一種基于人臉三維測量的眼鏡架設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于人臉三維測量的眼鏡架設(shè)計(jì)方法，包括：(1)獲得人臉區(qū)域的三維網(wǎng)格模型和三維面部特征點(diǎn)集合；(2)選擇眼鏡類型并設(shè)定眼鏡生成的參數(shù)；(3)求取兩個(gè)由若干列曲線和若干行曲線組成的完整的鏡片網(wǎng)格；(4)求取兩個(gè)完整的鏡圈網(wǎng)格；(5)在兩個(gè)鏡圈網(wǎng)格間生成完整鼻中網(wǎng)格；(6)將鼻托上最靠近鼻子的點(diǎn)移動(dòng)到鼻子表面，迭代完成后，將鼻托網(wǎng)格上頂點(diǎn)的位置更新到鏡圈網(wǎng)格中，得到合成的鏡框網(wǎng)格；(7)生成兩個(gè)鉸鏈的鉸鏈位和鏡腿，完成眼鏡架的設(shè)計(jì)。本發(fā)明的鼻托形狀根據(jù)用戶的鼻子形狀自動(dòng)優(yōu)化，貼合度高，適應(yīng)臉部的不對稱性；鏡腿長度和朝向根據(jù)耳朵位置自動(dòng)調(diào)整，佩戴舒適且不易滑動(dòng)；制造成本大大降低。
【專利說明】
一種基于人臉三維測量的眼鏡架設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于眼鏡設(shè)計(jì)、制作技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及一種基于人臉三維測量的眼鏡架設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的眼鏡根據(jù)鏡框材質(zhì)主要分為金屬鏡架、塑料鏡架和塑料金屬混合鏡架。三種鏡架的開發(fā)和生產(chǎn)的流程大致相似，包括以下步驟:①設(shè)計(jì)開發(fā):由工程部門用3D制圖軟件畫出開發(fā)圖紙，包括鏡框的三視圖和配件尺寸圖；②手板確認(rèn):由手板部門制作手板樣品，核實(shí)鏡框鏡腿與配件之間的配合尺寸;③模具開發(fā):由模具廠根據(jù)手板和圖紙進(jìn)行模具設(shè)計(jì)、制作和驗(yàn)證;④批量生產(chǎn):根據(jù)模具進(jìn)行毛坯一一半成品一一成品的生產(chǎn)過程，最終得到一副左右對稱的出廠鏡架。上述生產(chǎn)過程中，塑料鏡架的模具開發(fā)成本較高，后期生產(chǎn)加工成本較低;金屬鏡架反之。眼鏡工廠在生產(chǎn)一種鏡型前會(huì)進(jìn)行成本核算，只有達(dá)到一定生產(chǎn)數(shù)量和利潤預(yù)期時(shí)才會(huì)進(jìn)入模具開發(fā)階段。鏡架在銷售門店被用戶選購后，會(huì)作如下調(diào)整以適配用戶臉型:①推薦合適的鏡片，切割鏡片匹配鏡框;②調(diào)整鏡框弧度或者鏡腿角度，使適合人臉寬度;③對于金屬鏡架，可調(diào)整鼻托角度以適應(yīng)不同的鼻型。塑料鏡架一般無法調(diào)整鼻托。這些調(diào)整整體上是將出廠時(shí)的原對稱設(shè)計(jì)的鏡架根據(jù)用戶的臉型調(diào)整為非對稱的鏡架，由于沒有用戶的臉型是絕對對稱的，因此這些調(diào)整對佩戴的舒適度來說非常重要。
[0003]現(xiàn)有眼鏡制造技術(shù)存在以下問題:由于設(shè)計(jì)開發(fā)和模具開發(fā)的成本因素，無法為不同用戶的臉型設(shè)計(jì)專門的鏡框。通常做法是針對典型臉型尺寸為一個(gè)鏡型設(shè)計(jì)一種到幾種版型，供用戶在銷售門店或在線銷售平臺(tái)選擇。由于不同用戶的可能臉型數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了可供選擇的版型，因此用戶往往很難選到一幅真正契合自己臉型的眼鏡。唯一能供調(diào)整的金屬鏡架的鼻托在一定意義上給出了一個(gè)針對用戶臉型調(diào)整佩戴舒適度的方案。然而，由于人工操作，調(diào)整的好壞完全依賴于人工的熟練程度，同時(shí)佩戴過程中仍然容易變形，導(dǎo)致貼合度下降。佩戴與臉型貼合不良的眼鏡會(huì)削弱眼鏡的視力矯正功能，有時(shí)甚至?xí)?dǎo)致更嚴(yán)重的負(fù)面效果，例如長時(shí)間佩戴時(shí)導(dǎo)致頭暈，惡心等。
[0004]—種可能的解決方案是選用定制眼鏡。制造商首先對用戶頭部參數(shù)進(jìn)行手工測量，并針對用戶臉型進(jìn)行人工設(shè)計(jì)，最后通過手工方式完成眼鏡的制造和加工。由于測量、設(shè)計(jì)和加工的成本，定制眼鏡通常價(jià)格高昂，同時(shí)制作過程也需要較長時(shí)間，用戶在完成測量后往往需要一個(gè)月甚至更長的時(shí)間才能拿到成品眼鏡。
[0005]另一種解決方案是在眼鏡上安裝各種附件來改善貼合度，例如硅膠防滑套、眼鏡繩、鼻墊、分離式鼻托等，然而這些附件由于和眼鏡并非一體制造，在美觀、攜帶和佩戴的方便性上存在問題。此外由于附件本身也是工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品，因此即使使用附件，仍然無法保證與用戶臉型的完全貼合。
[0006]保谷株式會(huì)社1998年申請了一個(gè)眼鏡定制系統(tǒng)的專利(申請?zhí)枮镃N98807327.7)，描述了一種利用計(jì)算機(jī)“從事先制備的許多形式的基本鏡架設(shè)計(jì)之中的任何一種；以及根據(jù)所選定的基本鏡架設(shè)計(jì)通過任意地變更眼鏡的構(gòu)件，包括鏡架、鏡片形狀和各零件在內(nèi)”的定制眼鏡方法。然而由于可選的構(gòu)件仍然是以上述工業(yè)制造的方式生產(chǎn)，同時(shí)定制眼鏡的過程沒有涉及對用戶臉型的測量，因此無法保證定制眼鏡與用戶臉型的貼合。溫州大學(xué)
2O I O年申請了一種基于臉型特征參數(shù)的眼鏡配置控制方法的專利(申請?zhí)朇N201010612660.7)，描述了一種“通過顧客的正側(cè)頭部圖像，采用手工標(biāo)記確定臉型特征的關(guān)鍵點(diǎn)”以及“以臉型特征參數(shù)為基礎(chǔ)...計(jì)算顧客需求與可選眼鏡產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單元之間的相似度...在可選眼鏡產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單元庫中進(jìn)行匹配搜索，得到眼鏡產(chǎn)品配置方案”的方法。相比前面保谷株式會(huì)社的眼鏡定制系統(tǒng)，該方法引入了用戶臉型參數(shù)，然而其“可選眼鏡產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單元庫”是以上述工業(yè)制造方式生產(chǎn)，因此無法解決用戶臉型數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了可供選擇的版型的問題，仍無法為用戶生成貼合的眼鏡。哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉雨東在其碩士學(xué)位論文《基于頭部三維信息的眼鏡在線定制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及體驗(yàn)研究》中描述了一種根據(jù)數(shù)字頭模子對用戶進(jìn)行鏡型的推舉和定制的系統(tǒng)，其定制過程根據(jù)數(shù)字頭模子測得的尺寸參數(shù)對已有鏡型進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。由于并未使用三維模型來驅(qū)動(dòng)眼鏡的生成過程，該方法無法保證鏡架的特定部分與數(shù)字頭模子的相互關(guān)系，例如不能保證鼻托與鼻子的貼合，也不能保證鏡腿拐點(diǎn)正好通過耳上點(diǎn)。而這些鏡架的特定性質(zhì)正是影響用戶佩戴體驗(yàn)的關(guān)鍵因素。哈爾濱工大的歐劍等人在其申請的專利《一種基于人體生物信息的在線數(shù)字化定制系統(tǒng)》(申請?zhí)枮镃N201410086858.4)中提出了一種基于人體生物信息，對鞋子、眼鏡、衣服等進(jìn)行在線數(shù)字化定制的方案，但該方案中沒有對定制的具體過程和手段進(jìn)行描述，其如何保證生成的商品與用戶數(shù)字模型的貼合也不明確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于人臉三維測量的眼鏡架智能設(shè)計(jì)方法，該方法能根據(jù)掃描用戶臉部得到的三維人臉模型自動(dòng)生成與用戶臉型貼合的眼鏡架。
[0008]一種基于人臉三維測量的眼鏡架設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟:
[0009 ] (I)利用三維測量方法獲得人臉區(qū)域的三維網(wǎng)格模型和三維面部特征點(diǎn)集合；
[0010](2)選擇眼鏡類型并設(shè)定眼鏡生成的參數(shù)；
[0011](3)根據(jù)眼鏡生成的參數(shù)，得到兩個(gè)由若干列曲線和若干行曲線組成的完整的鏡片網(wǎng)格；
[0012](4)根據(jù)鏡片網(wǎng)格的外緣頂點(diǎn)信息以及設(shè)定眼鏡生成的參數(shù)，得到兩個(gè)完整的鏡圈網(wǎng)格；
[0013](5)根據(jù)眼鏡類型和設(shè)定眼鏡生成的參數(shù)，在兩個(gè)鏡圈網(wǎng)格間生成完整鼻中網(wǎng)格；
[0014](6)根據(jù)人臉區(qū)域的三維網(wǎng)格模型、三維面部特征點(diǎn)集合以及設(shè)定眼鏡生成的參數(shù)生成初始的鼻托網(wǎng)格，使用迭代最近點(diǎn)方法逐次將鼻托上最靠近鼻子的點(diǎn)移動(dòng)到鼻子表面，并更新鼻托網(wǎng)格，迭代完成后，將鼻托網(wǎng)格上頂點(diǎn)的位置更新到鏡圈網(wǎng)格中，得到合成的鏡框網(wǎng)格；
[0015](7)生成兩個(gè)鉸鏈的鉸鏈位和鏡腿，完成眼鏡架的設(shè)計(jì)；
[0016]可選擇的，選擇3D打印方法進(jìn)行眼鏡架的制作。
[0017]作為優(yōu)選，步驟(I)具體包括:
[0018](1-1)獲得人臉的深度圖像D和RGB圖像I，以及深度圖像D和RGB圖像I之間的變換矩陣Μ;
[0019](1-2)使用人臉識(shí)別方法在RGB圖像I中檢測人臉區(qū)域I_f;人臉識(shí)別方法可采用現(xiàn)有的多種人臉識(shí)別方法；
[0020](1-3)利用變換矩陣M將人臉區(qū)域1_^變換到深度圖像D對應(yīng)的坐標(biāo)系中，得到深度圖像D上的人臉區(qū)域
[0021](1-4)使用深度融合，重建出深度圖像D上人臉區(qū)域I_f’對應(yīng)的三維網(wǎng)格模型；
[0022](1-5)RGB圖像I中，使用面部特征抽取，得到二維面部特征點(diǎn)集合{E_i};
[0023](1-6)利用變換矩陣M將二維面部特征點(diǎn)集合{E_i}變換到深度圖像D上，得到深度圖像D上對應(yīng)的二維面部特征點(diǎn)集合;
[0024](1-7)求取深度圖像D對應(yīng)的二維面部特征點(diǎn)集合與三維網(wǎng)格模型的交點(diǎn)，得到三維面部特征點(diǎn)集合。
[0025]步驟(I)中，可以采用多種方式實(shí)現(xiàn)人臉的三維測量，作為優(yōu)選，可通過下述方法之中的一種或幾種的組合得到人臉區(qū)域的三維網(wǎng)格模型:
[0026]I)利用雙目或多目相機(jī)的立體視覺成像方法；
[0027]2)基于結(jié)構(gòu)光的三維掃描方法；
[0028]3)基于三角測距的三維激光掃描方法；
[0029]4)基于飛行時(shí)間測距的三維掃描方法。
[0030]本發(fā)明中，三維面部特征點(diǎn)集合主要包括:兩個(gè)耳上根點(diǎn)、兩個(gè)瞳孔點(diǎn)、兩個(gè)鼻側(cè)點(diǎn)、鼻梁點(diǎn)和眉中點(diǎn)。通過下述方法之中的一種或幾種的組合得到:
[0031 ] I)基于幾何特征的方法；
[0032]2)模板匹配方法；
[0033]3)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法；
[0034]4)基于支持向量機(jī)的方法。
[0035]步驟(2)中，所述眼鏡類型包括現(xiàn)有的多種眼鏡類型，比如以鏡框或鏡片形狀分為長方形、圓形、橢圓形、或貓眼形等。
[0036]步驟(2)中，所述眼鏡生成的參數(shù)包括下述參數(shù)中的一個(gè)和幾個(gè)的組合:鏡框?qū)挾取㈢R片尺寸、鏡腿長度、鏡腿朝向、鏡片到眼部的距離、鏡架前傾角。上述這些參數(shù)根據(jù)三位面部特征點(diǎn)集合自動(dòng)計(jì)算。
[0037]作為進(jìn)一步優(yōu)選，步驟(2)中，所述眼鏡生成的參數(shù)包括鏡片外球面半徑、鏡片內(nèi)球面半徑、鏡片中心厚度、鏡片邊緣導(dǎo)角寬度、鏡片邊緣導(dǎo)角角度、鏡圈寬度、鏡圈厚度、鼻中高度、鼻中彎曲度、鼻中上下寬度、鼻托大小、鏡面弧度、鉸鏈位高度。上述這些參數(shù)可以由用戶直接指定或者按照用戶要求可以直接獲得或者可以通過現(xiàn)有的測量的方法測量得到。
[0038]以及根據(jù)步驟(I)獲得的三維面部特征點(diǎn)和上述用戶指定鏡型參數(shù)自動(dòng)計(jì)算其他重要鏡型參數(shù):(i)眼鏡的總鏡寬；(ii)鏡框傾角；(iii)鏡片到眼部的距離；(iv)鼻中橫向?qū)挾龋?vii)單個(gè)鏡片的寬度；(viii)鏡腿長度、(ix)鏡腿朝向。
[0039]作為優(yōu)選，步驟(3)具體包括:
[0040](3-1)求取鏡片外球面坐標(biāo)信息和鏡片內(nèi)球面坐標(biāo)信息；
[0041]以瞳孔連線朝向左眼的方向作為X軸正方向，以鼻尖點(diǎn)到鼻梁點(diǎn)連線方向作為y軸的初始正方向，通過正交化過程生成完整的x-y-z坐標(biāo)系。
