头部建模研究
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【摘要】就个性化服装拟人模特的历史和现状进行了全面的综述，介绍了其主要内容和实现方法，并指出了现存的问题和相应的可能解决途径与策略，最后，基于创新的考虑，对头部建模研究提出了一点构想以及其新的发展方向。
【关键词】头部建模；个性化服装设计；拟人模特；CAD
1.引言
信息技术与网络技术的飞速发展，使得在各种各样的系统或者电脑虚拟环境中加上个性化的“人”越来越受到人们的青睐，因为我们的社会是一个由形形的单个“人”组成的，人参与了社会的所有活动，人是一个现实生活离不开的元素之一。而虚拟人技术研究可以简单地理解为人类自身的数字化问题，但是，要从深层次上去考虑的话，虚拟人技术也是虚拟现实的一部分，它需要以虚拟现实技术为基础，主要研究人类的各种物理特性在虚拟空间中的数字化表示，比如人类的一些常用动作、表情等，都需要高度真实的用数字化表现人类特性。
而今网上购物走进了我们的生活，2010年，我国网购交易金额达到5231亿元，即使电子商务在各行各业都很火爆，但是对于服装的网购满意率还没有达到理想的效果，究其原因，是因为服装的选购不同于其他商品，这个过程必须根据每个人的高矮胖瘦，本人进行现场试衣，才能买到与自己身材匹配的衣服，对于没有当场试穿的衣服，顾客一般不敢轻易买下。因此服装辅助系统的实现及其功能的逐渐完善已经成为近年来服装行业和CAD界研究人员研究的热点。目前市场上已有的服装CAD系统一般都是在二维层面上操作，仅仅实现的功能有：放码设计、款式设计、纸样设计、效果图设计等[1]。二维服装CAD辅助系统存在比较大的缺点，那就是不能很好的体现服装立体感，给人的视觉没有冲击力的效果。而对于购买衣服的客户来说，更不能看到自己穿上衣服的虚拟着装效果，又由于不同的个体之间存在差异，往往设计的服装不能满足客户们越来越高的个性化服装展示需求。
针对二维服装CAD系统的这些不足，为了满足人们希望购衣时能够简单方便形象地看到自己虚拟试衣效果的愿望，研究者们致力于研究个性化三维服装设计和演示系统，使用户可以方便的选择自己喜欢的衣服，然后根据自己的身材使用虚拟模特代替试衣，可以让客户形象地看到自己在虚拟环境里的试衣效果。然而在研究三维服装CAD系统的过程中，三维服装模特建模起着至关重要的作用，只有好的模特的建立才是真正个性化试衣的体现，因此模特建模方法的研究也就成了人们关注的热点之一，三维服装拟人模特的逼真程度直接决定了整个系统的开发过程；拟人模特的身体建模可以通过人为的一些测量，获得身体主要参数，比如身高、体重、腰围等，然后实现参数化建模，这些研究已经相当纯熟，然而根据我们人类的视觉系统要求，要识别一个人，一般都是看他的头部，所以要实现让顾客看到形象的“自己”在虚拟场景的穿衣效果，就必须实现头部逼真建模，这就是本文研究的出发点。
我们要辨识人，或者让别人看到试衣系统里的模特就是我们自己，就需要头部模型非常形象逼真。但要在虚拟环境里实现个性化的三维头部建模，是一个非常具有挑战性的课题。首先，人的头部不同于身体的其他部位，从医学上来说，人的头部的生理结构非常复杂，它包括人脸、头发等，单单是人脸的表情变化就有千万种；第二，头部的建模主要还是脸部的模型建立，人脸也具有很复杂的几何结构，建模肯定要获取其几何数据，这就是其中的一大难题，这牵涉到人脸皮肤和肌肉的动力学知识；再有就是，人脸建模受光线影响也很复杂，不同角度的光线对人脸皮肤会产生不同的折射和散射，因此解决光照在人脸建模中的影响也是一大难题。在个性化服装拟人模特的头部建模中，如果能解决这一跨物理学、心理学、生理学等多个学科领域的难题，这不仅为复杂对象的建模研究提供帮助，而且对于相似的研究方向也能起到相应的推动作用。
2.研究现状
