一种快速真实感人脸绘制的方法

坐标空间的变换是实现绘制的重要环节．绘制过程中的主要坐标变换包括切向量空间、世界空问与 景物空间之间的变化．本文中景物空间的坐标系直接取为世界空间中的坐标系，因此主要讨论景物空间 与切向量空间的变换．切向量空间是模型表面的一个局部空间，３个坐标轴分别为Ｔ、Ｂ和Ⅳ，其中１’为 切向量，其方向与ｓ或者Ｔ在参数表面上的增长方向平行；Ｎ为法向量，垂直于局部表面；Ｂ为副法向量， 其方向与平面的形状相关．ｒ、口、Ｊｖ组成与表面紧密相关的一个局部坐标系．这３个向量进行标准化便 组成旋转矩阵：
１）处理几何模型； ２）汁算纹理坐标；
‰
／Ｖｖｓ
工Ｔｓ
图２绘制过程 ＦＭ．２ Ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ 具体步骤如下：
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第１期
孔德慧等：一种快速真实感人脸绘制的方法
３）计算光矢量； ４）利用几何纹理映射技术绘制出最终的真实感模型
３．１处理几何模型
几何模型处理的主要目的是整理模型数据，使模型数据适合纹理映射和绘制工作．涉及到的主要操 作是模型数据归一化和法向量处理，归一化操作主要针对不同数量级的模型进行，将不同模型数据归一到 ［０，１］法向量处理主要是根据模型三角面片之间的关系，调整法向量的朝向，使法向量统一指向模型的 一侧．此外还需要根据模型的鼻尖朝向与坐标轴方向的关系调整模型的朝向，根据模型中心位置与坐标 轴圆心的关系调整模型的位置．
（ａ）利用Ｄｅｌａｕｎａｙ三角 剖分得到
２人脸模型构造
（ｂ）利用ｓｈａｐｅ ｆｒｏｍ ｓｈａｄｉｎｇ获得
图１法向图
Ｆｉｇ １ Ｎｏｒｍａｌｍａｐ
（ｃ）直接从纹理库 中选择
人脸几何模型是绘制的基础，它直接影响人脸绘制的结果，按照人脸模型的获取途径可以将建模方法 分成３类：
１）借助三维数字转换器、激光扫描仪等设备采样并重构人脸模型［１２－１３１，这种方法的优点是建模准 确，缺点是设备比较昂贵．
２）利用多幅人脸图像构造具有特定人特征的模型［１４ １６ Ｊ，输入人脸的正面、侧面等多幅人脸照片。利 用立体视觉、纹理合成等技术，构造出具有特定人特征的三维人脸模型．
３）利用三维人脸模型库和人脸图像库构造特定人模型ｕ“，这种方法的优点是完全避免了特征点的 提取，重建效果逼真，缺点是计算复杂，三维人脸建库工作比较繁琐．
即为取景变换，因而，问题的关键是如何确定景物空间与纹理空间之间的映射ｍ．本文采用Ｂｉｅｒ和Ｓｌｏａｎ
提出的独立于物体表示的二步法纹理映射技术Ｉｌ…，根据人脸的形状选择圆柱面作为中间的映射媒介（如 图３所示），将人脸纹理图映射到几何模型上．
由于人脸纹理图比较特殊，映射关系不当会严重
影响绘制结果，因此在映射工作进行之前，先标定出 纹理图和几何模型上相对应的一系列特征点，然后将 标定的几何模型投影到标定的纹理图上，根据纹理图 和几何模型上对应特征点的位置，手工调节网格点的 位置，使得纹理图与网格模型上的五官达到最佳匹 配，此时网格点所对应的纹理坐标就是最终的纹理坐 标．这种方式允许对一个人脸网格映射不同的人脸 纹理图．
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８ｌ
在实现上要此上述算法简单，而且也具有一定程度的真实性
（ａ）人脸的纹理图
（ｂ）颜色纹理映射后
得到的模型
图６本文试验结果 Ｆｉｇ ６ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ
（ｃ）剞用９何纹理噻射在模型
精细的结构信息是增加皮肤表面几何细节的有效方式，对于提高人脸绘制的真实感非常重要．Ｈａｒｏｙ 和ｗｕ等人在这方面作了相关的工作【５’６ Ｊ，２者的绘制过程类似，但是法向图的获取方式不同．法向图是指 １幅纹理图中每个像素的像素值（ＲＧＢ值）代表１个法向量．在ｗｕ等人的工作中№Ｊ，通过处理模型的几 何结构，利用Ｄｅｌａｕｎａｙ三角剖分产生法向图，得到的法向图真实感不高，原因是人脸的几何结构比较复 杂，一部分Ｄｅｌａｕｎａｙ三角剖分不能生成真实的结构，使用者要花费大量时间选择正确的基函数以易４除不 正确的三角剖分．Ｈａｌ－（３ｙ利用Ｓｈａｐｉｎｇ ｆｒｏｍ ｓｈａｄｉｎｇ技术Ｌ５·…，用实验设备获取数据并处理数据，分别得到 人脸脸颊、额头、下巴、鼻子等处皮肤的法向图，利用纹理合成的方法得到整个人脸的法向图，得到的人脸 具有比较真实的皮肤细节结构．它们的法向图如图１（ａ）、（ｂ）所示．
