專(zhuān)利名稱(chēng)：一種三維人臉的特征點(diǎn)自動(dòng)定位的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于模板匹配的三維人臉的特征點(diǎn)自動(dòng)定位的方法，尤其涉及一 種以空間劃分、直方圖統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)的描述三維曲面局部特征、提高三維人臉的特征點(diǎn)自動(dòng) 定位的通用性與精準(zhǔn)性的方法。
背景技術(shù)：
三維成像技術(shù)與三維采集設(shè)備的發(fā)展，三維數(shù)據(jù)獲取愈發(fā)簡(jiǎn)潔、精確，促進(jìn)了三維 人臉處理領(lǐng)域的飛速發(fā)展。其中，三維人臉的特征點(diǎn)是人臉數(shù)據(jù)精確對(duì)齊的基準(zhǔn)點(diǎn)，也是某 些算法的錨定點(diǎn)并成為該算法求解的限定條件之一，是三維人臉預(yù)處理階段的核心工作之
ο鑒于三維人臉的特征點(diǎn)定位的精確與否將直接影響到某些三維人臉?lè)椒ǖ臏?zhǔn)確 性，因此常常需要手工標(biāo)定，成為限制三維人臉應(yīng)用領(lǐng)域全自動(dòng)化處理的瓶頸之一。現(xiàn)有的 三維人臉的特征點(diǎn)自動(dòng)定位的方法是基于人臉曲面結(jié)構(gòu)特征、針對(duì)特定的特征點(diǎn)設(shè)計(jì)的， 僅能自動(dòng)定位少數(shù)幾種人臉特征點(diǎn)，如基于曲率、基于側(cè)影線的定位方法等，顯然不能滿足 某些研究領(lǐng)域的實(shí)際需要。于此同時(shí)，三維數(shù)據(jù)中常常含有大量的噪聲以及異常值，也限制 了某些三維人臉的特征點(diǎn)自動(dòng)定位的方法的準(zhǔn)確性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為突破僅有少數(shù)幾種三維人臉的特征點(diǎn)可被自動(dòng)定位的限制、 提高三維人臉的特征點(diǎn)自動(dòng)定位方法的精準(zhǔn)性，而發(fā)明的一種基于空間劃分、直方圖統(tǒng)計(jì) 的描述三維人臉局部曲面特征的精確、通用的三維人臉的特征點(diǎn)自動(dòng)定位的方法。本發(fā)明提供了一種三維人臉的特征點(diǎn)自動(dòng)定位的方法，其包括如下步驟(1)三維人臉模型的姿態(tài)定位通過(guò)檢測(cè)三維人臉模型的對(duì)稱(chēng)面，確定人臉姿態(tài)，將三維人臉模型置于統(tǒng)一的坐 標(biāo)框架之中，確保步驟(2)、步驟(3)中頂點(diǎn)的子空間劃分以及子空間的直方圖統(tǒng)計(jì)的統(tǒng)一 性；步驟(1)中的三維人臉對(duì)稱(chēng)面檢測(cè)采用的方法是使用主元分析求解三維人臉數(shù)據(jù)主元 方向，并通過(guò)使用ICP方法對(duì)齊原始模型與其鏡像模型，然后求解對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)的中軸面作為 三維人臉的對(duì)稱(chēng)面。(2)頂點(diǎn)的子空間劃分對(duì)于三維人臉模型中的某個(gè)頂點(diǎn)，對(duì)其附近的三角面片進(jìn)行子空間劃分，得到該 頂點(diǎn)的所有子空間；步驟(2)中采用的子空間劃分方法為兩個(gè)子空間的笛卡爾積，將第i個(gè)頂點(diǎn)周?chē)?R鄰域內(nèi)的所有三角面片劃分到MXN個(gè)子空間之中，其中M = 8，N = 8，并采用如下劃分方 法
權(quán)利要求
