[发明专利]一种人脸三维面形数字化测量系统的测量方法及设备

说明书

技术领域

本发明属于信息光学、图像处理领域，涉及一种基于复合结构光投影技术的人脸三维面形数字化测量系统及其方法。

背景技术

随着社会的进步和生活水平的提高，人们对生活质量提出了更高的要求，特别是对美的追求日益显著。整形美容是世界市场范围内正在形成的新兴产业，美国整形消费年均400亿美元，日本、韩国整形手术比例是中国的两倍左右。随着整体健康观念的形成，中国医学美容的发展将快速提升。目前全国整形美容目标消费群总数估计为13970万人，占全国女性总数的22％。此数据随市场和消费者消费观念的成熟将逐年递增。

由于人们审美水平的提高，对医学整形美容的效果提出了更高的要求。在外科整形手术中，人们大多还是采用传统的手工测量方法来获取人脸的形貌特征，测量精度不高，也不方便，而且容易对人脸皮肤带来损伤。随着数字化时代的到来，人们渴求一种非接触、快速、准确的测量方法来获取数字化的人脸三维形貌，并希望借助通用计算机辅助设计等现代化技术手段来模拟和设计脸部美容的整形方案并检验效果等等，即将医学整形美容推进到数字化阶段。基于此，本发明提出了一种基于复合结构光投影技术的人脸三维面形数字化测量系统。

目前，基于医学美容的人脸三维轮廓数字化方法得到了广泛而深入的研究，人们提出各种办法来重建人体脸部的三维面形：①《中华医学美容杂志》2001年第7卷第2期79-82页提出利用CT技术进行颅面结构三维可视化和颅面手术整形仿真模拟的研究；②《华西口腔医学杂志》1991年第5卷第3期263-265页、《计算机工程》2007年第33卷第14期1-3页提出根据容貌正、侧面的两张二维图像建立容貌软组织的计算机辅助分析系统，通过选择关键特征点，从而得到特定人脸的三维网格模型；③中国专利申请号200610088857.9提出的《基于单张照片的快速人脸建模方法及系统》和中国专利申请号200610024720.7提出的《由一幅正面图像实现快速人脸模型重建的方法》只使用其中的正面图像进行人脸三维轮廓重建，是对方法②的一种简化；④《图像与视觉计算》2000年第18卷第4期337-343页提出了一种基于立体视觉的三维人脸建模方法，需要计算左右图像的对应关系；⑤中国专利申请号02146278.X提出的《融合多视角、多线索二维信息的人脸三维模型的建立方法》首先用标定好的立体摄像机拍摄人脸从正面逐步转到侧面的视频序列，然后从中提取出人脸三维信息；⑥《电子测量与仪器学报》2007年第21卷第3期9-14页提出了一种借助网格光从两张二维图像中测量三维人脸曲面的方法；⑦中国专利申请号200710023778.4提出的《基于虚拟图像对应的立体视觉三维人脸建模方法》利用标定好的左右摄像机采集被测人脸的立体图对，利用其对应关系重建人脸的三维面形；⑧《中国医学影像技术》2005年第21卷第10期1616-1618页、《Journal of US-ChinaMedical Science》2006年第3卷第2期13-18页均提出使用基于相移数字结构光投影的相位测量轮廓术(Phase Measuring Profilometry，简称PMP)来获得人脸三维轮廓数字化重建，并用于指导医生开展整形美容手术的计算机辅助设计及效果评估。⑨暨南大学2006年硕士学位论文《人脸三维测量系统在医学测量中的应用》(作者：袁芳林)提出利用相位测量轮廓术重建人脸三维模型，并在此基础上根据人脸美学特征进行整容设计。

从以上这些方法可以看出，目前基于医学美容的人脸三维轮廓数字化方法大致可以分为三类：①所代表的基于CT技术的三维重建；②、③、④、⑤、⑥、⑦所代表的基于被动光学三维传感方法的三维重建；⑧、⑨所代表的基于相位测量轮廓术的主动光学三维传感方法的三维重建。本发明提出的基于复合结构光投影技术的人脸三维面形数字化方法也是属于主动光学三维传感技术，但较之⑧、⑨所代表的相位测量轮廓术有一定的优化和改进。

在医学整形美容外科手术中，对人脸三维形貌特征的精确提取是至关重要的。目前比较成熟的方法是基于CT技术的三维测量，主要是针对骨组织的整形分析，很难获取人脸软组织表面的三维形貌特征；基于立体视觉的三维分析方法一般采用从不同视角拍摄的人脸二维图像来处理，容易受到环境光线、背景、视角和人脸的姿态、表情、遮挡等不利因素的影响，因而其测量精度很难有进一步的提高；基于传统的手工测量方法给患者和医生都带来很大的不便，而且测量精度不高。因此，迫切需要寻找一种非接触、快速、准确、便捷的测量方法来提取人脸的三维形貌特征，以提高医学整形美容手术的成功率和效果。