[0042]以待生成的鏡片外表面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，根據(jù)鏡片外球面半徑、鏡片內(nèi)球面半徑、鏡片中心厚度、鏡框傾角，求取鏡片外球面球心坐標(biāo)、鏡片內(nèi)球面球心坐標(biāo)；
[0043](3-2)將用戶指定的鏡片大小對二維的鏡片形狀輪廓線進(jìn)行放縮，投影到鏡片外球面和鏡片內(nèi)球面上，計(jì)算得到外球面邊緣點(diǎn)、內(nèi)球面邊緣點(diǎn)；
[0044](3-3)根據(jù)鏡片邊緣導(dǎo)角寬度和鏡片邊緣導(dǎo)角角度求取每組外球面邊緣點(diǎn)、內(nèi)球面邊緣點(diǎn)對應(yīng)的導(dǎo)角頂點(diǎn)。
[0045]鏡片形狀一般是預(yù)先畫好的二維曲線，歸一化到鏡片寬度為I厘米，這里的鏡片大小是指要生成出來的鏡片的寬度;步驟(3-2)中，投影時(shí)代表鏡片形狀的二維曲線需要垂直于z軸設(shè)置。作為進(jìn)一步優(yōu)選，步驟(3-2)的具體步驟為:以鏡片曲線的中心為取樣中心，在0-180度之間以固定的角度步長(可根據(jù)精度要求調(diào)整，精度要求高的場合，可以適當(dāng)較少步長，反之，可采用較大的步長)作均勻采樣，求取每個(gè)采樣角度上鏡片曲線的兩個(gè)對應(yīng)交點(diǎn)，將兩個(gè)對應(yīng)交點(diǎn)投影到鏡片外球面和鏡片內(nèi)球面上，計(jì)算得到所有外球面邊緣點(diǎn)、內(nèi)球面邊緣點(diǎn)。
[0046]步驟(3-2)中，也可同時(shí)求出鏡片上下面表面的其他交點(diǎn)，以最終求出完成的鏡片網(wǎng)格，方法如下:
[0047]在每個(gè)采樣角度所對應(yīng)的兩個(gè)交點(diǎn)連線上，均勻插值，得到各個(gè)插值點(diǎn)，將這些插值點(diǎn)投影至鏡片外球面和鏡片內(nèi)球面上，得到其與鏡片內(nèi)、外球面的交點(diǎn)，順次連接這些交點(diǎn)，形成鏡片外球面和鏡片內(nèi)球面的網(wǎng)格信息，同時(shí)順次連接每組外球面邊緣點(diǎn)、內(nèi)球面邊緣點(diǎn)和應(yīng)的導(dǎo)角頂點(diǎn)，得到完整的鏡片網(wǎng)格?？蓪罄m(xù)的鏡片制作提供參考。
[0048]鏡片生成時(shí)，根據(jù)步驟(2)計(jì)算的鏡片尺寸生成鏡片三維模型，并根據(jù)步驟(I)獲得的佩戴人臉部三維特征點(diǎn)位置和步驟(2)計(jì)算的鏡片到眼部的距離，將生成的鏡片三維模型通過平移變換放置到和佩戴人臉部特征點(diǎn)對應(yīng)的三維位置上。
[0049]作為優(yōu)選，步驟(4)中，根據(jù)上述子步驟(I)中生成的鏡片三維模型，自動(dòng)生成具有指定的寬度和厚度的鏡圈三維模型，求取鏡圈網(wǎng)格的具體方法為:
[0050]與鏡片采樣角度相同，在各個(gè)采樣角度上，根據(jù)鏡圈寬度(沿平行于x-y平面)、鏡圈厚度(沿垂直于χ-y平面)以及對應(yīng)的內(nèi)球面邊緣點(diǎn)、外球面邊緣點(diǎn)和導(dǎo)角頂點(diǎn)(內(nèi)球面邊緣點(diǎn)、外球面邊緣點(diǎn)和導(dǎo)角頂點(diǎn)構(gòu)成三角形)，生成各個(gè)采樣角度鏡圈截面曲線，順次連接每一個(gè)采樣角度上的截面曲線上的對應(yīng)頂點(diǎn)，形成多行頂點(diǎn)曲線，得到完整的鏡圈網(wǎng)格。
[0051]作為優(yōu)選，步驟(5)中，在上述步驟中生成的鏡圈之間，自動(dòng)生成具有指定弧度、寬度和厚度的鼻中三維模型;鼻中網(wǎng)格生成的方法包括:
[0052](5-1)根據(jù)鼻中高度，鏡片大小，在兩個(gè)鏡圈網(wǎng)格相互靠近的邊緣側(cè)分別求得一個(gè)鼻中的生長點(diǎn)；
[0053](5-2)根據(jù)用戶指定的鼻中彎曲度，對兩個(gè)鼻中生長點(diǎn)連線的中點(diǎn)進(jìn)行位移，得到鼻中的中點(diǎn)；
[0054](5-3)以兩個(gè)鼻中生長點(diǎn)、鼻中中點(diǎn)三個(gè)點(diǎn)為控制點(diǎn)，生成二階貝塞爾曲線，并在曲線上均勻采樣得到一系列的鼻中參考點(diǎn)；
[0055](5-4)圍繞每個(gè)鼻中參考點(diǎn)，根據(jù)鼻中上下寬度，插值兩個(gè)鏡圈上的對應(yīng)頂點(diǎn)，并順次連接對應(yīng)頂點(diǎn)，得到完整鼻中網(wǎng)格。
[0056]步驟(6)中根據(jù)上述步驟(I)中獲得的佩戴人臉部三維模型和三維特征點(diǎn)集合，以及上述步驟中生成的鏡圈三維模型，自動(dòng)生成貼合佩戴人臉部三維模型的鼻托三維模型。作為優(yōu)選，步驟(6)具體包括:
[0057](6-1)讀取鏡圈網(wǎng)格中最靠近鼻梁點(diǎn)的一個(gè)頂點(diǎn)PO以及該頂點(diǎn)對應(yīng)的一行頂點(diǎn)(指貼近人臉的邊緣側(cè))上另一端的另外一個(gè)頂點(diǎn)P3;
[0058](6-2)以鼻梁點(diǎn)、鼻側(cè)點(diǎn)以及步驟(6-1)得到的兩個(gè)頂點(diǎn)為四個(gè)點(diǎn)為控制點(diǎn)，生成4階貝塞爾曲線，并對鏡圈網(wǎng)格中頂點(diǎn)PO、頂點(diǎn)P3所在的一行頂點(diǎn)，在該4階貝塞爾曲線上找到對應(yīng)位置的采樣點(diǎn)，作為初始鼻托網(wǎng)格的頂點(diǎn)；
[0059](6-3)根據(jù)用戶指定的鼻托大小，計(jì)算鼻托對應(yīng)的鏡圈上的點(diǎn)的范圍，并對生成的4階貝塞爾曲線分別沿鏡圈向上和向下的方向進(jìn)行放樣，生成初始的鼻托網(wǎng)格；
[0060](6-4)使用迭代最近點(diǎn)方法逐次將鼻托上最靠近鼻子的點(diǎn)移動(dòng)到鼻子表面，并更新鼻托網(wǎng)格，迭代完成后，將鼻托網(wǎng)格上頂點(diǎn)的位置更新到鏡圈網(wǎng)格中，得到合成的鏡框網(wǎng)格。
[0061]步驟(7)中，根據(jù)上述步驟(I)中獲得的佩戴人臉部三維模型和三維特征點(diǎn)集合，以及上述步驟中生成的鏡圈三維模型，自動(dòng)生成朝向佩戴人耳朵上根部特征點(diǎn)的鉸鏈位三維模型;作為優(yōu)選，生成兩個(gè)鉸鏈的鉸鏈位的方法如下:
[0062](7-1)根據(jù)用戶指定的鉸鏈位高度，求得鉸鏈位高度處對應(yīng)水平中線與鏡圈外框的交點(diǎn)；
[0063](7-2)根據(jù)預(yù)先生成的鉸鏈位模板網(wǎng)格的高度值以及步驟(7-1)確定的頂點(diǎn)，在鏡圈網(wǎng)格外框上確定對接影響到的頂點(diǎn)，并將這些頂點(diǎn)，復(fù)制并向外部移動(dòng)到距離鏡圈網(wǎng)格最外頂點(diǎn)設(shè)定間隙的平面上；
[0064](7-3)并順次將復(fù)制移動(dòng)后的頂點(diǎn)與鏡圈網(wǎng)格上的對應(yīng)頂點(diǎn)連接構(gòu)成鉸鏈安裝槽位；
