺术字线条画；还用于对人脸线条画和艺术字进行编码；机器人控制模块，用于接收和解码人脸线条画和艺术字线条画的编码，并根据解码信息控制机器人绘制模块的绘制。

机器人绘制模块，根据机器人控制模块的控制对所生成的人脸线条画进行绘制，并在最后进行艺术字线条画的绘制。

以下分别对本实施例提出的人脸线条画的自动绘制系统的各个装置进行详细说明。

本实施例中，采用分辨率为640×480像素的可见光摄像头作为图像采集模块。利用图像采集模块采集一张图像，并通过外界键盘输入与被绘制人相对应的文字，本实施例的文字以被绘制人的姓名为例。

本实施例中，选用一款六轴机械臂作为机器人绘制装置。1、2轴的最大速度为337.5°/s，3轴的最大速度为324°/s，4轴的最大速度为440°/s，5、6轴的最大速度为450°/s；重复定位精度为±0.04mm；1轴的最大运动范围为±155deg，2轴的最大运动范围为+135～-35deg，3轴的最大运动范围为+200～-35deg，4轴的最大运动范围为±200deg，5轴的最大运动范围为±115deg，6轴的最大运动范围为±359deg；工作温度为0～40℃，工作湿度为20％～80％，无结露。在此六轴机械臂上安装有素描笔，配置A4大小的绘图纸。

本实施例所述系统的工作流程如下：

S1、对从图像采集模块采集的图像进行图像预处理：灰度图转换、图像去噪、均衡化等，然后利用NPD人脸检测算法从预处理后的图像中检测人脸，预设仅检测一个人脸，并提取出该检测到的人脸图像。

S2、对提取出来的人脸图像经过线条画生成算法生成线条画，实施例提取的人脸线条画的效果图如图3所示。

S3、对输入的姓名用预设的艺术形式产生对应形式的艺术签名图像，实施例的艺术字效果图如图4所示，再将艺术签名图像转换成艺术字线条画。

此处需要说明的是，人脸线条画和艺术字线条画都为黑白二值图像。

S4、对人脸线条画和艺术字线条画进行矢量点的转换，将图像转换为坐标点文件，并将该文件发送给机器人控制模块。

S5、机器人控制模块解码坐标点文件，并控制六轴机械臂首先完成人脸线条画的绘制，并在最后完成对艺术签名的绘制，实施效果图如图5所不。

进一步地，其中人脸线条画的生成，采用线条画生成算法的直接转换方法，将提取得到的人脸图像经过灰度转换之后进行，在灰度图像中，利用ETF算法来进行线条画的生成。ETF的方法步骤如下：

S2.1、首先对灰度图像利用Sobel算子生成梯度图；

S2.2、针对梯度图求与梯度方向垂直的边缘切向图；

S2.3、在t⁰(x)中按照如下公式进行2～3次的迭代：

式中，Ω(x)为x的邻域，k为邻域数目，r为邻域半径；

w_s(x，y)为空间权重，通过如下公式计算：

w_m(x，y)为梯度权重，通过如下公式计算：

式中，g(z)代表z处的梯度大小，该梯度大小经过归一化。

w_d(x，y)为方向权重，通过如下公式计算：

w_d(x，y)＝|t^cur(x)·t^cur(y)|

式中，t(z)代表z处的经过归一化的切向量，且

经过2～3次的迭代之后，最终得到经过优化的边缘切向图。

S2.4、利用FDoG算法对最终得到的边缘切向图计算其连续线条画。FDoG的方法如下：

根据前面得到的边缘切向图，用c_x(s)表示以x为中心的积分曲线，s是弧长，由于x为曲线的中心点，则满足c_x(0)＝x。沿着曲线c_x移动，在曲线上的每一点都有与c_x垂直的线l_s，在l_s上应用一个一维滤波器f，滤波框架用下面公式计算：

其中，l_s(t)代表了l_s线段上的t点，假设l_s以c_x(s)为中心，则l_s(0)＝c_x(s)，I(l_s(t))表示在l_s(t)点上的输入图像值。式中的滤波器f，应用一个基于高斯差分的滤波，如下式：

式中，G_σ表示方差为σ的高斯函数，如下式：

式中σ_s＝1.6σ_c，因此，一旦给定了σ_c，即可确定σ_S。

F(s)沿着c_x累加：

用户给定的σ_m决定了S的大小，一旦确定了H(x)，利用下式来确定黑白的图像线条画：

式中，τ是范围为[0，1]的阈值，为最终输出图像。

通过以上步骤最终得到人脸的连续线条画。

将输入的与人脸图像相对应的文字首先采用艺术字转换算法将文字转换为艺术字图像，之后用生成人脸图像线条画的方法将艺术字图像转换成艺术字线条画。

需要说明的是，本发明提出的基于机器人的人脸线条画的自动绘制系统，不仅可用于所述的人脸线条画的绘制，也可用于其他线条画的绘制。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。