一种基于镜面反射梯度偏振光构建三维人脸法线的方法技术

本发明专利技术技术方案公开了一种基于镜面反射梯度偏振光构建三维人脸法线的方法，包括如下步骤：步骤1：获取不同方向梯度的偏振光图像；步骤2：对获取的偏振光图像进行图像预处理；步骤3：对预处理后的图像进行镜面反射光分离；步骤4：对通过镜面反射光分离出来的图像进行空间变换；步骤5：计算并得到镜面反射法线图；步骤6：重复步骤1至步骤5以得到多个角度的法线图，并将多个角度法线图进行拼接。本发明专利技术可以直接通过多角度梯度光照片生成法线图，不仅细节效果好而且真实度高，镜面反射光的对纹理细节的表达比漫反射要突出，生成的镜面法线图比漫反射得到的信息更丰富。

A Method of Constructing Three-dimensional Face Normal Line Based on Specular Reflection Gradient Polarized Light

【技术实现步骤摘要】
一种基于镜面反射梯度偏振光构建三维人脸法线的方法
本专利技术涉及光学、计算机图形学等
，具体是指通过梯度偏振光图像生成镜面反射法线图，将多角度镜面法线图进行拼接融合生成三维法线模型，法线贴图可以增强三维模型的纹理信息，减少复杂模型计算量，大量应用于数字动画、电影和医疗等多方面领域，尤其是涉及一种基于镜面反射梯度偏振光计算三维人脸法线的方法。
技术介绍
三维模型作为一种新的媒介形式，在生产、学习、娱乐等方面得到了越来越广泛的应用。随着计算机图形学的快速发展，人们已经不再满足于在线的图片、二维游戏及动画效果等。互联网与3D模型相结合的Web3D技术在迅猛发展的网络时代中得到越来越广泛的应用。随着建模软件的不断更新和模型数据采集精度的提高，三维网格模型和纹理贴图的数据量随之增大，但是建立精度高的网格模型会大大增加运算量和运算时间。法线贴图将表达纹理的法线图贴到低模上，在保留高模的效果基础上，大大提高了运算效率，对3D模型重建技术具有重要意义。针对法线贴图的研究，早在1996年，Krishnamurthy与Levoy已经提出了利用高精度网格模型上的凹凸细节特征创造位移贴图来代替模型上的非均匀有理B样条的算法，经历很多年后该方法才慢慢被应用到普通的网格模型上。Cignoniet论述了简化后网格模型恢复丢失细节特征的方法，提出了如何分离出高精度与低精度网格模型的方法，阐述了如何避免低精度网格模型的影响从而恢复简化过程中失去的细节特征的方法。目前国内在法线贴图方面的研究很少，生成法线图的方法的研究也是凤毛麟角。主要的法线贴图手段就是运用Zbrush软件进行雕刻纹理细节或者是用mudbox软件用黑白笔画出凹凸效果建立法线图层，需要消耗大量的时间和精力。
技术实现思路
基于目前的研究现状，本专利技术提出了运用梯度偏振光图像计算法线图来进行建模的方法，省去了大量的人力，也节省了很多时间，满足动画、电影等需要大量建模的需求。为解决上述的技术问题，本专利技术技术方案提供一种基于镜面反射梯度偏振光构建三维人脸法线的方法，其中，所述方法包括如下步骤：步骤1：获取三个方向梯度的偏振光图像；步骤2：对获取的偏振光图像进行图像预处理；步骤3：对预处理后的图像进行镜面反射光分离；步骤4：对通过镜面反射光分离出来的图像进行空间变换；步骤5：计算并得到镜面反射法线图；步骤6：重复步骤1至步骤5以得到多个角度的法线图，并将多个角度法线图进行拼接。在步骤1中，人脸在灯光球照明装置中心，调节一侧灯光亮度由强变弱，在人脸形成渐变光，在照明灯和相机镜头前放置偏振片，调整偏振片角度，拍摄灯光和镜头偏振片平行的图像；改变灯光照射位置，总共获取三个方向的梯度偏振光。调整偏振片方向使得灯光和镜头前的偏振方向垂直，获取三个方向的梯度偏振光。将平行偏振和垂直偏振两组数据标记作为求解镜面法线的数据源。在步骤2中，对拍摄的图像进行辐射校正，将单方向的照片进行相互校准，使得辐射域在相同的范围内；设定阈值去除图像中高亮部分，将高于阈值的接近于饱和的亮度区域进行等比例压缩；最后对图像进行Gamma校正，增强图像对比度。在步骤3中，将同一组预处理后的平行偏振图像和垂直偏振图像通过运算分离出镜面反射。在步骤4中，将三个方向梯度图进行归一化，转化到[-1,1]范围内；再将RGB三通道转化到HSL空间，将L(亮度)通道分离出来。在步骤5中，将亮度图代入BRDF，通过坐标转换和化求得法线矢量坐标，将坐标转换到[0,1]范围内映射到RGB通道生成法线图。可选地，在步骤6中，重复步骤1至步骤5步骤完成其他角度的法线图，然后通过特征匹配将多角度法线图进行拼接融合，形成三维立体法线模型。本专利技术技术方案的有益效果是：本专利技术通过多角度梯度光照片生成镜面法线图，不仅细节效果好而且真实度高，镜面反射光的对纹理细节的表达比漫反射要突出，面部皱纹的特征会更加明显，对漫反射法线图起到纹理增强的效果。附图说明图1为本专利技术的基于镜面反射梯度偏振光构建三维人脸法线的方法的流程图；图2为本专利技术实施例中多角度平行偏振照片；图3为本专利技术实施例中镜面反射法线结果图；图4为本专利技术实施例中基于镜面反射的三维重建效果图。具体实施方式：下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，但不应以此限制本专利技术的保护。本专利技术利用空间坐标系中三个不同方向的梯度偏振光的数字图像来计算物体表面法线方向，并生成镜面法线图，应用到三维人脸重建从而增强重建细节。首先进行预处理增强图像对比度，然后将偏振图片进行镜面反射光提取，将反射光图像的RGB三通道图像转化到HSL通道，用L(亮度)通道的单通道图像计算得到梯度反射光，通过梯度反射光的特性应用镜面反射的BRDF定律计算法线方向，应用RGB通道存储法线坐标生成法线图。将多角度法线拼接融合形成立体法线图，用于三维重建法线贴图。请参阅图1，如图所示，一种基于镜面反射梯度偏振光构建三维人脸法线的方法，包括如下步骤：步骤1：获取不同方向梯度的偏振光图像；将物体(人像)放在灯光球的中心位置，在空间坐标系中，X、Y、Z轴三个方向分别放置照明装置，在各个照明装置前放置偏振片。在物体的正前方放置相机，相机前放置偏振片。调整偏振片方向使得灯光和镜头偏振方向平行，单独打开X方向的灯光，拍摄平行偏振的人像照片。按照同样的步骤获取Y和Z方向的光源的照片，获得第一组照片。调整偏振片方向使得两者偏方向垂直，拍摄X、Y、Z三个方向的图像，得到第二组照片。将两组数据标记作为求解镜面法线的数据源。步骤2：对获取的偏振光图像进行图像预处理；对拍摄的图像进行辐射校正，将单方向的照片进行相互校准，使得辐射域在相同的范围内。设定阈值t去除图像中高亮部分，将高于阈值的接近于饱和的亮度区域进行等比例压缩。最后对图像进行Gamma校正，增强图像对比度。步骤3：镜面反射光分离。当反射光偏振方向和相机前的偏振片方向平行时的镜头的入射光包括透过的漫反射光ID和镜反射光IS。当两者垂直时入射光通过相机偏振片的只有漫反射光ID。所以通过偏振片得到的两种偏振图像可以分离出镜面反射光IS＝I2-I1。依照以上性质，用两组照片进行简单的运算可以得到镜面反射光的图像。步骤4：镜面反射图像空间变换。将三方向镜面反射光图像的灰度值进行归一化，转化到[-1,1]范围内。再将RGB三通道图像转化到HSL空间，提取L(亮度)通道图像。步骤5：计算镜面反射法线图。根据镜面反射BRDF双向反射分布函数：其中是镜面反射方向,S是镜面反射锥角，根据梯度光方向特性并通过坐标转换进行化简可以得到：归一化向量得到视角方向的反射归一化的和的中间向量与镜面反射的法线方向相关,就可以得到物体表面的镜面反射法线了。将镜面反射法线的X、Y、Z坐标分量换算到[0,1]范围内分别放入RGB通道来表达法线方向坐标从而得到一个通道法线图。步骤6：多角度法线图拼接。用照相机拍摄物体其他角度的梯度光照图像，按照上述1-5步骤完成其他角度的法线图，然后基于SIFT算法进行特征提取，特征匹配得到重叠区域的同名点，将多角度法线图进行拼接融合，形成三维立体法线模型。综上所述，本专利技术直接通过多角度梯度光照片生成法线图，不仅细节效果好而且真实度高，镜面反射光的对纹理细节的表达比漫反射要突出，生成的法线图比漫反射得到的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于镜面反射梯度偏振光构建三维人脸法线的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1：获取三个方向的梯度偏振光图像；步骤2：对获取的偏振光图像进行图像预处理；步骤3：对预处理后的图像进行镜面反射光分离；步骤4：对通过镜面反射光分离出来的图像进行空间变换；步骤5：计算得到镜面反射法线图；步骤6：重复步骤1至步骤5以得到多个角度的镜面反射法线图，并将多个角度镜面反射法线图进行拼接构建三维人脸法线图。