[0065](7-4)根據(jù)確定的鉸鏈安裝槽位和耳上根點(diǎn)的位置關(guān)系，得到鉸鏈位朝向；根據(jù)鉸鏈位朝向和鉸鏈安裝槽位的位置將鉸鏈位模板網(wǎng)格變換到對應(yīng)位置上，得到兩個(gè)鉸鏈的鉸鏈位。
[0066]據(jù)上述步驟(I)中獲得的佩戴人臉部三維模型和三維特征點(diǎn)集合，以及上述生成的鉸鏈位三維模型，自動(dòng)生成朝向佩戴人耳朵上根部特征點(diǎn)的鏡腿三維模型。作為優(yōu)選，步驟(7)中，生成兩個(gè)鏡腿的方法如下:
[0067](7-1’)將預(yù)先制作的三維鏡腿模板網(wǎng)格通過骨骼綁定到鏡腿的前部關(guān)節(jié)、中部關(guān)節(jié)、和尾部關(guān)節(jié)上；
[0068](7-2’)將鏡腿前部關(guān)節(jié)移動(dòng)到距離鉸鏈位設(shè)定距離的位置上;將鏡腿的中部關(guān)節(jié)移動(dòng)到耳上根點(diǎn)，鏡腿的尾部關(guān)節(jié)作和中部關(guān)節(jié)同樣的位移；
[0069](7-3’)用前向動(dòng)力學(xué)根據(jù)骨骼權(quán)重計(jì)算鏡腿模板網(wǎng)格的頂點(diǎn)位置，得到形變后的鏡腿。
[0070]作為優(yōu)選，在鏡圈網(wǎng)格上生成用戶的個(gè)性化標(biāo)識(shí)。一方面實(shí)現(xiàn)了每副眼鏡的個(gè)性化設(shè)計(jì)，同時(shí)也降低了眼鏡框與鏡腿之間的配對難度，提高安裝效率。
[0071]眼鏡框設(shè)計(jì)完成后，可采用現(xiàn)有的方法進(jìn)行眼鏡的制作，例如眼鏡架可選擇三維打印，通過下述方法之中的一種或幾種的組合實(shí)現(xiàn):
[0072](I)立體光固化成型方法(SLA);
[0073](2)容積成型方法(FDM);
[0074](3)選擇性激光燒結(jié)方法(SLS)。
[0075]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0076]1.本發(fā)明的鏡框?qū)挾葰じ鶕?jù)用戶臉寬自動(dòng)調(diào)整；
[0077]2.本發(fā)明的鏡片到眼鏡的距離根據(jù)用戶的鼻子高度和眼眶形狀自動(dòng)調(diào)整；
[0078]3.本發(fā)明的鼻托形狀根據(jù)用戶的鼻子形狀自動(dòng)優(yōu)化，貼合度高，適應(yīng)臉部的不對稱性；
[0079]4.本發(fā)明的鏡腿長度和朝向根據(jù)耳朵位置自動(dòng)調(diào)整，佩戴舒適且不易滑動(dòng)；
[0080]5.本方法制造的眼鏡與用戶臉部貼合的程度接近或超過通過手工定制制造的眼鏡，而制造時(shí)間遠(yuǎn)低于后者。
【附圖說明】
[0081]圖1(a)是本發(fā)明的基于人臉三維測量的眼鏡架智能設(shè)計(jì)和制造方法的流程圖；
[0082]圖1(b)是本發(fā)明三維掃描獲得的主要特征點(diǎn)的示意圖。
[0083]圖2展示了鏡片的生成過程:(a)是鏡片上某一采樣角度上的截面曲線；(b)為完成的鏡片網(wǎng)格;(C)為本發(fā)明得到的鏡片網(wǎng)格與人臉之間匹配圖。
[0084]圖3展示了鏡圈的生成過程:(a)為鏡圈在某一采樣角度上的截面曲線；(b)為完整的鏡圈網(wǎng)格。
[0085]圖4展示了鼻中的生成過程:(a)為兩個(gè)鼻中生長點(diǎn)，鼻中中點(diǎn)以及移動(dòng)后的鼻中中點(diǎn)的位置示意圖；(b)為得到的完整的鼻中網(wǎng)格。
[0086]圖5展示了鼻托的生成過程:(a)為特征點(diǎn)分布；(b)為控制點(diǎn)分布；(C)為初始鼻托形狀;(d)為2次ICP迭代后的鼻托形狀;(e)為8ICP迭代后的鼻托形狀;(f)為合成的鏡框。
[0087]圖6展示了鉸鏈位的生成過程:(a)為兩個(gè)耳上根點(diǎn)位置示意圖；(b)為鉸鏈位示意圖:(C)為鉸鏈位模板網(wǎng)格。
[0088]圖7展示了鏡腿的生成過程:(a)為鏡腿的前部、中部、和尾部三個(gè)關(guān)節(jié)處示意圖；(b)為生成完成的鏡腿示意圖。
[0089]圖8為個(gè)性化設(shè)計(jì)示意圖:(a)為個(gè)性化標(biāo)識(shí)圖像；(b)為在鏡框網(wǎng)格上生成個(gè)性化標(biāo)識(shí)O
[0090]圖9是最終加工完成的眼鏡實(shí)拍圖:(a)為頂視圖；(b)為側(cè)視圖；(C)為正視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0091]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0092]如圖1(a)所示，本發(fā)明的基于人臉三維測量的眼鏡架智能設(shè)計(jì)和制造方法包括三維人臉掃描101，鏡型選擇102、鏡片生成103、鏡圈生成104、鼻中生成105、鼻托生成106、鉸鏈位生成107、鏡腿生成108、個(gè)性化處理(109、三維打印110、后期加工111等步驟，下面分別對各個(gè)步驟的實(shí)施方式細(xì)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)介紹。
[0093]1.三維人臉掃描:同時(shí)參考圖1(c):
[0094](1-1)從深度相機(jī)(例如微軟的Kinect)或者多目相機(jī)獲得人臉的深度圖像D和對應(yīng)的RGB圖像I，以及深度圖像D和RGB圖像I之間的變換矩陣M。
[0095](1-2)使用人臉識(shí)別方法(例如PAUL V1LA,MICEAL J.JONES, Internat1nalJournal of Computer Vis1n 57(2),137-154,2004,Robust Real-Time Face Detect1n中描述的方法)在RGB圖像I中檢測人臉區(qū)域I_f。
[0096](1-3)將人臉區(qū)域I_f用變換矩陣M變換到深度圖像D對應(yīng)的坐標(biāo)系中，得到深度圖像D上的人臉區(qū)域I_f ’，使用深度融合(例如Kinect for Windows SDK中提供的KinectFus1n功會(huì)泛，參見https: //msdn.microsof t.com/en-us/library/dn188670.aspx)，重建出深度圖像D上該人臉區(qū)域I_f ’對應(yīng)內(nèi)容的三維網(wǎng)格模型，存儲(chǔ)為頂點(diǎn)集合V和面片集合F，如附圖1(b)所示。
[0097](1-4)在RGB圖像I中或者直接在RGB圖像I的人臉區(qū)域I_f*，使用面部特征抽取(例如開源工具opencv提供的人臉特征抽取功能，參見http://opencv.0rg/)，得到RGB圖像I上的二維面部特征點(diǎn)集合{E_i}。
[0098](1-5)將RGB圖像I上的二維面部特征點(diǎn)集合{E_i}用變換矩陣M變換后，得到深度圖像D上的的二維面部特征點(diǎn)集合并從深度圖像D上提取出二維面部特征點(diǎn)集合
