线上虚拟发型App的开发及研究

宁雨敏 桂子航 曹益晖 邓明华*

（湖北师范大学 湖北·黄石 435000）

0 引言

随着生活水平的不断提高，人们的审美水平也在不断提升。发型作为能够瞬间提升自身气质和魅力的利器，受到越来越多的消费者的重视。但是由于每个人的脸型，五官和发质都存在差异，且发型的种类众多难以挑选等客观原因的存在。通常会导致最终设计的发型成品不能满足消费者的需求。

虽然目前市场上存在一定数量的线上虚拟发型设计软件，其能为用户提供有限的虚拟发型模型，并可以实时更改所选发型的颜色。但由于普遍采用2D技术建立发型模型，用户将不能立体的观察App提供的虚拟发型特效。App中的发型设计只考虑发型的形状，而没有考虑到用户面部特征如脸型、额宽、颧骨高度等，使虚拟发型特效达不到真实的效果，因此需要改进现有的及技术，增加虚拟发型的逼真度。而此款线上虚拟发型App不仅能给用户更多的发型选择，还提供更加逼真的线上虚拟体验，让用户轻松拥有适合自己的发型，在一定程度上减少了消费者的发型设计成本。

1 线上虚拟发型App需求分析

为了使产品更好的服务于用户，团队在进行线上虚拟发型App功能设计前期进行了大量的问卷调查和分析工作。所设计的问卷包括三大模块分别为“市场需求分析”，“虚拟发型App使用现状”，“虚拟发型App应用前景”。随机抽取100名18岁至35岁的消费者参加此次问卷调查，反馈问卷经严格筛选，保留100份有效问卷，有效率达100%。

在抽样检测的反馈数据中，对其中的三个模块进行了具体的分析，如表1数据显示，在“市场需求分析”这一模块的分析中，可以了解到消费者普遍存在发型设计的烦恼。而消费者解决此类烦恼的方法大多数更倾向于到实体店进行发型设计，也有少数消费者并不进行发型设计，而是直接进行剪发操作。采用咨询线上发型设计师进行发型设计的人比例更是占极少数。在“相关App的使用现状”模块中，消费者使用相关发型设计App的比例并不高，作为一种新兴的发型设计模式，许多消费者并未涉足于此是可以理解的，这就需要相关的产品增加一定的宣传力度，提高产品的实用性，让用户切身体会到科技为发型设计提供的便利，以此来进行产品推广。“虚拟发型App应用前景”的调查则说明了用户对线上发型App性能优化后使用情况的乐观态度，可能会使用的人数占了半数以上，体现了用户的存在广泛的使用意愿。

表1：虚拟发型设计App前期调研

2 线上虚拟发型App系统概述

线上虚拟发型App基于大数据技术、3D建模技术和AR技术，将建立的海量数据图库收集到的有关发型和脸型模块作为基础，利用人像采集技术和Adaboost算法分析发型数据库人脸面部特征，并以此为依据为不同用户筛选合适的发型源。通过对发型固有属性的研究以及加强3D模型渲染技术算法的使用，可以呈现给用户更加贴合与完美的发型效果。

图1：线上虚拟发型App系统结构

3 功能模块分析

3.1 建立海量发型数据库

建立网络发型数据库，首先需要建立相关发型列表。如根据发型的长度大致分为短发、中长发和长发等，在此基础上可进一步细分为短卷发、短直发、长卷发、长直发。以发型名称为依据开展收集发型图片工作。由于发型数据库的图片总数过多，人工手动收集图片的效率过低，需要我们采用自动化测试方法进行图片的收集。找到相关的发型图片网站利用Selenium来通过代码调取浏览器程序，自动下载收集所需的网络发型图片，在将要获取的图片加载到下载序列中之后，迅速搜素下一张图片，有效的提高了图片的获取速率。在经过数据入库后，形成发型数据库。大量的图片能将各种脸型和发型的数据进行一个初步的存储，形成App内的海量发型源。