在计算机图形学中，三维头部模型的建模一直以来是一个非常难的问题，在过去的二三十年里，已经提出过多种三维头部模型的建模方法。
个性化头部建模可以从两个方向去实现，一是根据第一步骤提取到的三维数据直接建立三维头部模型，这种实现方法因为有高精度的三维数据，而且还不需要非常复杂的建模算法，但是要想获得这么稠密三维数据不容易，一般需要设备的精确度非常高，而且这类设备价格一般都比较昂贵，因此对于这种方法研究者们很少使用；第二种思路就是借助外部导入的一个三维通用模型，结合获取到的特征信息，通过形变的方法，使通用模型恢复其结构信息，生成个性化头部模型，该方法用到的特征信息一般都是一些分散的点，这些点可以从视频序列或者照片中获取，这就对设备要求很低了，借助一般的结构光相机就可以得到了，因此该方法深受广大研究者追捧。但怎样才能获得个性化的模型，又是一个普遍难题，也是科研工作者的主要研究工作之一。
基于上述研究导向与思路，目前国内外研究者们在三维头部建模方面做出了一些突出贡献，现列举如下：
在国际上，有Lee、Waters等人提出的使用三维激光扫描仪来建立三维头部模型，他的思路是通过三维扫描仪取得模塑物体的三维坐标然后通过坐标建模[1]；也有P.Fua、Z.Liu、等人提出的利用人脸照片序列来构建三维脸部模型[2]；还有P.Marc等人使用结构光相机，在物体上产生固定样式的条纹，根据条纹形状计算物体三维位置，然后实现模型建立[3]；T.Akimoto提出使用两张正交照片来建立三维头部模型[4]；之前也有W.S.Lee，N.M.Thalmann等人还提出了利用二张或多张照片构造人脸模型的方法[5]。
在国内也出现了多种研究方法：中国科学院自动化研究所采用激光扫描的三维数据获取，构建头部模型[6]；中国科学技术大学采用两张正交人脸照片建立三维人脸模型并设计了简单的面部表情动画[7]；浙江大学几位老师也采用二维照片获取数据，还给出了一个内嵌肌肉向量的通用三维脸部模型[8]；清华大学使用三角样条曲面进行建模[9]；晏洁等[10]给出了一种基于通用的人脸模型变形的个性化特定人脸和多方向纹理映射方法合成的三维人脸建模方法；陈意云等[11]提出了线性弹性模型和肌肉模型，刘卉，许端清，陈纯.服装CAD综述[12]，
综上所述，研究者们在人脸建模等方面已经取得了不少成就，但是目前研究大多针对人脸及表情的建模，完全忽略头发的影响因素，很显然这是不现实的，一个个性化的头部模型必须有头发及发型的建模，逼真的脸部模型加上头发建模才是个性化的体现。
L.D.Harmon，R.Lasch，M.K.Khan and P.F.Ramig[13]基于统计的面部特征提取方法，前提条件是脸部的几个主要特征点相对位置比较稳定，依据这一关系，设计了一套自动机制找出特征点的相对几何位置，这一方法简单快捷，但这套寻找特征点的自动机制不好设计，而且容易受外界环境影响，比如人是否戴眼镜、光线是否好，这样造成的结果就是效果不甚理想。
三维个性化虚拟人早已成为虚拟现实中必不可少的元素之一，在三维试衣系统里，用拟人模特代替客户试衣，展现所选衣服的试穿效果，是目前服装CAD方向的研究热点之一。要真正实现“个性化”的试衣效果，就需要拟人模特的头部建模非常逼真，因为人的身体在试衣系统里都会被衣服遮盖，而且我们辨识人是通过我们的视觉系统对人的脸部进行识别。本文针对三维服装拟人模特头部建模进行了系统而全面的研究，结合目前主要的三维头部建模方法，设计了一种基于正侧面两张二维人脸照片的头部建模思路，有步骤的从脸部特征点提取、插值变形三维通用头部模型、发型建模、纹理图合成、纹理映射这几个方面进行了具体的研究和实现。
3.展望
运用于个性化服装设计与制造的拟人模特头部建模工作已经取得了很多不错的效果，但是仍然有不少的问题值得研究，简述如下：
（1）需要输入的照片有求比较严格，需要严格正交的两张照片、无表情、无眼镜等影响，
