光栅式双目技术在3D照相技术中的应用研究

邓慧 赵鹏 孙桐

摘 要：3D照相主要是由三维人像建模与3D打印两大部分构成。模型精度会从根本上对打印质量产生决定性作用。借助光栅双目三维扫描仪得到三维数据，获取具备较高高精度的人像模型。头发部分很难通过扫描的方式获取到，只有通过完善发型模板库，同时借助扫描数据以及发型数据相结合的方式，最终获取全部的人像模型。高效运用熔融沉积技术开展3D打印工作，最终获取到塑料3D人像。实验中通过对上述方法所获取的塑料人头与真实人头进行多方位的比对，所得到的最终结果表明，两者之间差距较小。

关键词：光栅式；双目技术；3D照相技术

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.136

0 引言

在科学技术飞速发展的今天，人类对于可以科技的依赖性和要求都在随之不断上升。在这样的社会背景之下，3D人像打印技术慢慢进入了人类生活。在很早之前，我国就出现过类似于“泥人张”这类的手工人像技术，但是3D人像打印作为一种新兴的高科技技术，同传统技艺相比不仅具备更高的精度，还有更短的周期。

1 基于光栅测量的人像建模

光栅投影到人体主要通过调制的方式来最终获取变形光栅，专门增设两台摄像机，分别在其正面以及左右两个侧面和背面等位置来共同进行数据采集工作，待采集工作全部完成之后，将所得到的数据全部输送到计算机内部，最终借助计算机以及相关数据获取相关的人体特征点数据。把人体数据和发型数据两者有效组合起来，并对组合后的数据开展一定的修补和封装工作，通过这样的方式来得到全面的三维人像模型。

現阶段，由于所输入的数据存在着各种差异，人像建模通常情况下能够被划分为下列两类：第一种方法是，借助输入图像来从新重新创建三维模型。与之相关的软件主要包括：facegen﹑candide﹑agisoft等，这些软件的使用前提就是精度要求较低。另一种方法为，借助三维扫描仪直接对人体进行全方位扫描，快速获取相关的三维点云数据。上世纪九十年代，位于大洋彼岸的麻省理工学院诞生研究出了轰动世界的3D打印技术，这类技术是由多种多样的不同技术共同组成的，比如说，石膏3D打印﹑熔融沉积技术﹑光固化成型技术。现阶段，存在着更为广泛的用途的技术就是熔融沉积技术。借助3Dmax软件完善发型库。把人体数据和发型数据两者有效组合起来，并对组合后的数据开展一定的修补和封装工作，通过这样的方式来得到全面的三维人像模型。

2 光栅式双目扫描计算原理

光栅式双目扫描计算原理是，第一步是借助测量系统进行相关的标定，通过标定工作获取准确的光栅式双目系统参数。借助某些具体的算法求出变形光栅的分布情况，获取绝对相位；最终回到双目视觉的基本原理上来，就能够很容易看出被测物体准确的三维点云坐标。

2.1 发型库

近些年来，在对人类头发进行扫描时，往往需要借助红外扫描仪来完成，但依然达不到预期效果。通过间接法的形式来完成对人物发型的创建工作，尽快建立健全相关的发型库，在获得了人体模型以后，能够充分尊重顾客的个人意愿，选取最佳的发型，通俗来讲就是借助发型移植法，把具体的人体模型不经任何转变的引入3Dmax等环境之中，充分发挥手绘板等工具的实际作用，争取在第一时间重建头发，上述步骤在实际造作过程中要求操作者具备一定的绘画能力，具备较大的难度。

2.2 数据拼接

对于那些通过三维扫描的方式所获取的人体脸以及身体等不同面点的云数据，应当尽快开展拼接﹑封装等工作，以便于尽快获取人体模型。光栅扫描系统在实际工作过程中，很容易就会受到来自于各方面因素的干扰，最终获取的数据往往也会带有一定程度的杂音或者多余数据。为了科学有效地解决这一问题，多数情况下都会在点云阶段，仅仅只对孤点数据采取一定的清理措施。在进行数据拼接的过程中往往会用到手动拼接和自动拼接这两大类方式。通过手动的形式找到两组点云相似度最大的点（点数应当不小于或等于3），在获取了最科学有效的变换矩阵之后，紧接着进行全部点云的组接工作。随后在对其开展自动拼接，帮助点云进行更好的对齐。第一，在开展测量工作的过程中，人脸两鬓﹑耳蜗等重要位置的实际数据，会时刻受到头发的影响，最终所获取的数据很难做到准确无误。因此，在测量工作全部完成之后，还需要对其进行一定的修补工作。第二，在对扫描数据和发型数据两者进行组接的过程中，为了达到高效匹配人像的目的。应当在第一时间对两者的数据采取一定的比例缩放。第三，借助特征点对齐技术，科学有效地完成发型点云数据和人像点云数据两者进行组接。第四，对于那些已经拼齐的点云，开展下一步的封装﹑简化﹑降噪等工作。