一種三維人臉的特征點(diǎn)自動(dòng)定位的方法，其包括如下步驟(1)三維人臉模型的姿態(tài)定位通過(guò)檢測(cè)三維人臉模型的對(duì)稱(chēng)面，確定人臉姿態(tài)，將三維人臉模型置于統(tǒng)一的坐標(biāo)框架之中，確保步驟(2)、步驟(3)中頂點(diǎn)的子空間劃分以及子空間的直方圖統(tǒng)計(jì)的統(tǒng)一性；(2)頂點(diǎn)的子空間劃分對(duì)于三維人臉模型中的某個(gè)頂點(diǎn)，對(duì)其附近的三角面片進(jìn)行子空間劃分，得到該頂點(diǎn)的所有子空間；(3)子空間的直方圖統(tǒng)計(jì)在依據(jù)步驟(2)中得到的該頂點(diǎn)的所有子空間中，對(duì)于某個(gè)子空間，將屬于該子空間的三角面片的法向空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分，逐一統(tǒng)計(jì)法向位于該網(wǎng)格內(nèi)的三角面片的面積，構(gòu)成這一子空間的直方圖；(4)頂點(diǎn)的特征描述子將步驟(3)中得到的該頂點(diǎn)的所有子空間的直方圖連接成一個(gè)向量，此向量即是該頂點(diǎn)的特征描述子；(5)三維人臉的特征點(diǎn)模板的構(gòu)建選取若干人的三維人臉模型作為訓(xùn)練樣本，并手工標(biāo)定訓(xùn)練樣本的三維人臉的特征點(diǎn)，分別按步驟(2)、步驟(3)、步驟(4)計(jì)算三維人臉的特征點(diǎn)在所有訓(xùn)練樣中的特征描述子，構(gòu)成訓(xùn)練集合，將該訓(xùn)練集合的數(shù)學(xué)期望作為人臉特征點(diǎn)的模板；(6)三維人臉的特征點(diǎn)的定位對(duì)于測(cè)試樣本中的每一個(gè)頂點(diǎn)按照步驟(2)、步驟(3)、步驟(4)計(jì)算該頂點(diǎn)的特征描述子，計(jì)算其與三維人臉的特征點(diǎn)模板的相似度，選取相似度最高的一個(gè)頂點(diǎn)作為定位結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維人臉的特征點(diǎn)自動(dòng)定位的方法，其特征是步驟(2)中 在對(duì)第i頂點(diǎn)進(jìn)行子空間劃分時(shí)，依據(jù)下述方法dij = I I Vi-Cj I I 式 1 fl- = (WTt^ 9/( -11231· 2:31:1 {-—j— ,me N,η = 1,2,3,...N 式 4 \ N N JTi = Σ δ J, if, Clij ^ R 式 5其中，Vi為三維人臉數(shù)據(jù)中的第i個(gè)頂點(diǎn)，Cj為三維人臉數(shù)據(jù)中的第j個(gè)三角面片、 的重心，Clij表示在歐氏空間中頂點(diǎn)Vi到重心Cj的距離，兩ξ表示由點(diǎn)Vi與點(diǎn)Cj構(gòu)成的向 量，P、(瓦ξ)表示歐氏空間中的向量g在由X軸Y軸所構(gòu)成的平面上的投影在二維極 坐標(biāo)系中θ軸上的值，式3中R表示頂點(diǎn)Vi的局部曲面影響半徑，并依據(jù)歐氏距離在\周 圍構(gòu)建M個(gè)子空間，式4表示對(duì)由X軸Y軸所構(gòu)成的平面的二維極坐標(biāo)系中θ軸的取值范 圍進(jìn)行劃分，構(gòu)建N個(gè)子空間，則三維人臉數(shù)據(jù)中Vi的所有子空間為式3與式4的笛卡爾積，即將Vi周?chē)鷦澐譃镸XN個(gè)子空間，如果￥ <知< !^且i^Hf < θ < ；，MMMJfIHf則三維人臉數(shù)據(jù)中的第j個(gè)三角面片、屬于Vi的第mXη個(gè)子空間，δ j表示第j個(gè)三角面 片、的面積，Ti表示小于R的所有三角面片的面積和。