光柵式雙目技術在3D照相技術中的應用研究

鄧慧 趙鵬 孫桐

摘 要：3D照相主要是由三維人像建模與3D打印兩大部分構成。模型精度會從根本上對打印質量產生決定性作用。借助光柵雙目三維掃描儀得到三維數據，獲取具備較高高精度的人像模型。頭發部分很難通過掃描的方式獲取到，只有通過完善發型模板庫，同時借助掃描數據以及發型數據相結合的方式，最終獲取全部的人像模型。高效運用熔融沉積技術開展3D打印工作，最終獲取到塑料3D人像。實驗中通過對上述方法所獲取的塑料人頭與真實人頭進行多方位的比對，所得到的最終結果表明，兩者之間差距較小。

關鍵詞：光柵式；雙目技術；3D照相技術

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.136

0 引言

在科學技術飛速發展的今天，人類對于可以科技的依賴性和要求都在隨之不斷上升。在這樣的社會背景之下，3D人像打印技術慢慢進入了人類生活。在很早之前，我國就出現過類似于“泥人張”這類的手工人像技術，但是3D人像打印作為一種新興的高科技技術，同傳統技藝相比不僅具備更高的精度，還有更短的周期。

1 基于光柵測量的人像建模

光柵投影到人體主要通過調制的方式來最終獲取變形光柵，專門增設兩臺攝像機，分別在其正面以及左右兩個側面和背面等位置來共同進行數據采集工作，待采集工作全部完成之后，將所得到的數據全部輸送到計算機內部，最終借助計算機以及相關數據獲取相關的人體特征點數據。把人體數據和發型數據兩者有效組合起來，并對組合后的數據開展一定的修補和封裝工作，通過這樣的方式來得到全面的三維人像模型。

現階段，由于所輸入的數據存在著各種差異，人像建模通常情況下能夠被劃分為下列兩類：第一種方法是，借助輸入圖像來從新重新創建三維模型。與之相關的軟件主要包括：facegen﹑candide﹑agisoft等，這些軟件的使用前提就是精度要求較低。另一種方法為，借助三維掃描儀直接對人體進行全方位掃描，快速獲取相關的三維點云數據。上世紀九十年代，位于大洋彼岸的麻省理工學院誕生研究出了轟動世界的3D打印技術，這類技術是由多種多樣的不同技術共同組成的，比如說，石膏3D打印﹑熔融沉積技術﹑光固化成型技術?，F階段，存在著更為廣泛的用途的技術就是熔融沉積技術。借助3Dmax軟件完善發型庫。把人體數據和發型數據兩者有效組合起來，并對組合后的數據開展一定的修補和封裝工作，通過這樣的方式來得到全面的三維人像模型。

2 光柵式雙目掃描計算原理

光柵式雙目掃描計算原理是，第一步是借助測量系統進行相關的標定，通過標定工作獲取準確的光柵式雙目系統參數。借助某些具體的算法求出變形光柵的分布情況，獲取絕對相位；最終回到雙目視覺的基本原理上來，就能夠很容易看出被測物體準確的三維點云坐標。

2.1 發型庫

近些年來，在對人類頭發進行掃描時，往往需要借助紅外掃描儀來完成，但依然達不到預期效果。通過間接法的形式來完成對人物發型的創建工作，盡快建立健全相關的發型庫，在獲得了人體模型以后，能夠充分尊重顧客的個人意愿，選取最佳的發型，通俗來講就是借助發型移植法，把具體的人體模型不經任何轉變的引入3Dmax等環境之中，充分發揮手繪板等工具的實際作用，爭取在第一時間重建頭發，上述步驟在實際造作過程中要求操作者具備一定的繪畫能力，具備較大的難度。

2.2 數據拼接

對于那些通過三維掃描的方式所獲取的人體臉以及身體等不同面點的云數據，應當盡快開展拼接﹑封裝等工作，以便于盡快獲取人體模型。光柵掃描系統在實際工作過程中，很容易就會受到來自于各方面因素的干擾，最終獲取的數據往往也會帶有一定程度的雜音或者多余數據。為了科學有效地解決這一問題，多數情況下都會在點云階段，僅僅只對孤點數據采取一定的清理措施。在進行數據拼接的過程中往往會用到手動拼接和自動拼接這兩大類方式。通過手動的形式找到兩組點云相似度最大的點（點數應當不小于或等于3），在獲取了最科學有效的變換矩陣之后，緊接著進行全部點云的組接工作。隨后在對其開展自動拼接，幫助點云進行更好的對齊。第一，在開展測量工作的過程中，人臉兩鬢﹑耳蝸等重要位置的實際數據，會時刻受到頭發的影響，最終所獲取的數據很難做到準確無誤。因此，在測量工作全部完成之后，還需要對其進行一定的修補工作。第二，在對掃描數據和發型數據兩者進行組接的過程中，為了達到高效匹配人像的目的。應當在第一時間對兩者的數據采取一定的比例縮放。第三，借助特征點對齊技術，科學有效地完成發型點云數據和人像點云數據兩者進行組接。第四，對于那些已經拼齊的點云，開展下一步的封裝﹑簡化﹑降噪等工作。

