《武汉工程大学学报》 2015年11期
52-57
出版日期：2015-12-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
基于光栅式双目技术的３Ｄ照相技术研究
０ 引 言随着技术的进步、大众消费理念的变化，３Ｄ人像打印渐渐走进人们的生活. 与传统“泥人张”手工人像相比，３Ｄ人像打印制作过程简单、周期短、精度高. ３Ｄ人像打印主要包括人像建模和人像打印两个部分. 目前，根据输入数据不同，人像建模的主要方法有两种. 第一，通过输入图像重构三维模型［１－２］，如利用统计学的单张图片重构法、利用特征点匹配的多张图片重构法. 其输入一般为二维图像，如照片、视频等. 此类技术运用计算机图形学、计算机几何、人体几何特征、数学计算、统计学数据等知识来实现. 相应的软件如，ｆａｃｅｇｅｎ、ｃａｎｄｉｄｅ、ａｇｉｓｏｆｔ等，用于对精度要求不高的情况. 第二，利用三维扫描仪扫描人体，直接获取人体的三维点云数据. 使用的仪器如面结构光扫描仪、光栅扫描仪、红外扫描仪、ＣＴ扫描仪等［３］. 该方法可以较为准确逼真的得到人体模型. ３Ｄ打印技术于１９９５年在美国麻省理工学院诞生［４］. ３Ｄ打印技术种类众多，例如，选择性激光熔化成型、石膏３Ｄ打印、分层实体制造、熔融沉积技术、光固化成型技术. 目前，使用最多，运用最广的就是熔融沉积技术. 采用双目光栅测量系统. 利用逆向工程软件Gｅｏｍａｇｉｃ ｓｔｕｄｉｏ １２，进行数据拼接，得到人体模型. 利用３Ｄｍａｘ软件建立发型库. 将人体数据与发型数据进行拼接、修补、封装等处理，获得完整的三维人像模型. １ 基于光栅测量的人像建模人体存在大约２ Ｈｚ的自然频率，即人的表情和身体会发生微小抖动，影响三维模型质量. 为提高采集数据的精确性、完整性，需要减少拍摄时间和次数. 光栅测量为结构光投射方式的多线模式，能够一次获得较多数据，满足要求. 光栅投影到人体经过调制得到变形光栅，两个摄像机从正面、左右两个侧面背面等位置采集变形光栅，将数据导入计算机进行计算，最终得到相应面人体特征点数据. 利用软件Gｅｏｍａｇｉｃ ｓｔｕｄｉｏ １２，将数据进行拼接，得到人体模型. 利用３Ｄｍａｘ软件建立由于光照原因无法测量的发型库数据. 将人体与发型数据进行拼接、修补以及封装，最终获得完整的三维人像模型. 具体流程如图１所示. 图１ 三维人像模型建模流程Ｆｉｇ．１ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ３Ｄ ｐｏｒｔｒａｉｔ ｍｏｄｅｌｉｎｇ２ 光栅式双目扫描计算原理采用的扫描系统由两个ＣＣＤ摄像机和一个光栅投影仪组成. 其基本原理为，首先通过测量系统标定，得到光栅式双目系统参数，即摄像机内外参数以及其光栅投影之间几何位置关系. 然后向被测物体表面投射一组光栅图像，光栅经调制变形，两照相机同时拍摄变形光栅图像. 采用一定的算法求取变形光栅的相位分布，得到绝对相位，完成两幅图像点的匹配；最后根据双目视觉原理，解算出被测物体的三维点云坐标. ２．１ 光栅相位计算对光栅图像主值相位求解采用四部相位法，将光栅在垂直栅线条方向上平移１／４个栅距，四副标准相位光栅图像的初始相位分别为０、π／２、π、３π／２，其光强表达式如下： Ｉ１＝Ｉ′（ｘ，ｙ）＋Ｉ″（ｘ，ｙ）ｃｏｓ［?渍（ｘ，ｙ）］Ｉ2＝Ｉ′（ｘ，ｙ）＋Ｉ″（ｘ，ｙ）ｃｏｓ［?渍（ｘ，ｙ）+π/２］Ｉ3＝Ｉ′（ｘ，ｙ）＋Ｉ″（ｘ，ｙ）ｃｏｓ［?渍（ｘ，ｙ）+π］Ｉ4＝Ｉ′（ｘ，ｙ）＋Ｉ″（ｘ，ｙ）ｃｏｓ［?渍（ｘ，ｙ）+3π/２］（１）Ｉｉ（ｘ，ｙ）为图像坐标点（ｘ，ｙ）的光强，Ｉ′（ｘ，ｙ）为图像平均灰度值，Ｉ″（ｘ，ｙ）为图像灰度调制幅值， ?渍（ｘ，ｙ）为待求的主值相位，即相对相位. 根据式（１）可以得到： ?准(ｘ，ｙ)=tg-1■(-πundefined