但是在实际生活中，真要实现个性化拟人模特头部建模，不能用无表情、无眼镜等条件约束客户，因此要实现无任何条件限制的照片输入，进行头部建模还需要很大的工作量。
（2）根据我们的实验，几乎所有的头发长度在肩部以上的发型模型，用本文的头发建模方法都能实现，但是如果头发太长，长到肩部以下的话，用本文的方法不是特别理想，因此还需要进行深入研究。
（3）光线问题考虑不足，对于给定图片肯定有光照的影响，要获得跟真人一样逼真的三维头部模型，就必须考虑光照对人脸建模的影响，这也需要更多的工作研究。
参考文献
[1]Y.Lee,D.Terzopoulos,and K.Waters,“Realistic modeling for facial animation,”Computer Graphics,29(4):55-62,1995.
[2]P.Fua,“Face models from uncalibrated video sequences,”CAPTECH’98 Lecture Notes in Artificial Intelligence(LNAI)1537,214-228,1998.
[3]P.Marc,V.G.Luc,“Reading between the lines a method for extracting dynamic 3D with texture”,Symposium on Virtual Reality Software and Technology’97,95-102,1997.
[4]T.Akimoto,Y.Suenaga and R.S.Wallace,“Automatic creation of 3D facial models,”IEEE Computer Graphics and Applications,13(5):16-22,1993.
[5]H.H.S Ip and L.Yin,“Constructing a 3D individualized head model from two orthogonal views,”The Visual Computer,12:254-266,1996.
[6]李红霞.三维面像重建与分割[M].北京:中国科学院自动化研究所,2000:1-24.
[7]王奎武,董兰芳.基于MPEG-4的人脸变形算法的研究[J].计算机辅助设计与图形学学报,2002,14(1):21-25.
[8]梅丽,鲍虎军.基于实拍图像的人脸真实感重建[J].计算机学报,2000,23(9):996-1002.
[9]张辉.真实感动画人脸的建模研究[J].北京:清华大学计算机科学与技术系,2002:1-15.
[10]晏洁,高文.基于一般人脸模型修改的特定人脸合成技术[J].计算机辅助设计与图形学学报,1999,11(5):389-394.
[11]张翔宇,华蓓,陈意云.人脸建模和动画的基本技术[J].计算机辅助设计与图形学学报,2001,3(4):342-347.
[12]刘卉,许端清,陈纯.服装CAD综述[J].计算机辅助设计与图形学学报,2000(6):12-16.
[13]L.D.Harmon,R.Lasch,M.K.Khan and P.F.Ramig,“Machine identification of human faces,”Pattern Recognition,13(2):97-110,1981.
作者简介：
吴晓超，大学本科，现就读于温州医学院信息与工程学院08信息系统与信息管理专业。
倪世贵，温州大学物理与电子信息工程学院研究生。
盛亚英，大学本科，现就读于温州医学院信息与工程学院08计算机科学与技术专业。
戴依依，大学本科，现就读于温州医学院信息与工程学院08计算机科学与技术专业。
通讯作者：白宝钢，温州医学院信息与工程学院教师，主要从事数学模型与计算机仿真等领域的研究工作。