【技术特征摘要】
1.一种基于镜面反射梯度偏振光构建三维人脸法线的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1：获取三个方向的梯度偏振光图像；步骤2：对获取的偏振光图像进行图像预处理；步骤3：对预处理后的图像进行镜面反射光分离；步骤4：对通过镜面反射光分离出来的图像进行空间变换；步骤5：计算得到镜面反射法线图；步骤6：重复步骤1至步骤5以得到多个角度的镜面反射法线图，并将多个角度镜面反射法线图进行拼接构建三维人脸法线图。2.根据权利要求1所述的基于镜面反射梯度偏振光计算三维人脸法线的方法，其特征在于，在步骤1中，人脸在灯光球照明装置中心，四周都布置有照明灯，将中心点作为原点建立坐标系，坐标轴为X、Y、Z轴；打开一侧X轴方向的灯光亮度由强变弱，在人脸形成渐变光，然后在照明灯和相机镜头前放置偏振片，调整偏振片角度，使得灯光偏振方向和镜头入射光的偏振方向平行，并拍摄图像；改变单侧光照射方向总共获取X、Y、Z三个方向的梯度偏振光图像；然后调整偏振片方向，使得灯光偏振方向和镜头入射光的偏振方向垂直，并依照上述方式拍摄X、Y、Z三个方向梯度偏振光图像；将平行偏振和垂直偏振两组数据标记作为求解镜面反射法线的数据源。3.根据权利要求1所述的基于镜面反射梯度偏振光计...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄硕，卜弘毅，胡勇，巩彩兰，顾耕，王薇，许琦，张宁豪，
申请(专利权)人：嘉兴超维信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33