對應(yīng)的深度，將該深度與求得的三維網(wǎng)格模型求交，計(jì)算出各特征點(diǎn)的三維位置，進(jìn)而得到三維網(wǎng)格模型中的三維面部特征點(diǎn)集合{E”_i}。
[0099]附圖1(b)中給出了本發(fā)明三維面部特征點(diǎn)集合{E” _i}中主要的臉部三維特征點(diǎn)，包括:耳上根點(diǎn)121、瞳孔點(diǎn)122、鼻側(cè)點(diǎn)123、鼻梁點(diǎn)124和眉中點(diǎn)125。
[0100]2.鏡型選擇:
[0101]用戶以編輯配置文件或交互界面的方式，選擇眼鏡類型并設(shè)定鏡型參數(shù)(即眼鏡生成的參數(shù))。通過現(xiàn)有的驗(yàn)光手段或者其他現(xiàn)有的檢測方法得到眼鏡生成的參數(shù)，眼鏡生成的參數(shù)包括鏡片外球面半徑p1、鏡片內(nèi)球面半徑P2、鏡片大小P3、鏡片中心厚度p4、鏡片邊緣導(dǎo)角寬度P5、鏡圈寬度p6、鏡圈厚度p7、鼻中高度p8、鼻中彎曲度p9、鼻托大小ρ10、鉸鏈位高度Pll以及鼻中上下寬度P12。
[0102]根據(jù)步驟I獲得的三維面部特征點(diǎn)和上述用戶指定鏡型參數(shù)計(jì)算其他重要鏡型參數(shù):
[0103](i)眼鏡的總鏡寬:根據(jù)兩個(gè)耳上根點(diǎn)(圖1(b)中點(diǎn)121)的橫向距離計(jì)算眼鏡的總鏡寬；
[0104](ii)鏡框傾角:根據(jù)眉中到瞳孔的連線和臉部正上方向的夾角計(jì)算鏡框傾角；
[0105]此處“臉部正上方向”是將臉部近似為平面，人自然站立時(shí)，沿該平面向上的方向；可通過各種方法得到，比如可采用下述方法得到:
[0106]以瞳孔連線朝向左眼的方向作為X軸正方向，以鼻尖點(diǎn)到鼻梁點(diǎn)連線方向作為y軸的初始正方向，通過正交化過程生成完整的x-y-z坐標(biāo)系。坐標(biāo)系生成之后的y軸正方向即為“臉部正上方向”。
[0107](iii)鏡眼距:根據(jù)鏡框傾角和鼻梁到瞳孔的高度差計(jì)算鏡眼距(鏡片中心到瞳孔中心的距離)；
[0108](iv)鼻中橫向?qū)挾?根據(jù)鼻側(cè)寬度(即兩個(gè)鼻側(cè)點(diǎn)之間的距離)計(jì)算鏡框的鼻中橫向?qū)挾龋?br>[0109](V)單個(gè)鏡片的寬度:用總鏡寬、鼻中橫向?qū)挾扔?jì)算單個(gè)鏡片的寬度。
[0110]3.鏡片生成:
[0111]如圖2中(a)所示，(3-1)以待生成的鏡片外表面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)200，鏡面朝向?yàn)閦軸方向(鏡面法線方向)，根據(jù)用戶在上述步驟2中指定的鏡片外球面半徑pl、鏡片內(nèi)球面半徑P2、鏡片中心厚度p4計(jì)算鏡片外球面球心位置202(-ρ1.z)和鏡片內(nèi)球面球心位置201((-p4-p2).z);同時(shí)得到鏡片外球面坐標(biāo)信息和鏡片內(nèi)球面坐標(biāo)信息；
[0112](3-2)根據(jù)用戶在上述步驟2中指定的鏡片大小p3( —般情況下鏡片形狀是預(yù)先畫好的二維曲線，歸一化到鏡片寬度為一，這里的鏡片大小是指要生成出來的鏡片的寬度;此處的代表鏡片形狀的二維曲線需要垂直于z軸設(shè)置)計(jì)算鏡片邊緣點(diǎn)在x-y平面上坐標(biāo)P3.y，-p3.y(即在二維曲線所在的平面內(nèi)的某一采樣角度連線，該連線需要通過二維曲線的中心點(diǎn)，求出連線與二維曲線的兩個(gè)交點(diǎn))，并通過該邊緣點(diǎn)按-Z方向投影到鏡片外球面和內(nèi)球面上計(jì)算得到外球面邊緣點(diǎn)(附圖2(a)中的203和205)和內(nèi)球面邊緣點(diǎn)(附圖2(a)中的204和206);
[0113](3-3)在求得的兩個(gè)交點(diǎn)之間均勻插值，得到各個(gè)插值點(diǎn)，并用同樣方法求取與鏡片內(nèi)、外球面的交點(diǎn)，順次連接這些交點(diǎn)，并在兩端加入導(dǎo)角頂點(diǎn)(附圖2中的207和208)構(gòu)成該采樣角度上的一條鏡片的截面曲線(導(dǎo)角頂點(diǎn)可以按照已知的方法快速求得，比如按照設(shè)定的導(dǎo)角或者導(dǎo)角寬度，分別在對應(yīng)的外球面邊緣點(diǎn)和內(nèi)球面邊緣點(diǎn)做直線，交點(diǎn)即為導(dǎo)角頂點(diǎn)坐標(biāo))。
[0114]通過上述方法，我們可以求得某一角度上的外球面邊緣點(diǎn)、內(nèi)球面邊緣點(diǎn)、外球面邊緣點(diǎn)和內(nèi)球面邊緣點(diǎn)之間的交點(diǎn)、以及兩端的導(dǎo)角頂點(diǎn)，進(jìn)而得到一個(gè)采樣角度上的一個(gè)截面曲線。
[0115](3-4)按照相同方法在0-180度之間作均勻采樣，并根據(jù)用戶選擇的鏡型，從鏡型數(shù)據(jù)文件中讀取對應(yīng)采樣角度上的截面長度，在每個(gè)角度上按上面的方法生成截面曲線，并按照設(shè)定步長(繞z軸旋轉(zhuǎn)，求取各個(gè)采樣角度的外球面邊緣點(diǎn)、內(nèi)球面邊緣點(diǎn)、外球面邊緣點(diǎn)和內(nèi)球面邊緣點(diǎn)之間的交點(diǎn)、以及兩端的導(dǎo)角頂點(diǎn)，得到鏡片上對應(yīng)的截面曲線，順次連接這些采樣角度的截面曲線的對應(yīng)點(diǎn)，得到完整的鏡片網(wǎng)格(附圖2中(b)所述的209)。
[0116](3-5)根據(jù)步驟2計(jì)算得到的鏡眼距，將鏡片網(wǎng)格變換到瞳孔前方對應(yīng)的位置上，如附圖2中(C)所示。將鏡片網(wǎng)格沿臉部的中心平面對稱變換，得到另一只眼的鏡片網(wǎng)格，完成鏡片的生成。
[0117]在步驟(3-1)中，可以按照鏡框傾角建立坐標(biāo)系;或者直接在人臉對應(yīng)的位置建立坐標(biāo)系；或者在步驟(3-1)中建立單獨(dú)的坐標(biāo)系，在步驟(3-5)中，再參考鏡框傾角和鏡眼距，將將鏡片網(wǎng)格變換到瞳孔前方對應(yīng)的位置上。
[0118]4.鏡圈生成
[0119]在步驟3的每一個(gè)采樣角度上，沿著鏡片截面曲線的導(dǎo)角頂點(diǎn)(附圖2中的207和208)，根據(jù)用戶在步驟2中指定的鏡圈寬度p6和鏡圈厚度p7生成該采樣角度上鏡圈截面曲線301，如附圖3中(a)所示，其中頂點(diǎn)304對應(yīng)于圖2(a)中的導(dǎo)角頂點(diǎn)207或者導(dǎo)角頂點(diǎn)208，頂點(diǎn)305對應(yīng)于2(a)中的外球面邊緣點(diǎn)203或者外球面邊緣點(diǎn)205，頂點(diǎn)303對應(yīng)于2(a)中的內(nèi)球面邊緣點(diǎn)，但需要留有適當(dāng)?shù)陌惭b間隙。依次求出所有采樣角度上的兩個(gè)鏡圈截面曲線，順次連接每一個(gè)采樣角度上的截面曲線上的對應(yīng)頂點(diǎn)，得到完整的鏡圈網(wǎng)格302，如附圖3中的(b)所示。其中沿鏡圈網(wǎng)格周向分布的封閉曲線我們稱作一行頂點(diǎn)。