普通纹理映射技术只考虑了表面的颜色纹理，即只能在光滑的表面上绘制各种事先定义的花纹图案， 但不能表现由于表面的微观几何形状凹凸不平而呈现出来的粗糙质感．
本文中几何纹理映射技术是用光矢量对景物表面的法向量进行扰动．由于表面光亮度是景物表面的 法向量的函数，对法向量的扰动必将导致表面明暗变化，从而产生凹凸不平的视觉效果．由于表面的局部 坐标系具有仿射不变性，本文在模型顶点所在的切向量空间中对法向量进行扰动
＠ 图３圆柱面纹理映射 Ｆｉｇ．３ Ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｔｅｘｔｕｒｅ ｍａｐｐｉｎｇ
３．３计算光矢量
光矢量（１ｉｈｇｔ ｖｅｃｔｏｒ）是指从模型的几何顶点位置指向光源位置的矢量．本文利用光矢量对皮肤的法 向量进行扰动，法向量的扰动计算在切向量空间进行，而光矢量的计算位于景物空间，因此需要将光矢量 由景物空间变换到切向量空间．
实验表明，当法向图小ｊ：１ ０２４×５１２时，随着法向图增大，细节信息明显增多。当法向图尺寸超过 １ ０２４×５１２时，细节信息几乎不再增加．因此，作者选择５１２×２５６的人脸纹理图及１ ０２４×５１２的法向图， 模型的顶点个数为５６ ０９７个Leabharlann Baidu图５为本文实验结果与其他算法的对比．
（ｂ）
（ｃ）
图５各种实验结果
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２００６正
级别几何图的合成方法以及绘制效果旧１；Ｈｅｒｔｚｍａｎｎ利用高度图（ｈｅｉｇｈｔ ｍａｐ）在图像表面添加细小的凹 凸来提高绘画的真实感”ｏ
从上述工作可知，不论是人脸还是非人脸真实感绘制，几何细节的增加都可以极大提高模型真实感． 几何细节的增加主要是利用几何纹理映射技术．几何纹理映射是Ｂｌｉｎｎ于１９７８年提出用来模拟皱纹或者 凹凸表面的一种真实感绘制技术【１…．几何纹理映射技术通过对入射到表面的光线扰动进而产生凹凸视 觉．这种技术极大地提高了表面具有细小凹凸物体的真实感，而对模型的几何细节并没有任何形式的改 变．几何纹理映射技术需要通过实验或者计算来得到与表面相对应的具有表面微观信息的纹理图（如法 向图等）．作者直接在图片库中选择一幅具有类似于皮肤表面微观细节信息的图片，利用纹理合成技 术【ｌ“，将其合成为符合实验要求大小的ｂｍｐ图，将此纹理图作为法向图（图１（ｃ））．这种法向图的获取无 需实验和计算，但本方法具有较好的真实感，并且计算速度快，方法简单．
￡乃 ｅ ０
Ｂ，Ｂｙ Ｂ：０
Ｎ。Ｎ ｙ Ｎ：０
Ｏ
０
Ｏ１
利用此旋转矩阵可将光矢量从景物空间变换到切向量空间．变换后的光矢量其３个分量经过标准化
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计算后都位于［１，１］，为了与法向图的数据相对应，需要将［一１，１］的值变换到［０，１］
３．４利用几何纹理映射（ｂｕｍｐ ｍａｐｐｉｎｇ）技术绘制最终结果
这种技术通常将计算分成顶点级和像素级¨…．一般情况下，顶点级计算使用普通的处理器，而像素 级计算需要使用特别的加速硬件，这种分类是绘制质量与绘制速度的分别．在现有的图形系统中，光照计 算一般都局限于顶点光照，然后将得到的颜色进行插值并与颜色纹理相混合．利用Ｐｈｏｎｇ光照明模型能 够很大程度地提高光照计算效率，Ｐｈｏｎｇ光照明模型算法对每个像素进行插值并且对顶点法向进行标准 化本文利用Ｐｈｏｎｇ模型实现像素级几何纹理映射计算
本文使用简单的点光源，根据人脸皮肤表面的物理特征，从纹理库中选取１幅具有类似细节结构的图 片，如图４所示．利用纹理合成方法生成大小适当的法向图，根据漫反射光照方程Ｉ＝Ｐ×（Ⅳ×Ｌ），得到 具有一定真实感的人脸模型．
４实验结果
（ａ）
（ｂ）
图４人脸绘制过程的实现 Ｈｇ ４ Ｈｕｍａｎ Ｎｅｅ ｒｅｎｄｅＮｎｇ ｐｍｅｅｓｓ
