專利名稱：真人頭像三維模型建立系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及真人頭像三維信息采集裝置，特別涉及真人頭像三維模型建立系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)拍攝影片或電視節(jié)目時(shí)，都需要場(chǎng)景道具，這往往需要較大的投入。目前計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)飛速發(fā)展，場(chǎng)景道具就可用三維模型來替代，就形成了虛擬演播室。但虛擬演播室在實(shí)施的過程中有幾大難點(diǎn)，(1)真實(shí)人很難在三維的虛擬場(chǎng)景中定位；(2)即使真實(shí)人定位后其肢體上各點(diǎn)更難于定位；(3)影視節(jié)目中真實(shí)人是用二維圖象來實(shí)現(xiàn)的，用虛擬燈光打不出光影，若用真實(shí)燈光在虛擬場(chǎng)景中又打不出光影，因此場(chǎng)景與人物的光影難于統(tǒng)一。為解決此問題，近年來國(guó)外在這方面研究很多，形成了虛擬演播室技術(shù)。該技術(shù)主要在攝像機(jī)等設(shè)備上、拍攝人物的環(huán)境中下很多功夫，其設(shè)備費(fèi)相當(dāng)可觀。且光影效果的真實(shí)感也不夠。為此我們考慮建立三維真實(shí)人的虛擬模型，放在三維的虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行表演，用虛擬燈光、虛擬攝像機(jī)及一些動(dòng)畫的制作技巧來制作節(jié)目。這樣上述問題就迎刃而解了。但如何建立三維真實(shí)人的虛擬模型，是實(shí)施此方法的關(guān)鍵問題。在整個(gè)人體中人頭人臉形態(tài)又是識(shí)別一個(gè)人的關(guān)鍵部位，由于人像不是簡(jiǎn)單的幾何體組成，且精度較大，因此難度較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決以上問題，特別提出了自動(dòng)建立三維真實(shí)人頭像虛擬模型的應(yīng)用系統(tǒng)。本系統(tǒng)技術(shù)方案為真人頭像三維信息采集裝置，該裝置由條紋投射儀(幻燈機(jī)或投影儀等)、數(shù)碼相機(jī)(或普通相機(jī)加信息輸入裝置)、基準(zhǔn)屏、人物定向座(人物可在固定位置，準(zhǔn)確的旋轉(zhuǎn)角度)幾部分組成。
設(shè)備安裝方式條紋投射儀、數(shù)碼相機(jī)、人物定向座三者組成一個(gè)平面，條紋投射儀及相機(jī)的光軸都在此平面上；基準(zhǔn)屏垂直于該平面，此兩平面的交線應(yīng)與人物定向座的轉(zhuǎn)動(dòng)軸重合。投射出來的條紋應(yīng)和該轉(zhuǎn)動(dòng)軸垂直見圖1。
信息采集方法是用數(shù)碼相機(jī)拍一張基準(zhǔn)屏的圖象，再拍真人坐在人物定向座的圖象。將所有圖象輸入計(jì)算機(jī)經(jīng)處理后得真人三維信息，調(diào)入三維建模軟件得被攝人物的三維虛擬模型。
此法是通過條紋的變形量，來確定第三維的信息。見圖1，圖中T為投射儀，既為投影光軸的出瞳中心；C為照相機(jī)，既為照相機(jī)的入瞳中心；O為物體轉(zhuǎn)軸，P為物體表面任意一點(diǎn)。點(diǎn)P既是物體表面上一點(diǎn)，也是光源發(fā)出的光線與從照相機(jī)位置看過去的視線的交點(diǎn)，知道了兩直線方程，也就可以求得P點(diǎn)的高度值。