3.2 分析人脸基本特征

人脸基本特征分析需分两个阶段分析。在 App开发前期，需要对建立的发型数据库中的海量图片进行人脸特征分析。在用户使用App的仿真发型设计功能时，进行实时的人脸特征分析。将两个人脸特征进行数据比对，就可以得到适合用户的发型源。

在传统的人脸特征分析中，一般不直接分析全部人脸区域，而是通过获得人脸特征点邻近区域进行相关的特征提取，最初基于深度学习的人脸特征提取仍然按照这个传统流程进行。运用Adaboost算法挑选出一些最能代表人脸的区域特征进行识别预处理、包括光线补偿、灰度变换、直方图均衡化，几何校正。采用知识的表征方法来获得人脸分类的特征数据，通过对特征点间的欧氏距离、曲率和角度的分析和计算实现用户面部重塑，并通过与前期图片数据库采集相关面部基本数据进行大量比对，筛选出符合用户形象的发型样本。

3.3 仿真发型精度研究

3.3.1 3D发型建模

为了进一步完善发型 App的用户发型设计自动生成模块，在对头发进行建模与仿真时，特别考虑了头发的固有属性，如硬度、粗细、长度、形状等。一个好的头发模型应该能最大程度模拟现实中头发的固有属性，在头发的建模中考虑每一根发丝的细节是不可取的，这样不仅会增大仿真的难度还不利于实现最终想要达到的效果。可以采用对头发簇为单位进行分析建模，在一个头发簇内有一个主头发用来控制头发簇的整体走向，其余同簇发丝将具有相同属性。

在利用Poser对头发簇的设计的过程中，将主头发作为基准确定头发簇走势，运用截面曲线来设计头发簇的截面现状。先在设计平面上给出位于截面曲线上的一些点，运用周期性曲线反算算法中的节点矢量确定截面曲线的节点矢量，算出截面曲线的控制顶点。后期可通过修改控制顶点对局部地区的模型进行调整，使之呈现出更加贴合和完美的效果。在建模的过程中为了减少计算量，同一头发簇的所有截面曲线将采用统一的节点矢量，且取截面曲线的数目等于主头发数据点的数量。

由于主头发控制了头发簇的走势，因此需要对主头发的生长点进行合理的的选择。模型将整个头部分为许多的小的头发生长区域，一个头发生长区上至少生长一根主头发。在确定所需设计的主头发的数量和位置后，只需要对头发形状进行调整即可得到期望的发型。

3.3.2 发型3D模型渲染

利用SGI公司推出的开放性三维图形软件包OpenGL工具进行3D渲染。三维环境中物体的材质过于单一，缺乏真实感，利用已有的纹理映射技术、对建立在纹理坐标系中的图形经行纹理贴图，可使得虚拟发型的各种属性更加逼真。

纹理可以分为两种，一种是通过颜色色彩或明暗的变化体现出表面细节，这种纹理称为颜色纹理；另一种纹理由不规则的细小的凹凸组成。在此次3D渲染中，采用主要采用的是颜色纹理的模拟。

在实际进行3D渲染时，先计算有关的光照量和进行纹理映射。在头发簇表面进行纹理图像的预处理后，将头发簇表面的点和纹理图像上的点进行相互映射，形成初步质感。再对发型模型的色彩、光影和亮度进行调试使生成的发型模型更见接近真实状态，最终完成模型的渲染。

3.3.3 AR发型设计真实体验

利用实时的计算摄影机影像的位置及角度加上相应的图像、视频、3D模型技术通过传感技术将生成的匹配发型放置在真实环境中，借助特殊的显示设备将虚拟的发型和用户的头部进行精确匹配，用户能将设计出的三维立体发型模型直接佩戴，以实现更好的视觉体验感和更加切合现实状态的虚拟发型设计。

4 结论

该线上虚拟发型App的设计，是为了通过已有的AR技术为用户提供更加切合自身需求的虚拟发型，减少消费者因不知如何设计发型而带来的不必要消费情况，让用户能真正的体会到改变发型带来的愉悦。