三维扫描仪对特定的人脸能够非常准确地构造出模型，这对于真实感的提高非常重要，本文的人脸模 型就是使用三维扫描仪生成的结果．
３算法
本文将几何模型、法向图和人脸纹理图作为输 入。将法向图和人脸纹理图映射到几何模型上，映射 后的模型表面具有像素级的法向量，在切向量空间中 利用光矢量对像素级的法向量进行扰动。就实现了像 素级的几何纹理映射，如图２所示．其中，下标＂ＩＳ代 表切向量空间；Ｃ代表带有人脸颜色分布的纹理图； Ⅳ代表以纹理图形式输入的法向图；Ｌ代表光矢量． Ⅳ和Ｌ中的矢量要经过标准化处理才能进行最后的计算
图５（ａ）、（ｂ）中没有加入人脸的纹理信息，只有单一的肤色信息；图５（ｂ）、（ｃ）中带有微观细节信息．图 ５（ａ）为Ｍａｒｓｃｈｎｅｒ等人的实验结果［３］，利用ＢＲＤＦ系数绘制得到；图５（ｂ）为Ａｎｔ。ｎｉｏ的实验结果［５］；图５ （ｃ）为Ｗｕ等人的实验结果‘“，该方法主要应用于对人脸模型加入表情和皱纹图６为本文方法的结果，
１人脸皮肤绘制
皮肤的真实感绘制效果主要通过２方面的途径实现并提高，一方面是获得皮肤表面在不同光照条件 下所表现出的特性，利用光照明模型重现；另一方面是增加皮肤表面的几何细节信息．
在获取皮肤反射属性方面已经有很多的工作，Ｈａｎｒａｈａｎ等人用Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ光线跟踪方法绘制皮 肤［２］．Ｍａｒｓｃｈｎｅｒ等人用校准相机对有标志物体进行拍照，通过对照片处理和计算获取双向反射分布函数 （ＢＲＤＦ）［…．Ｄｅｂｅｖｅｃ等人利用实验设备测量皮肤在不同光照下的反射属性和表面法向，在绘制过程中利 用光照明模型重现这些属性［４］这些工作都在皮肤的颜色属性上得到较高质量的绘制效果，但是其处理 过程通常需要复杂的计算以及昂贵的实验设备．
摘要：为了生成具有微观结构的真实感人脸模型，提出了一种基于几何纹理映射的方法该方法将法向图映 射到人睑几何模型上，由于法向囤中的每个像索值都代表着法向量，使得人睑几何模型表面产生了像素级别的 法向量；用光矢量对这些法向量扰动并与作为颜色纹理的人脸纹理图相融合，得到了具有皮肤纹理和细小凹凸 特征的人脸模型
在真实感绘制方面。针对其他非人脸物体表面物理细节模拟的工作也有很多Ｋａｕｔｚ介绍了不同细节
收稿日期：２００４—０４—２０． 基金项目：北京市自然科学基金资助项目（１）０７０６０１—０１）；北京市教育委员会资助项目（Ｐ０７０７０１一０１） 作者简介：孔德慧（１９６８一），女，内蒙古包头人，副教授
万方数据
第３２卷第１期 ２００６年１月
北京工业大学学报 ＪＯＵＲＮＡＩ．０Ｆ ＢＥｌｌ［ＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
ｖｏｌ ３２ Ｎｏ １ ．ｔａｒ＿．２００６
一种快速真实感人脸绘制的方法
孔德慧，李丽岩，尹宝才
（北京工业大学计算机学院多媒体与智能软件技术北京市重点实验室，北京１０００２２）
关键词：真实感；绘制；纹理；人脸
中图分类号：ＴＰ３９１．４１
文献标识码：Ａ
文章编号：０２５４—００３７（２００６）０１ ００７７—０６
真实感人脸绘制可应用于电影、广告动画、计算机游戏、视频会议以及人机接口等多种领域．从２０世 纪７０年代Ｐａｒｋｅ提出世界上第１个人脸合成系统［１］以来，真实感人脸合成技术就一直是计算机图形学领 域中一个富有挑战性的研究课题．真实感人脸建模和绘制的困难主要源于２个方面：首先，人脸的几何、 纹理以及运动非常复杂，皮肤的反射属性不能使用普通的光照明模型完善地表达出来；其次，人脸是人们 最熟悉的器官之一，人脸模型对人脸外观的任何轻微偏离以及人脸颜色的任何非正常变化都能被敏锐地 感觉到作者提出一种真实感人脸绘制方式，通过简单方法获取法向图，利用几何纹理映射技术实现真实 感的人脸绘制
３．２计算纹理坐标
为了建立起纹理图像与三维几何模型之间的对应关系，作者利用纹理映射技术计算出三维模型几何 点对应的二维纹理坐标．纹理映射技术可分成２步进行：
１）确定表面的哪些参数需定义成纹理形式。即确定纹理属性． ２）建立纹理空间与景物空间及景物空间与屏幕空间之间的映射关系．
本文将表面的法向量和漫反射系数定义成纹理形式．由于景物空间与屏幕空间之间的映射关系Ｔ