要確定兩直線方程，需要借助于兩直線與Y軸的交點(diǎn)。當(dāng)沒有物體時(shí)，實(shí)際經(jīng)過P點(diǎn)的光線將與Y軸相交于M點(diǎn)見圖2，而經(jīng)過物體對(duì)光條的調(diào)制，從照相機(jī)處看過去經(jīng)過P點(diǎn)的視線將與Y軸相交于N點(diǎn)。由M點(diǎn)到N點(diǎn)的位移就是P點(diǎn)調(diào)制光條的結(jié)果，這也是我們反求P點(diǎn)高度Pz的關(guān)鍵。以上設(shè)定是建立在一個(gè)理想情況的基礎(chǔ)上，這里我們將理想情況定義為TC與用戶坐標(biāo)系的Y軸平行；點(diǎn)T與C有相同的z坐標(biāo)，其距離可精確測(cè)量；OC距離也可精確測(cè)量；投影出的光條平面垂直于平面TOC。
通過對(duì)照相機(jī)所拍相片事先的標(biāo)定，M、N可以由相片上所示位置得到，設(shè)定N(Nx，Ny，Nz)，M(Mx，My，Mz)，C(Cx，Cy，Cz)，T(Tx，Ty，Tz)，如圖2所示Nx＝Mx＝Tx＝Cx＝0Nz＝Mz＝0Cy＝0Ty＝dCz＝Tz＝1直線CN方程k=Ny-CyNz-Cz=Ny-00-l=-Ny/l]]>c＝y(tǒng)-kz＝0-(-Ny/l)*l＝Nyy＝kz+c＝-Ny/l*z+Ny(1)直線TM方程k=My-TyMz-Tz=My-d0-l=(d-My)/l]]>c＝y(tǒng)-kz＝My-(d-My/l)*Mz＝Myy＝kz+c＝(d-My)/l*z+My (2)由此可以解得P點(diǎn)高度值Pz(令s＝Ny-My)Pz=ldNy-My+1=l*sd+s----(3)]]>將Pz值代入式(1)中得P點(diǎn)實(shí)際Y值Py=Ny-NydNy-My+1=dd+s*Ny----(4)]]>當(dāng)P點(diǎn)不是位于平面TOC上時(shí)，首先，我們假定該點(diǎn)是位于某一光條所在的光平面TPP1上，另外，存在一個(gè)過視線CP的視線平面垂直于平面TOC，同時(shí)過P點(diǎn)的光平面也是垂直于平面TOC的，所以，兩個(gè)垂直面的相交線PP1也垂直于平面TOC，并且相交于P1點(diǎn)，而且平行于過X軸和Y軸的平面XOY，假定該相交線與平面TOC相交與P1，見圖3。因此，由圖示幾何關(guān)系，在平面TOC上的直線TP1和CP1也就是直線TP和CP在平面TOC上的投影線，我們知道P點(diǎn)高度值Pz也就是P1點(diǎn)高度值，所以求該P(yáng)點(diǎn)的高度值又歸結(jié)到求平面TOC上的P1點(diǎn)的高度值，從而可以應(yīng)用公式(3)、公式(4)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。
見圖4，當(dāng)物體表面P點(diǎn)在平面TOC以外時(shí)，在照片上就是P`，R是直線PP`與X軸的交點(diǎn)，直線PP``與X軸垂直(成像平面實(shí)際應(yīng)在C點(diǎn)右邊)，由相片上P`點(diǎn)得到的P點(diǎn)X值實(shí)際上是R點(diǎn)的坐標(biāo)，從圖中我們可以看出RPP``與RCO是相似三角形，所以P點(diǎn)實(shí)際X值，Rx-PxRx=PzCz]]>Px=Rx*(1-PzCz)=Rx*(1-Pzl)=dc+s*Rx----(5)]]>本系統(tǒng)可以應(yīng)用在(1)在電視節(jié)目及影片制作中，可將虛擬的三維真實(shí)人物放入三維虛擬場(chǎng)景配合已有的動(dòng)畫技術(shù)，用虛擬燈光及虛擬相機(jī)拍攝節(jié)目，大大節(jié)約制作投資。特別對(duì)拍攝驚險(xiǎn)場(chǎng)景時(shí)對(duì)演員有安全保證；光影效果比較協(xié)調(diào)畢真；(2)可用于劇院、歌舞團(tuán)導(dǎo)演設(shè)計(jì)節(jié)目時(shí)用；(3)由于所用設(shè)備比較簡(jiǎn)單，可在少年宮、中小學(xué)開發(fā)孩子的智力和想象力。