[0120]5.鼻中生成
[0121](5-1)根據(jù)用戶在步驟2中指定的鼻中高度參數(shù)p8，根據(jù)用戶選擇的鏡片大小和形狀特征，在左右兩個(gè)鏡圈的邊沿分別求得一個(gè)鼻中的生長點(diǎn)；
[0122](5-2)根據(jù)用戶在步驟2中指定的鼻中彎曲度參數(shù)p9，對左右兩邊鼻中生長點(diǎn)連線的中點(diǎn)進(jìn)行位移，得到鼻中的中點(diǎn)401，如附圖4中(a)所示。
[0123](5-3)以左邊的鼻中生長點(diǎn)403(定義為Po)、鼻中中點(diǎn)401 (定義為P1)、右邊的鼻中生長點(diǎn)404(定義為P2)三個(gè)點(diǎn)為控制點(diǎn)，生成二階貝塞爾曲線，并在曲線上均勻采樣得到一系列的鼻中參考點(diǎn)。二階貝塞爾曲線插值公式如下:
[0124]B (t) = (1-t) 2Po+2t (1-t )Pi+t2P2
[0125]其中te [O，I ]是參考點(diǎn)對應(yīng)的參數(shù)，從O到I均勻采樣得到。
[0126](5-4)圍繞每個(gè)鼻中參考點(diǎn)，插值左右鏡圈上的對應(yīng)點(diǎn)(右鏡圈上的對應(yīng)點(diǎn)即附圖4(a)中的折線405所覆蓋的頂點(diǎn))，并順次連接對應(yīng)頂點(diǎn)，得到完整鼻中網(wǎng)格，如附圖4(b)中的402所示。
[0127]6.鼻托生成
[0128](6-1)根據(jù)步驟I獲得的三維面部特征點(diǎn)集合中的鼻梁點(diǎn)503(對應(yīng)于圖1(b)中的123)和鼻側(cè)點(diǎn)501、鼻側(cè)點(diǎn)502(對應(yīng)于圖1(b)中的124)，如附圖5中(a)所示，首先獲得步驟5生成的帶鼻中的鏡圈網(wǎng)格中靠近人臉的一側(cè)外框最靠近鼻梁點(diǎn)503的頂點(diǎn)504，如附圖5中(b)所示，以及頂點(diǎn)504對應(yīng)的一行頂點(diǎn)上另一端(參見圖5中(b)中的放大區(qū)域)的頂點(diǎn)505。
[0129](6-2)以S(M(Pt))JOS(P1)JOl(P2)JOS(P3)四個(gè)點(diǎn)為控制點(diǎn)，生成4階貝塞爾曲線，并對鏡圈網(wǎng)格上頂點(diǎn)504-頂點(diǎn)505所在的一行頂點(diǎn)，在該4階貝塞爾曲線上找到對應(yīng)位置的采樣點(diǎn)。3階貝塞爾曲線插值公式如下:
[0130]B(t) = (l-t) 3Po+3t (1-t )2Pi+3t2 (l_t )P2+t3P3
[0131]其中]是參考點(diǎn)對應(yīng)的參數(shù)，從O到I均勻采樣得到。
[0132](6-3)根據(jù)步驟2中指定的鼻托大小參數(shù)plO計(jì)算鼻托影響到的范圍，將上述貝塞爾曲線沿+y和-y的方向放樣到鼻托影響到的行上，形成初始的鼻托網(wǎng)格506，如附圖5中(c)所示。
[0133](6_4)使用迭代最近點(diǎn)(Iterative closet point，ICP)方法(參見Wikepedia的“Iterative closet point”詞條)，逐次將鼻托上最靠近鼻子的點(diǎn)移動(dòng)到鼻子表面，并更新鼻托網(wǎng)格。附圖5中(d)和(e)中的鼻托網(wǎng)格507和鼻托網(wǎng)格508分別顯示了經(jīng)過2次和8次ICP迭代之后的鼻托網(wǎng)格。每次迭代中，將鼻托上最靠近鼻子的點(diǎn)集移動(dòng)到對應(yīng)的鼻子表面的最近點(diǎn)處，并以這些點(diǎn)的位置作為約束，通過Laplacian Deformat 1n方法(參見http://www.cse.wustl.edu/?tao ju/cse554/lectures/lect08_Deformat1n.pdf)求角軍鼻托上其他頂點(diǎn)的位置?？梢钥吹诫S著迭代次數(shù)增加，鼻托網(wǎng)格會(huì)更加貼合鼻子表面。ICP迭代完成后，將鼻托網(wǎng)格上頂點(diǎn)的位置更新到鏡圈網(wǎng)格上對應(yīng)的點(diǎn)上，得到合成的鏡框網(wǎng)格(如圖6中(f)所示)。本發(fā)明中，鏡圈是鏡框的一部分，鏡框包括了鏡圈、鼻中、鼻托、鉸鏈位等。
[0134]將上述過程對另外一側(cè)的鏡圈和鼻子特征點(diǎn)(附圖5(a)中的502、503)重復(fù)一次，得到鏡框另一側(cè)的鼻托。
[0135]7.鉸鏈位生成
[0136]將預(yù)先制作好的鉸鏈位模板網(wǎng)格對接到鏡框網(wǎng)格上。
[0137](7-1)首先，根據(jù)步驟2中指定的鉸鏈位高度pll，求得鏡圈外框中線上的交點(diǎn)，如附圖6(b)中的603所示。
[0138](7-2)根據(jù)預(yù)先生成的鉸鏈位模板網(wǎng)格(附圖6(c)中的605)的高度，在鏡圈網(wǎng)格外框上確定對接影響到的范圍。將對應(yīng)的頂點(diǎn)復(fù)制并向外部移動(dòng)到距離最外頂點(diǎn)(附圖6(b)中的604)1毫米的平面上，并順次與鏡框上的對應(yīng)頂點(diǎn)連接構(gòu)成鉸鏈安裝槽位。
[0139]根據(jù)安裝槽位和步驟I獲得的三維面部特征點(diǎn)集合中的耳上根點(diǎn)(附圖6(a)中的601)的位置關(guān)系，計(jì)算鉸鏈位的朝向，使得鉸鏈位的端面朝向特征點(diǎn)601的方向。根據(jù)鉸鏈位朝向和鉸鏈安裝槽位的位置將鉸鏈位模板網(wǎng)格變換到對應(yīng)位置上。如附圖6(b)的右圖所示。
[0140]將上述過程對另外一側(cè)的鏡圈和耳上根點(diǎn)(附圖6(a)中的602)重復(fù)一次，生成鏡框另一側(cè)的鉸鏈位。
[0141]8.鏡腿生成
[0142]步驟8將預(yù)先制作好的鏡腿模板網(wǎng)格根據(jù)三維臉部特征點(diǎn)和鉸鏈位的位置進(jìn)行形變，以適應(yīng)用戶的上耳根位置。預(yù)先制作的三維鏡腿模板網(wǎng)格通過骨骼綁定(參見維基百科的 “Skeletal animat1n” 詞條，https: //en.wikipedia.0rg/wiki/Skeletal_animat1n)綁定到鏡腿的前部、中部、和尾部三個(gè)關(guān)節(jié)上，如附圖7 (b)中的701、702、703所示。根據(jù)步驟I獲得的面部三維特征點(diǎn){E” _i}中的耳上根點(diǎn)(附圖7 (b)中的704)和步驟6中生成的鉸鏈位的位置，將鏡腿前部關(guān)節(jié)(附圖7(a)中的701)移動(dòng)到距離鉸鏈位固定距離的位置上，具體距離由鉸鏈的大小決定;將鏡腿的中部關(guān)節(jié)(附圖7(a)中的702)移動(dòng)到耳上根點(diǎn)(附圖7(b)中的704)上，鏡腿的尾部關(guān)節(jié)(附圖7(a)中的703)作和中部關(guān)節(jié)(附圖7(a)中的702)同樣的位移。確定關(guān)節(jié)位置后，用前向動(dòng)力學(xué)(參見維基百科Forward kinematics詞條，https://en.wikipedia.0rg/wiki/Forward_kinemati cs)根據(jù)骨骼權(quán)重計(jì)算鏡腿模板網(wǎng)格的頂點(diǎn)位置，得到附圖7右圖中的形變后的鏡腿。
