一种采用点云数据表示的人脸皱纹三维提取方法及其设备的制作方法
【专利摘要】一种采用点云数据表示的人脸皱纹三维提取方法，模拟人脸皱纹的生成过程，将皱纹区域视为光滑人脸曲面与凹陷皱纹纹理的叠加，采用点云数据表示的人脸皱纹作为研究对象，将光滑人脸面部的区域进行计算机“再造”，采用三阶样条曲面拟合法拟合光滑人脸面部区域，对三阶样条曲面拟合加以约束，将连续、光滑人脸区域拟合过程视为一正则问题的求解过程，采用拉普拉斯正则化方法进行迭代求解，得到人脸皱纹提取的初步结果，将人脸皱纹提取的初步结果ε0投影至X-Y平面，对投影图像做二值化与8邻域连通区域运算，将小于最大连通区域面积30％的连通区域视为噪声，将噪声对应点从ε0中去除，得到最终的人脸皱纹三维提取结果ε。
【专利说明】一种采用点云数据表示的人脸皱纹三维提取方法及其设备
【技术领域】
[0001] 本发明属于生物医学工程领域，具体涉及一种采用点云数据表示的人脸皱纹三维 提取方法及其设备。
【背景技术】
[0002] 皱纹是一种随着年龄的增长，逐渐出现在人体面部的重要特征。皱纹表征、皱纹评 价在众多领域具有重要的应用价值，其基础均在于皱纹数据的提取。
[0003]早期的皱纹提取方法采用硅胶倒模得到表面皮肤复制品（skinsurface replica，SSR)，以SSR为研究对象，以若干机械参数评估皱纹。由于挤压变形等原因，SSR与 真实皱纹之间必然存在差异，因此SSR方法只能作为皱纹的初步评价，误差较大。当前常用 的皱纹评价方法是采用皱纹评价量表来实现，其皱纹数据以二维图像数据为主，通过评价 人的主观视觉感知，来完成皱纹数据的"提取"，这种方法无法避免主观因素影响，且皱纹数 据无法完成存储等功能。20世纪80年代，ChernofT等采用激光测距方法进行了皱纹检测 的研究，但整个检测过程需逐点扫描，耗时较长，难以确保在整个测试过程中人体的绝对位 置。近年来随着计算机视觉与图像处理技术的快速发展，众多研究者分别采用基于二维图 像灰度、纹理处理的皱纹提取方法，但由于提取的皱纹特征受限于视野、光照、拍摄角度等 因素的影响，且由于皱纹本身为三维形态，因此这种方法的准确性与重复性尚有待提高。
【发明内容】
[0004]针对现有技术皱纹提取存在的问题，本发明提出了一种采用点云数据表示的人脸 皱纹三维提取方法及其设备，技术方案如下：
[0005]-种采用点云数据表示的人脸皱纹三维提取方法，其特征在于：基于面部骨骼的 稳定性，将面部轮廓在人类成长过程中视为基本稳定、连续、光滑的曲面结构，将皱纹视为 在人类成长过程中逐渐出现在面部的一种纹理特征，包括以下步骤：
[0006] 1)模拟人脸皱纹的生成过程，将皱纹区域视为光滑人脸曲面与凹陷皱纹纹理的叠 力口，采用点云数据表示的人脸皱纹作为研究对象，定义人脸皱纹区域为：
[0007]
【权利要求】
1. 一种采用点云数据表示的人脸皱纹三维提取方法，其特征在于：基于面部骨骼的稳 定性，将面部轮廓在人类成长过程中视为基本稳定、连续、光滑的曲面结构，将皱纹视为在 人类成长过程中逐渐出现在面部的一种纹理特征，包括以下步骤： 1) 模拟人脸皱纹的生成过程，将皱纹区域视为光滑人脸曲面与凹陷皱纹纹理的叠加， 采用点云数据表示的人脸皱纹作为研究对象，定义人脸皱纹区域为： z = z + f 其中，Z为一含有皱纹纹理的人脸面部区域，之表示连续、光滑的人脸面部区域，ε为 人脸面部中包含的皱纹纹理； 2) 将光滑人脸面部的区域进行计算机"再造"，与人脸面部区域相比，将皱纹视为人脸 面部区域上的加性噪声，将光滑人脸面部区域的计算机"再造"问题转化为连续、光滑曲面 拟合问题；采用三阶样条曲面拟合法拟合光滑人脸面部区域，拟合问题采用线性函数表示 为： Z = AT (1) 其中，光滑人脸面部区域2在X方向有ηχ个点，在Y方向有ny个点，光滑人脸面部区域Z的长度为nxXηγ ;乏、A与
T的具体形式表示如下： 其中，Bi为样条插值求解的参数，Xi与yi为点云数据中一点的X与Y方向的坐标值，式 为最终求解得到的光滑人脸面部区域的Z方向的坐标值； 3) 对三阶样条曲面拟合加以约束，基于人脸区域的连续与光滑特性，对公式（1)中描 述的曲面参数加以一阶导数相等的约束，即： BT=O(2) 其中，B表示采用相邻点得到二阶差分； 4) 将连续、光滑人脸区域拟合过程视为一正则问题的求解过程，采用拉普拉斯正则化 方法进行迭代求解，将式（1)与（2)代入式（3)中： (AT-!)2 +l\BTf (3) 其中，λ为迭代参数，初始化λ= 1，求解某一次的拟合结果为Zi,i为大于O的整数， Ztl表示原始含有皱纹的曲面，即Ztl =Z，则Ztl中的值即为原始含有皱纹的人脸区域的点云 中一点的Z方向的坐标值；通过计算Zi与前一次迭代结果Zg的残差，以阈值法确定迭代 结束的时刻，若残差超过设定阈值，则增加λ并重新计算式（3)，直到残差小于阈值；其中， 阈值越小则迭代次数越多，耗时越长，相邻两次计算结果Zi间的残差越小，确定阈值需综合 考虑迭代效果与时间代价； 5) 将表示连续、光滑的人脸面部区域乏与含有皱纹纹理的人脸面部区域Z相减，得到 人脸皱纹提取的初步结果，即^。=2-之； 6) 将人脸皱纹提取的初步结果^投影至X-Y平面，对投影图像做二值化与8邻域连 通区域运算，将小于最大连通区域面积30%的连通区域视为噪声，将噪声对应点从ε^中去 除，得到最终的人脸皱纹三维提取结果ε。
2.根据权利要求1所述采用点云数据表示的人脸皱纹三维提取方法的设备，其特征在 于：包括两台相同型号的工业CCD相机、一台数字光投影仪DLP、一台计算机以及数据传输 线路和控制线路，两台CCD相机分左右固定在三角支架上，数字光投影仪DLP置于两台CCD 相机中间，两台CCD相机和一台数字光投影仪DLP均通过数据传输线路和控制线路与计算 机连接，将两台C⑶相机和一台数字光投影仪DLP固定在底座和三脚架上，置于一无光的暗 室中，被测者居于投影仪投射方向上焦距距离前后位置，使投影图像可清晰显示于被测者 面部的待测皱纹区域；被测者身后放置一张以黑色为底色的挂布，启动计算机控制程序控 制投影仪DLP向被测者投射13幅不同频率的数字光栅图像，并通过左右两台CCD相机实时 采集被投影后的被测者图像，完成采集后，将采集的图像输入到配套的计算机程序中，通过 计算得到最终的人脸皱纹形貌数据与相关信息。
【文档编号】G06T7/00GK104318234SQ201410573296
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月23日 优先权日:2014年10月23日
【发明者】周平, 袁骏杰, 于云雷 申请人:东南大学