圖1系統(tǒng)位置圖；圖2系統(tǒng)位置側(cè)視圖；圖3系統(tǒng)位置軸側(cè)圖；圖4系統(tǒng)位置俯視圖；圖5真人頭像光條紋圖；圖6真人頭像三維模型圖。
具體實(shí)施例方式
真人頭像三維模型建立系統(tǒng)，該裝置由條紋投射儀T、分辨率在300萬象素以上的數(shù)碼相機(jī)C、基準(zhǔn)屏XOY、可旋轉(zhuǎn)360度的人物定向座O，并能讀出旋轉(zhuǎn)角度。
設(shè)備安裝方式為條紋投射儀、數(shù)碼相機(jī)、人物定向座三者組成一個(gè)平面，條紋投射儀及數(shù)碼相機(jī)的光軸都在此平面上；基準(zhǔn)屏垂直于該平面，此兩平面的交線應(yīng)與人物定向座的轉(zhuǎn)動(dòng)軸重合。投射出來的條紋應(yīng)和該轉(zhuǎn)動(dòng)軸垂直，如圖1所示。
信息采集方法是用數(shù)碼相機(jī)拍一張基準(zhǔn)屏的圖象，再拍真人坐在人物定向座的圖象，如圖5所示。將所有圖象輸入計(jì)算機(jī)經(jīng)軟件處理后得真人三維信息，該軟件已申請(qǐng)計(jì)算機(jī)版權(quán)保護(hù)。調(diào)入三維建模軟件如3DSMAX得被攝人物的三維虛擬模型如圖6。
權(quán)利要求
1.一種真人頭像三維模型建立系統(tǒng)，該系統(tǒng)由條紋投射儀、數(shù)碼、基準(zhǔn)屏、人物定向座組成；其特征為條紋投射儀、相機(jī)、人物定向座三者組成一個(gè)平面，條紋投射儀及相機(jī)的光軸都在此平面上；基準(zhǔn)屏垂直于該平面，此兩平面的交線應(yīng)與人物定向座的轉(zhuǎn)動(dòng)軸重合，投射出來的條紋應(yīng)和該轉(zhuǎn)動(dòng)軸垂直。
2.如權(quán)利要求1所述的一種真人頭像三維模型建立系統(tǒng)，其特征為所述的相機(jī)為分辨率在300萬象素以上的數(shù)碼相機(jī)。
3.如權(quán)利要求1所述的一種真人頭像三維模型建立系統(tǒng)，其特征為所述的人物定向座可旋轉(zhuǎn)360度，并能讀出旋轉(zhuǎn)角度。
4.如權(quán)利要求1至3所述的一種真人頭像三維模型建立系統(tǒng)，其特征為系統(tǒng)是用數(shù)碼相機(jī)拍一張基準(zhǔn)屏的圖象，再拍真人坐在人物定向座的圖象，將所有圖象輸入計(jì)算機(jī)經(jīng)處理后得真人三維信息，調(diào)入三維建模軟件得被攝人物的三維虛擬模型。
全文摘要
本發(fā)明為真人頭像三維模型建立系統(tǒng),該系統(tǒng)由條紋投射儀、相機(jī)、基準(zhǔn)屏、人物定向座幾部分組成。其中條紋投射儀、相機(jī)、人物定向座三者組成一個(gè)平面,條紋投射儀及相機(jī)的光軸都在此平面上;基準(zhǔn)屏垂直于該平面,條紋投射儀及相機(jī)的光軸都在此平面上;基準(zhǔn)屏垂直于該平面,此兩平面的交線應(yīng)與人物定向座的轉(zhuǎn)動(dòng)軸重合。投射出來的條紋應(yīng)和該轉(zhuǎn)動(dòng)軸垂直。
文檔編號(hào)G06T17/00GK1360283SQ0210027
公開日2002年7月24日 申請(qǐng)日期2002年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月15日
發(fā)明者沈天行, 孟濤, 袁景玉, 王立雄 申請(qǐng)人:天津大學(xué)