[0143]將上述過程對另外一側(cè)的鉸鏈位和耳上根點(diǎn)重復(fù)一次，生成鏡框另一側(cè)的鏡腿。
[0144]9.個(gè)性化處理
[0145]步驟9在鏡框上生成用戶的個(gè)性化標(biāo)識(shí)，用于在整個(gè)后期的生產(chǎn)流程中識(shí)別該用戶的。
[0146]根據(jù)用戶選擇的個(gè)性化標(biāo)識(shí)圖像，如附圖8(a)中的801所示，使用MouIe K，McCooIM D.Efficient bounded adaptive tessellat1n of displacement maps.GraphicsInterface.2002，1: 23-63.中描述的方法，對網(wǎng)格進(jìn)行自適應(yīng)剖分并將個(gè)性化標(biāo)識(shí)圖像中的灰度值轉(zhuǎn)化成位移值，在鏡框網(wǎng)格上生成個(gè)性化標(biāo)識(shí)，如附圖8(b)中的802所示。
[0147]10.三維打印
[0148]根據(jù)前述步驟生成的鏡框和鏡腿的三維網(wǎng)格模型，使用三維打印技術(shù)成型生成實(shí)物鏡框，典型的三維打印技術(shù)如選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering ,SLS，參見百度百科的“選擇性激光燒結(jié)”詞條)技術(shù)或立體光固化成型(Stereo LithographyApparatUS，SLA，參見百度百科的“光固化成型”詞條)技術(shù)等。
[0149]11.后期加工
[0150]獲得三維打印的鏡框和鏡腿毛坯模型后，需要經(jīng)過拋光研磨一一鉸鏈安裝一一清洗噴漆一一組合鏡框鏡腿一一割片一一安裝鏡片等后期加工步驟得到眼鏡成品。
[0151]實(shí)施例
[0152]發(fā)明人在一臺(tái)Intel Xeon E3-1231雙核處理器，16GB內(nèi)存的PC上實(shí)現(xiàn)了上述鏡架設(shè)計(jì)方法，使用微軟的Kinect for Windows實(shí)現(xiàn)人臉的三維網(wǎng)格構(gòu)建和特征點(diǎn)提取。在計(jì)算鏡型參數(shù)時(shí)，使用了下述預(yù)設(shè)的固定比例值:
[0153](i)眼鏡的總鏡寬:根據(jù)兩個(gè)耳上根點(diǎn)(圖1(b)中點(diǎn)121)的橫向距離乘以0.78計(jì)算眼鏡的總鏡寬；
[0154](ii)鏡框傾角:根據(jù)眉中到瞳孔的連線和臉部正上方向的夾角乘以0.5計(jì)算鏡框傾角，當(dāng)計(jì)算得到的傾角超過15度時(shí)，將其設(shè)為15度；
[0155](iii)鏡眼距:根據(jù)鏡框傾角和鼻梁到瞳孔的高度差乘以2.5計(jì)算鏡眼距，并將計(jì)算得到的鏡眼距限制在12毫米到15毫米之間；
[0156](iv)鼻中橫向?qū)挾?根據(jù)鼻側(cè)寬度(即兩個(gè)鼻側(cè)點(diǎn)之間的距離)乘以0.6計(jì)算鏡框的鼻中橫向?qū)挾取?br>[0157]設(shè)計(jì)生成的鏡架使用SLA方法打印，并安裝鉸鏈、鏡片，經(jīng)過后期加工后，效果如圖9所示。三維測量對象配戴此鏡架確實(shí)能夠達(dá)到很好的貼合度，配戴上之后不易滑動(dòng)，同時(shí)又沒有被鏡架夾住的感覺。該對象的鼻子存在左右不對稱的情況，而生成的鏡架能夠很好地適應(yīng)這種不對稱(頂視圖上觀察最為明顯)，完全貼合其鼻子。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于人臉三維測量的眼鏡架設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)利用三維測量方法獲得人臉區(qū)域的三維網(wǎng)格模型和三維面部特征點(diǎn)集合； (2)選擇眼鏡類型并設(shè)定眼鏡生成的參數(shù)； (3)根據(jù)眼鏡生成的參數(shù)，得到兩個(gè)由若干列曲線和若干行曲線組成的完整的鏡片網(wǎng)格； (4)根據(jù)鏡片網(wǎng)格的外緣頂點(diǎn)信息以及設(shè)定眼鏡生成的參數(shù)，得到兩個(gè)完整的鏡圈網(wǎng)格； 按照任選的順序進(jìn)入步驟(5)、(6),(7); (5)根據(jù)眼鏡類型和設(shè)定眼鏡生成的參數(shù)，在兩個(gè)鏡圈網(wǎng)格間生成完整鼻中網(wǎng)格； (6)根據(jù)人臉區(qū)域的三維網(wǎng)格模型、三維面部特征點(diǎn)集合以及設(shè)定眼鏡生成的參數(shù)生成初始的鼻托網(wǎng)格，使用優(yōu)化方法生成鼻托網(wǎng)格，使其與鼻子表面的使其與人臉區(qū)域的三維網(wǎng)格模型中鼻子表面貼合； (7)生成兩個(gè)鉸鏈的鉸鏈位和鏡腿，完成眼鏡架的設(shè)計(jì)。 可選擇的，選擇3D打印方法進(jìn)行眼鏡架的制作。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于人臉三維測量的眼鏡架設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟(I)具體包括: (1-1)獲得人臉的深度圖像D和RGB圖像I，以及深度圖像D和RGB圖像I之間的變換矩陣M； (1-2)使用人臉識(shí)別方法在RGB圖像I中檢測人臉區(qū)域； (1-3)利用變換矩陣M將人臉區(qū)域變換到深度圖像D對應(yīng)的坐標(biāo)系中，得到深度圖像D上的人臉區(qū)域； (1-4)使用深度融合，重建出深度圖像D上人臉區(qū)域?qū)?yīng)的三維網(wǎng)格模型； (1-5)RGB圖像I中，使用面部特征抽取，得到二維面部特征點(diǎn)集合； (1-6)利用變換矩陣M將二維面部特征點(diǎn)集合變換到深度圖像D上，得到深度圖像D上對應(yīng)的二維面部特征點(diǎn)集合； (1-7)求取深度圖像D對應(yīng)的二維面部特征點(diǎn)集合與三維網(wǎng)格模型的交點(diǎn)，得到三維面部特征點(diǎn)集合。