3 光柵式雙目三維視覺系統

3.1 工作原理

搭建的光柵式雙目三維視覺系統工作原理圖。包括左右兩個三維掃描儀相機（分辨率1028*1024），計算機（顯卡內存1GB），三腳架，云臺和高精度平面標定靶標等。三腳架用以穩定并調節高度，云臺用以調節俯仰、傾斜和旋轉角度，以保證掃描儀的光柵投射方向與地面垂直。

3.2 系統的標定和調節

對光柵式雙目三維視覺系統進行標定的過程就是求解上述左右相機的屬性參數和相對位置的過程，由于有相機的移動和模型的大小、深度等變化，標定過程需要反復進行，從而確定空間坐標物點和圖像平面像點之間的對應關系。

標定的平面點靶標尺寸為150mm×200mm，標志行列矩陣為14×17，圓形的直徑為4mm，用以判定方位的空心圓大徑和小徑分別為15mm和9mm，點與點沿長度方向和高度方向的距離為11.54mm和12.5mm，標志點在數據處理過程中有特定唯一編號，范圍為1～238?？烧{節光柵條紋寬度范圍為0～12mm，根據臉部模型尺寸設置為1。相機曝光時間用以調節圖像亮度，增益則調節圖像對比度和清晰度，左右相機參數設置自動同步。

4 臉部數據處理

4.1 臉部掃描

臉部三維信息的獲取實質是以非接觸測量的方式準確快速地采集到其處于空間位姿的數據。為了保證臉部的準確形態和便于模型重構，采用油泥模型替代臉部實體。利用光柵式雙目三維視覺系統中3DScan軟件對某一臉部投射一系列光柵進行掃描，為有效排除背景噪聲等干擾，設定以標定基準面為上下的空間范圍-150～200mm。標志點是隨機粘貼在臉部表面的易識別的點，不同掃描圖像之間的自動拼接是通過標志點的識別和匹配來進行的，每次掃描后標志點被識別并給予唯一編號，公共標志點則表示在不同的掃描圖像中有相同編號。

4.2 數據編輯

掃描臉部模型后解算出的各個點的數據為三維空間坐標，整體集合稱為點云（point—clouds）。為盡可能地完整復現臉部的原貌，共拍攝6幅圖像，每幅圖像采集約180萬的點云數據。對于獲取的模型數據編輯主要分為點云編輯和標志點編輯。由于點云數據量直接影響后期的運算量，加上采集傳感器、背景噪聲等不可避免的外界因素，用編輯手段以剔除原始點云數據內的孤立點、無效點和錯誤點、無效區域和多余區域等。

4.3 優化拼接

由于拼接過程中存在測量誤差、擬合誤差及坐標轉換誤差，部分相同編號的標志點相對位置也不可能完全一致；而且在相鄰的掃描點云數據重疊區域內存在大量重復的采樣點，數據冗余，同時也給后續重構建模帶來困難，因此，必須對點云數據進行全局優化處理，以提高模型的拼接精度。為精簡計算量，對點云數據按25%的比例（即每4個點抽取1個點）采用最小二乘法進行優化處理，同時點云數據所有重疊區域內兩點拼接誤差若超過最大設定距離1mm，則不會對其進行優化，點云數據量為2043539。

4.4 三維重構

為便于后續加工制造，應用Geomagic Studio逆向工程軟件，利用濾點渲染功能、數據補缺技術刪除背景部分點云數據，濾除掃描過程存在的部分無效點。加載臉部模型的海量點云數據，對原始點云數據進行封裝降噪，在光順修復過程中對明顯錯誤區域和標志點空洞等進行填復，點與點間距設置為0.01mm，需要運算出多邊形曲面。由于三維空間內點云數據的拓撲關系較為模糊，很難直接對數據進行分割，需要將點云數據轉換成三角片網格，三角片每邊最多屬于兩個小三角片，由此建有清晰的拓撲關系，最后三角形數量為251471個。最終生成曲面片，共有650個，保存為標準的三維轉換iges格式。

5 結語

借助雙目光柵測量技術以及FDM技術來生產3D人像。通過雙目結構光系統的形式來得到人體數據，進一步改善精度，避免不必要的誤差。在數據很難測量的情況下，需要專門為其建造發型庫模板，并對之前測定的相關數據進行組接或者優化等工作，在此基礎上制作出模型。最終一步便是借助3D打印技術，最終獲取實體模型。上文中所提到的發型移植方案，能夠有效縮減3D測量工作的步驟，降低整個測量工作的難度，大大提升測量數據的準確性。在開展實驗的過程中，所得出的塑料人像數據很難達到相關標準，此時通過一定的改進實驗便能夠使其滿足具體要求，不斷改善人偶的美觀程度。

參考文獻：

[1]吳獻輝.基于光柵式雙目技術的3D照相技術研究[J].武漢工程大學學報，2016（02）.

[2]郭春璐.光柵式自由立體顯示技術的研究與分析[J].數字技術與應用，2017（05）.

作者簡介：鄧慧（1991-），女，四川內江人，碩士，助教，研究方向：信息顯示、3D顯示、光柵3D顯示。