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維人臉的特征點(diǎn)自動(dòng)定位的方法，其特征是步驟(3)中 在對(duì)Vi的第mXn個(gè)子空間進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)時(shí)，依據(jù)下述方法 其中，％表示三維人臉數(shù)據(jù)中第j個(gè)三角面片的法向，C * )表示向量*在三維極坐標(biāo)系中φ軸上的數(shù)值，且取值范圍僅限〖0，I)這一區(qū)間，即a」表示g在三維極坐標(biāo)系中φ軸上的分量，P e W表示向量*在三維極坐標(biāo)系中θ軸上的數(shù)值，S卩β」表示g在三 維極坐標(biāo)系中θ軸上的分量，式8表示依照三維極坐標(biāo)系中φ軸的取值范圍，將法向空間 分為L(zhǎng)個(gè)網(wǎng)格，式9表示依照三維極坐標(biāo)中θ軸的取值范圍，將法向空間分為4L個(gè)網(wǎng)格，則 Vi的第mXn個(gè)子空間中的法向空間的網(wǎng)格劃分為式8與式9的笛卡爾積，即劃分為L(zhǎng)X4L網(wǎng)格，彡表示三角面片法向位于第kaXke網(wǎng)格內(nèi)的三角面片的面積和，hmXn表示Vi 的第mXn個(gè)子空間的直方圖。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維人臉的特征點(diǎn)自動(dòng)定位的方法，其特征是步驟(3)、步 驟(4)中頂點(diǎn)的子空間劃分以及直方圖統(tǒng)計(jì)依據(jù)M = 8，N = 8，L = 3或6，R = 30. 0。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維人臉的特征點(diǎn)自動(dòng)定位的方法，其特征是步驟(4)中 在對(duì)第i頂點(diǎn)特征描述子時(shí)，依據(jù)下述方法Hifli-L.iA.Ti!式12其中，Hi表示頂點(diǎn)Vi的特征描述子。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維人臉的特征點(diǎn)自動(dòng)定位的方法，其特征是步驟(5)中 在三維人臉的特征點(diǎn)模板的構(gòu)建過(guò)程中依據(jù)下述方法=ft-式 131Jffficial = ~ Zij-=I nJ-其中，Hfacdal為三維人臉的特征點(diǎn)的模板，ρ為訓(xùn)練樣本數(shù)量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維人臉的特征點(diǎn)自動(dòng)定位的方法，其特征是步驟(6)中 在對(duì)三維人臉的特征點(diǎn)的定位時(shí)，計(jì)算相似度采用下述方法S.fucitil.j,式14其中，Sfacial，表示頂點(diǎn)Vi的特征描述子與人臉特征點(diǎn)模板的相似度，JC》表示對(duì)兩個(gè)直方圖V, V進(jìn)行χ 2運(yùn)算，ε是一個(gè)很小的數(shù)值以修正相似度，并確保分母不為0。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種三維人臉的特征點(diǎn)自動(dòng)定位的方法，其步驟如下(1)三維人臉模型的姿態(tài)定位；(2)頂點(diǎn)的子空間劃分；(3)子空間的直方圖統(tǒng)計(jì)；(4)頂點(diǎn)的特征描述子；(5)三維人臉的特征點(diǎn)模板的構(gòu)建；(6)三維人臉的特征點(diǎn)的定位。本發(fā)明的積極效果在于通過(guò)描述局部曲面，突破僅有少數(shù)幾個(gè)三維人臉的特征點(diǎn)可自動(dòng)定位的限制、提高三維人臉的特征點(diǎn)定位方法的精準(zhǔn)性與通用性。
文檔編號(hào)G06K9/66GK101976359SQ20101029677
公開(kāi)日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月26日
發(fā)明者吳朝暉, 張曉博, 潘綱 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)