基于三维扫描技术的人体头像建模

基于三维扫描技术的人体头像建模
【摘要】：通过人体三维数据的获取进行实体建模得到人体三维模型，进而可以应用于医学、整容、美容等方面。

三维扫描技术能快速测量人体各部分，包括牙齿、面额部、肢体等的尺寸，对美容、矫形、修复、口腔医学、假肢制作都非常有用。

【关键词】：三维扫描技术；人体头像建模
中国分类号：TH12 文献标识码：A 文章编号：1002-6908(2007)0120089-01
三维建模是计算机视觉和计算机图形学领域中的一个基本问题，而人脸凭借其特有的普遍性和易用性成为众多专家学者进行三维建模的研究对象。

从20 世纪70 年代Parke 建立第一个脸部模型开始, 许多研究人员致力于三维人脸建模的研究。

人体头像的建模就是把真实人体头像的框架标准化,然后通过激光扫描仪和立体摄像机等三维数据获取设备获得人体头像的三维点云数据，在通过计算机对数据进行处理获得人体头像的3D几何模型。

计算机视觉和计算机图形学技术的迅猛发展为三维人脸建模提供了技术支持, 许多学者开始尝试建立逼真的三维人脸模型, 并取得了显著的成绩。

1．三维扫描技术简介
三维扫描是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。

它的重要意义在于能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当方便快捷的手段。

三维扫描技术能实现非接触测量，且具有速度快、精度高的优点。

而且其测量结果能直接与多种软件接口，这使它在CAD、CAM、CIMS等技术应用日益普及的今天很受欢迎。

在发达国家的制造业中，三维扫描仪作为一种快速的立体测量设备，因其测量速度快、精度高，非接触，使用方便等优点而得到越来越多的应用。

用三维扫描仪对手板，样品、模型进行扫描，可以得到其立体尺寸数据，这些数据能直接与CAD/CAM软件接口，在CAD系统中可以对数据进行调整、修补、再送到加工中心或快速成型设备上制造，可以极大的缩短产品制造周期［1］。

三维扫描设备是以三次元测量系统为主。

基本上以接触式〈探针式〉和非接触式（激光、照相、X光等式）两大类。

在早期是以探针式为主，虽然价格较便宜，但速度较慢，而且以探针与物体接处会有盲点并且使软件物体容易变形，影响扫描精度，但以一般除以上缺点，它可以具有很高测量精度，适合做相对尺寸的测量与质量管理；激光扫描速度快、精确度适当，并且可以扫描立体的物品获得大量点云数据，以利曲面重建，扫描完后在计算机读出数据，这部份称为反求工程前处理。

2．逆向工程技术及设备的发展概况
在计算机高度发展的今天，三维立体的几何造型技术已被制造业广泛应用于模具的设计、方案评审，自动化加工制造及管理维护等各方面。

而往往都会遇到这样的难题，就是客户给只有一个实物样品或手扳模型，没有图纸CAD数据档案，工程人员没法得到准确的尺寸，制造模具就更为困难。

用传统的雕刻方法，时间长而效果不佳，这时就需要采用各种测量手段及三维几何建模方法，将原有实物转化为计算机上的三维数字模型。

这就是所谓逆向工程(Reverse Engineering)。

逆向工程包括快速反求、快速成型、快速模具以及多自由度数控加工等多个环节。

其中作为快速反求的发展则是由传统的接触式测量向快速非接触式测量逐步发展，特别是承受着”光机电一体化”技术的发展，结合了计算机、图像处理，激光技术以及精密机械的三维激光扫描机逐渐成为了反求工程的主流。

而三维激光扫描从形式上又是从点扫描测量向线扫描测量、场测量发展的，其中线扫描测量与点扫描同样基于”三角法测量原理”，同时借助于高精度，高分辨率的面阵CCD图像采集系统，从而使其具有了与点扫描形式类似的高测量精度以及可与场测量方式媲美的高效率。

另外，采用步进电机带动旋转平台，可以获取被测物体的全轮廓数据信息，能真正做到了采用三维扫描方式获取物体三维形状信息。

3．三维信息获取技术所获得的物体模型的应用
⑴产品检测
测量零件,在很多场合，需要对于不规则物体的外形或若干点进行高精度三维测量。

现代三维扫描技术提供了一种快速的三维测量手段，能迅速测量物体表面每个点的三维坐标，获得物体的立体尺寸。

⑵仿制
对零件进行仿制的基础是测量其尺寸，三维信息获取技术能快速测得零件表面每个点的坐标，将数据送入数控加工设备，很快就能得到一模一样的产品。

⑶反求工程
又称为逆向工程（Reverse Engineering），即从实物得到数字模型，这是目前国际机械行业研究热点之一。

在计算机辅助设计和制造过程中，一般是从数字模型到实物制造，但在一些情况下，也需要从实物得到其数字模型。

⑷对特殊物体的测量
对某些物品，如特别柔软、脆弱或极精密的物品，用传统的接触测量方法，可能在接触时导致物体变形甚至损坏，而一些三维信息获取技术可以进行无接触
的三维测量。

⑸医学、整形、美容
三维信息获取技术能快速测量人体各部分，包括牙齿、面颌部、肢体等的尺寸，对美容、矫形、修复、口腔医学、假肢制作都非常有用。

在考古、刑侦等工作中，有时需要在计算机帮助下，根据人或动物的骨骼来恢复其生前的形状，这时借助三维数字化装置可以将骨骼的坐标数据输入计算机。

⑹服装、制鞋
三维信息获取系统可以快速的获得人体的所有尺寸和立体彩色模型，输入计算机，与服装CAD 技术结合，在模型上按每个人的具体尺寸进行服装设计，实现个性化设计，并可以直接在计算机上观看最终效果。

⑺文物保护
三维彩色数字化技术能以不损伤物体的手段，获得文物的三维信息和表面色彩、纹理，便于长期保存、再现，这是传统的照相等手段所无法达到的。

有了这些信息，也给文物复制带来很大的便利。

⑻艺术、雕塑
把三维信息获取技术和数控雕刻机结合，可以很方便地进行雕塑。

借助三维扫描，能获得对象表面的每个点的坐标数据，将数据送给数控雕刻机，很快就能雕刻出逼真的雕像。

还可以在计算机内对对象的数字模型进行随心所欲的加工，变形，并直接观看其效果，满意后再送给数控雕刻机，给艺术家的工作提供很大的方便。

参考文献
[1] 袁夏，三维激光扫描点云数据处理及应用[D]. 南京理工大学，2006.
[2] 何耀华、荣辉，非接触三维测量数据的处理研究[J]. 重庆工学院学报，2006.
[3] 平雪良、周儒荣、安鲁陵, 逆向工程技术及其应用[J]. 科技与经济，2003.
[4] 程俊廷，反求工程关键技术的研究[D]. 辽宁工程技术大学，2002.
[5] 瞿瑞芳、张剑清，基于激光扫描仪的点云模型的自动拼接[J]. 地理空间信息，2004.
[6] 徐成华、王蕴红、谭铁牛，三维人脸建模与应用[J]. 中国图像图形学报，
2004.。