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于人臉三維測量的眼鏡架設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟(3)具體包括: (3-1)求取鏡片外球面坐標(biāo)信息和鏡片內(nèi)球面坐標(biāo)信息； (3-2)將步驟(2)計(jì)算得到的鏡片大小對二維的鏡片形狀輪廓線進(jìn)行放縮，然后投影到鏡片外球面和鏡片內(nèi)球面上，計(jì)算得到外球面邊緣點(diǎn)、內(nèi)球面邊緣點(diǎn)； (3-3)根據(jù)鏡片邊緣導(dǎo)角寬度和鏡片邊緣導(dǎo)角角度求取每組外球面邊緣點(diǎn)、內(nèi)球面邊緣點(diǎn)對應(yīng)的導(dǎo)角頂點(diǎn)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于人臉三維測量的眼鏡架設(shè)計(jì)方法，其特征在于，其特征在于，步驟(3-2)的具體步驟為:以鏡片曲線的中心為取樣中心，在0-180度之間作均勻采樣，求取每個(gè)采樣角度上鏡片曲線的兩個(gè)對應(yīng)交點(diǎn)，將兩個(gè)對應(yīng)交點(diǎn)投影到鏡片外球面和鏡片內(nèi)球面上，計(jì)算得到所有外球面邊緣點(diǎn)、內(nèi)球面邊緣點(diǎn)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于人臉三維測量的眼鏡架設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟(4)中，求取鏡圈網(wǎng)格的具體方法為: 在各個(gè)采樣角度上，根據(jù)鏡圈寬度、鏡圈厚度以及對應(yīng)的內(nèi)球面邊緣點(diǎn)、外球面邊緣點(diǎn)和導(dǎo)角頂點(diǎn)，生成各個(gè)采樣角度鏡圈截面曲線，順次連接每一個(gè)采樣角度上的截面曲線上的對應(yīng)頂點(diǎn)，形成多行頂點(diǎn)曲線，得到完整的鏡圈網(wǎng)格。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于人臉三維測量的眼鏡架設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟(5)中，鼻中網(wǎng)格生成的方法包括: (5-1)根據(jù)鼻中高度，鏡片大小，在兩個(gè)鏡圈網(wǎng)格相互靠近的邊緣側(cè)分別求得一個(gè)鼻中的生長點(diǎn)； (5-2)根據(jù)用戶指定的鼻中彎曲度，對兩個(gè)鼻中生長點(diǎn)連線的中點(diǎn)進(jìn)行位移，得到鼻中的中點(diǎn)； (5-3)以兩個(gè)鼻中生長點(diǎn)、鼻中中點(diǎn)三個(gè)點(diǎn)為控制點(diǎn)，生成二階貝塞爾曲線，并在曲線上均勻采樣得到一系列的鼻中參考點(diǎn)； (5-4)圍繞每個(gè)鼻中參考點(diǎn)，根據(jù)鼻中上下寬度，插值兩個(gè)鏡圈上的對應(yīng)頂點(diǎn)，并順次連接對應(yīng)頂點(diǎn)，得到完整鼻中網(wǎng)格。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于人臉三維測量的眼鏡架設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟(6)具體包括: (6-1)讀取鏡圈網(wǎng)格中最靠近鼻梁點(diǎn)的一個(gè)頂點(diǎn)PO以及該頂點(diǎn)對應(yīng)的一行頂點(diǎn)上另一端的另外一個(gè)頂點(diǎn)P3; (6-2)以鼻梁點(diǎn)、鼻側(cè)點(diǎn)以及步驟(6-1)得到的兩個(gè)頂點(diǎn)為四個(gè)點(diǎn)為控制點(diǎn)，生成4階貝塞爾曲線，并對鏡圈網(wǎng)格中頂點(diǎn)PO-頂點(diǎn)P3所在的一行頂點(diǎn)，在該4階貝塞爾曲線上找到對應(yīng)位置的采樣點(diǎn)，作為初始鼻托網(wǎng)格的頂點(diǎn)； (6-3)根據(jù)用戶指定的鼻托大小，計(jì)算鼻托對應(yīng)的鏡圈上的點(diǎn)的范圍，并對生成的4階貝塞爾曲線分別沿鏡圈向上和向下的方向進(jìn)行放樣，生成初始的鼻托網(wǎng)格； (6-4)使用迭代最近點(diǎn)方法逐次將鼻托上最靠近鼻子的點(diǎn)移動(dòng)到鼻子表面，并更新鼻托網(wǎng)格，迭代完成后，將鼻托網(wǎng)格上頂點(diǎn)的位置更新到鏡圈網(wǎng)格中，得到合成的鏡框網(wǎng)格。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于人臉三維測量的眼鏡架設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟(7)中，生成兩個(gè)鉸鏈的鉸鏈位的方法如下: (7-1)根據(jù)用戶指定的鉸鏈位高度，求得鉸鏈位高度處對應(yīng)水平中線與鏡圈外框的交占.V ， (7-2)根據(jù)預(yù)先生成的鉸鏈位模板網(wǎng)格的高度值以及步驟(7-1)確定的頂點(diǎn)，在鏡圈網(wǎng)格外框上確定對接影響到的頂點(diǎn)，并將這些頂點(diǎn)，復(fù)制并向外部移動(dòng)到距離鏡圈網(wǎng)格最外頂點(diǎn)設(shè)定間隙的平面上； (7-3)并順次將復(fù)制移動(dòng)后的頂點(diǎn)與鏡圈網(wǎng)格上的對應(yīng)頂點(diǎn)連接構(gòu)成鉸鏈安裝槽位；(7-4)根據(jù)確定的鉸鏈安裝槽位和耳上根點(diǎn)的位置關(guān)系，得到鉸鏈位朝向；根據(jù)鉸鏈位朝向和鉸鏈安裝槽位的位置將鉸鏈位模板網(wǎng)格變換到對應(yīng)位置上，得到兩個(gè)鉸鏈的鉸鏈位。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于人臉三維測量的眼鏡架設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟(7)中，生成兩個(gè)鏡腿的方法如下: (7-1’)將預(yù)先制作的三維鏡腿模板網(wǎng)格通過骨骼綁定到鏡腿的前部關(guān)節(jié)、中部關(guān)節(jié)、和尾部關(guān)節(jié)上； (7-2’)將鏡腿前部關(guān)節(jié)移動(dòng)到距離鉸鏈位設(shè)定距離的位置上;將鏡腿的中部關(guān)節(jié)移動(dòng)到耳上根點(diǎn)，鏡腿的尾部關(guān)節(jié)作和中部關(guān)節(jié)同樣的位移； (7-3’)用前向動(dòng)力學(xué)根據(jù)骨骼權(quán)重計(jì)算鏡腿模板網(wǎng)格的頂點(diǎn)位置，得到形變后的鏡腿。10.根據(jù)權(quán)利要求1?9任一權(quán)利要求所述的基于人臉三維測量的眼鏡架設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在鏡圈網(wǎng)格上生成用戶的個(gè)性化標(biāo)識(shí)。
【文檔編號(hào)】G01B11/24GK105842875SQ201610396790
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年6月7日
【發(fā)明人】陳超
【申請人】杭州美戴科技有限公司