基于二维图像的三维人脸重建的应用研究

姜柏军

（浙江商业职业技术学院 浙江 杭州 310053）

摘 要：本文运用算法合成的方法，对于给定的二维人脸图像，重建成3D人脸的方法进行了论述。结果表明，目前重建3D人脸的算法研究方法很多也比较成熟，也出现了有实用价值的应用，但在现实生活中的应用推广还是较少。如何利用这些人脸识别的算法生成的三维人脸，在人们日常生活中进行有效的推广与应用，文中阐述了3D人脸重建的过程，引申了应用于发型辅助设计中，具有非常好的应用价值。

关键词：二维图像；人脸识别；人脸重建；发型设计

0 前言

从人脸重建研究以来，对于人脸重建的方法和应用一直得到人们的广泛关注。人脸是一个复杂的几何形状和肤色材质。全世界所有人的脸都各不相同，也为通过算法建模生成到计算机中的三维人脸带来了困难。尤其是建立一个通用的人脸库，工作量巨大。人脸是个非刚体，每个人脸识别都要用一套算法去处理。人脸数据库计算量非常庞大，对于人脸非刚体的识别计算量相应的数量级增加。

1 研究对象与方法

本文的研究方法，通过一个高清的CCD与计算机相连，拍摄一张正面图像和侧面图像输入到计算机里。为了便于二维图像的处理、识别与预处理。本文使用以下方法。

（1）规范化[1]人脸图像，给定特定人脸的三幅图像，正面和左右侧。缩放图像，裁剪图像，统一标准，归一化[2]。

（2）一般人脸模型的整体调整。借助于造型软件导出三维多边形网格模型[3]。

（3）人脸三维特征关键点的获取方法。整个识别过程包括人脸相似度[4]计算、人脸轮廓提取、人脸定位、人脸内部轮廓提取、眼睛定位、鼻子定位、嘴定位、眉毛定位、耳朵定位、下巴定位等。为了进行人脸检测，采用基于肤色法进行人脸识别，为了精确识别，将人脸图像进行颜色空间映射，再建立肤色模型获得相似度矩阵，最后归一化。对确认的人脸区域，进行区域扩充，形成包含全部头部的区域A。然后在区域A中用多阈值进行二值化合并得到二值图像B。在得到的二值图像B中，用区域标号算法对不同的“黑”连通区域进行标号化，用预设的面积阈值过滤由于噪声造成的小的孤立连通區[5]。通过眼睛的垂直位置，剖面分析获得的鼻子、嘴、下巴，可以限制面部特征提取这个矩形窗口。每个区域的位置和大小是确定的基础上的垂直位置和面部特征的典型大小。

2 人脸重建的意义

研究人脸重建的应用在理论知识和算法技术上都有重要的意义：一是收集和丰富人脸库；二是推进对人类视觉系统的进一步认识；三是可以满足人工智能和机器视觉的需要。采用人脸识别技术，建立三维人脸模型生成三维人脸。当前人脸重建在安防系列产品中的使用最为常见，伴随着技术的不断更新和发展，利用计算机实现对三维人脸重建应用会越来越广，产生的价值也会随之增加。

3 结果与分析

3.1 人脸重建的现状

国内研究起步相对较晚，自上个世纪90年代末才开始研究人脸建模和动画，并实现了一些人脸建模和动画系统。国内的院校和研究机构有：中国科学院计算所、哈尔滨工业大学、浙江大学、中国科技大学、上海交通大学等。国内目前仍然处于理论研究、初步实践和开发的阶段，中国也在建造属于中国人的人脸数据库。虽然国内人脸重建起步比较晚，但是也取得了一些成就。中国现在大多为理论研究算法，真正实现应用于产品涉及的较少，通过理论研究，通过建立的高效算法实现有应用价值的系统是目前的一块空白。

3.2 人脸重建的基础研究不足

目前人脸重建研究在停留在实验室、基础算法的研究相对薄弱，，因为这个领域的门槛比较高。尤其是人脸数据库的收集，要建立一种通用的模型，需要有更多的人脸素材加入到这个素材库，才能建立一个合理的模型，这样人脸匹配的精确度更高，关键是将二维转换成三维的时候特征点的对应。

3.3 人脸重建的算法效率不高

人脸重建涉及到图像领域的处理，当前由于数码设备的硬件的参数不断提到，拍摄的照片像素越来越多，一张高清的照片容量是几M到几十M之间。计算机在处理的图像过程中，需要调入内存，图片越大，算法对于内存的管理是非常重要的，计算机算法对于图像数据的处理，内存的分配使用，起着关键的作用。

3.4 应用需要进一步推广

（1）影视游戏 使用计算机软硬件生成更逼真生动的人脸是影视以及游戏设计开发人员需解决的一个重要问题，如好莱坞的几部动画大片《狮子王》、《汽车总动员》等，都是利用人物表情技术与人脸重建技术的结合，在立体场景中构造虚拟人物，带来逼真栩栩如生的视觉效果。

（2）医学 计算机图形学在医学领域有着广泛的应用，利用三维人脸重建和动画技术可以对头颅进行虚拟手术及人脸外科手术的仿真模拟，根据模拟可以制订详细准确的手术方案，以降低手术风险，提高成功率。

（3）安防 近几年，安防工作的地位逐渐突出，人脸重建在人脸识别技术的基础上，利用人的面部图像特征重建成真实人脸，与真实人脸比对，判断人员身份，使人更容易判断，提高准确性。

（4）辅助设计 当前，随着人们生活水平的提高和计算机技术的普及，计算机技术应用到人的生活越来越紧密。当一个人要去做发型时，先拍摄两张二维照片，在电脑里重建成三维人脸。头发也通过软件在电脑里虚拟生成，按照人的要求由发型师在电脑里辅助设计，客户选自己喜欢的发型继而决定真实的设计发型。这样的虚拟设计既可以减少浪费，又能设计客户满意的发型。

4 建议

本文探讨的人脸识别与重建的算法过程，能借助于这些成熟的算法和技术在发型辅助设计领域进行推广与应用。在现有研究的基础上，将研究过程中的方法、思路、经验发表成论文，同时通过论文与其他研究人员交流，专门将人脸重建项目发展成一个行业性的开源项目。与国内做的成功研究所、高校展开理论研究合作，且不断的完善开发的应用软件，通过数据比对来提高准确度。通过互联网平台，积极探索行业里需要用到人脸重建的应用方向，展开深度合作与开发，借助于这个人脸库、软件模块开发实用的行业软件。

参考文献

[1] 杨家红，史超，王耀南.基于规范化KDDA的人脸识别算法[J].计算机工程与应用：2007（43）.

[2] 薛迎春.基于图像矩的图像归一化的设计与实现[J].数字技术与应用：2013（4）.

[3] 宋师.真实感人脸网格模型的纹理映射研究[D].武汉理工大学：2012：11-11.

[4] 张凯. 基于相似度空间寻优的开集人脸识别方法[J].微型电脑应用：2010（26）.

[5] 郑强.基于颜色特征的图像检索模型[D].西南大学硕士学位论文：2010：20-22.