3 光栅式双目三维视觉系统

3.1 工作原理

搭建的光栅式双目三维视觉系统工作原理图。包括左右两个三维扫描仪相机（分辨率1028*1024），计算机（显卡内存1GB），三脚架，云台和高精度平面标定靶标等。三脚架用以稳定并调节高度，云台用以调节俯仰、倾斜和旋转角度，以保证扫描仪的光栅投射方向与地面垂直。

3.2 系统的标定和调节

对光栅式双目三维视觉系统进行标定的过程就是求解上述左右相机的属性参数和相对位置的过程，由于有相机的移动和模型的大小、深度等变化，标定过程需要反复进行，从而确定空间坐标物点和图像平面像点之间的对应关系。

标定的平面点靶标尺寸为150mm×200mm，标志行列矩阵为14×17，圆形的直径为4mm，用以判定方位的空心圆大径和小径分别为15mm和9mm，点与点沿长度方向和高度方向的距离为11.54mm和12.5mm，标志点在数据处理过程中有特定唯一编号，范围为1～238。可调节光栅条纹宽度范围为0～12mm，根据脸部模型尺寸设置为1。相机曝光时间用以调节图像亮度，增益则调节图像对比度和清晰度，左右相机参数设置自动同步。

4 脸部数据处理

4.1 脸部扫描

脸部三维信息的获取实质是以非接触测量的方式准确快速地采集到其处于空间位姿的数据。为了保证脸部的准确形态和便于模型重构，采用油泥模型替代脸部实体。利用光栅式双目三维视觉系统中3DScan软件对某一脸部投射一系列光栅进行扫描，为有效排除背景噪声等干扰，设定以标定基准面为上下的空间范围-150～200mm。标志点是随机粘贴在脸部表面的易识别的点，不同扫描图像之间的自动拼接是通过标志点的识别和匹配来进行的，每次扫描后标志点被识别并给予唯一编号，公共标志点则表示在不同的扫描图像中有相同编号。

4.2 数据编辑

扫描脸部模型后解算出的各个点的数据为三维空间坐标，整体集合称为点云（point—clouds）。为尽可能地完整复现脸部的原貌，共拍摄6幅图像，每幅图像采集约180万的点云数据。对于获取的模型数据编辑主要分为点云编辑和标志点编辑。由于点云数据量直接影響后期的运算量，加上采集传感器、背景噪声等不可避免的外界因素，用编辑手段以剔除原始点云数据内的孤立点、无效点和错误点、无效区域和多余区域等。

4.3 优化拼接

由于拼接过程中存在测量误差、拟合误差及坐标转换误差，部分相同编号的标志点相对位置也不可能完全一致；而且在相邻的扫描点云数据重叠区域内存在大量重复的采样点，数据冗余，同时也给后续重构建模带来困难，因此，必须对点云数据进行全局优化处理，以提高模型的拼接精度。为精简计算量，对点云数据按25%的比例（即每4个点抽取1个点）采用最小二乘法进行优化处理，同时点云数据所有重叠区域内两点拼接误差若超过最大设定距离1mm，则不会对其进行优化，点云数据量为2043539。

4.4 三维重构

为便于后续加工制造，应用Geomagic Studio逆向工程软件，利用滤点渲染功能、数据补缺技术删除背景部分点云数据，滤除扫描过程存在的部分无效点。加载脸部模型的海量点云数据，对原始点云数据进行封装降噪，在光顺修复过程中对明显错误区域和标志点空洞等进行填复，点与点间距设置为0.01mm，需要运算出多边形曲面。由于三维空间内点云数据的拓扑关系较为模糊，很难直接对数据进行分割，需要将点云数据转换成三角片网格，三角片每边最多属于两个小三角片，由此建有清晰的拓扑关系，最后三角形数量为251471个。最终生成曲面片，共有650个，保存为标准的三维转换iges格式。

5 结语

借助双目光栅测量技术以及FDM技术来生产3D人像。通过双目结构光系统的形式来得到人体数据，进一步改善精度，避免不必要的误差。在数据很难测量的情况下，需要专门为其建造发型库模板，并对之前测定的相关数据进行组接或者优化等工作，在此基础上制作出模型。最终一步便是借助3D打印技术，最终获取实体模型。上文中所提到的发型移植方案，能够有效缩减3D测量工作的步骤，降低整个测量工作的难度，大大提升测量数据的准确性。在开展实验的过程中，所得出的塑料人像数据很难达到相关标准，此时通过一定的改进实验便能够使其满足具体要求，不断改善人偶的美观程度。

参考文献：

[1]吴献辉.基于光栅式双目技术的3D照相技术研究[J].武汉工程大学学报，2016（02）.

[2]郭春璐.光栅式自由立体显示技术的研究与分析[J].数字技术与应用，2017（05）.

作者简介：邓慧（1991-），女，四川内江人，硕士，助教，研究方向：信息显示、3D显示、光栅3D显示。