[发明专利]一种基于单张图片的三维头发重建方法

说明书

本发明公开了一种基于单张图片的三维头发重建方法，包括：1)条带网格头发模型生成；2)条带网格头发模型数据库构建；3)基于图片的发型检索(发型检索)；4)条带网格头发与头部融合(头发融合)。主要流程：将头发丝模型转化为条带网格模型，并构建条带网格头发模型数据库，给定输入图像，首先从其头发区域提取头发形状检索图，头发形状特征向量和头发方向图作为检索信息，然后从条带网格头发模型数据库中检索出与该检索信息最相似的头发模型，最后把该头发模型贴合到人体头部模型中。本发明解决的是针对单张图片的三维头发重建问题，可以应用于头发重建、头发动画制作。

技术领域

本发明涉及计算机图形学和三维动画制作的技术领域，尤其是指一种基于单张图片的三维头发重建方法。

背景技术

人类既是各种活动的主体，又是很多应用的对象，因而虚拟现实应用大都不可避免以人为中心。人体表面形状及其运动的重建在这类应用中起到关键作用，从日常生活、游戏动画、教育培训到工业设计，构建高度真实的个性化虚拟人体静态模型和动态几何都日渐显示出其重要性。例如，在虚拟试衣中，除了身体形状和运动信息，试衣人的脸部表情、头发飘舞等，都会对体验效果产生影响。而在很多虚拟现实应用中，场景中的人物外观的逼真程度是衡量沉浸感强弱的一个重要指标。头发重建是构建真实人物外观的一个重要步骤。

以往的头发重建工作往往针对的是头发丝的重建。虽然使用头发丝进行重建可以最终渲染出非常逼真的结果，但这个渲染过程往往是离线的。在目前虚拟现实，3D游戏等应用场景中，用头发丝进行头发重建，不仅需要较大的存储空间，而且渲染难度较大，不利于其在实时环境中进行应用。使用头发丝这种无网格的表示形式也与目前实时渲染管线中常用的三角网格表示形式不匹配。因此本发明考虑的是针对单张图片进行条带网格头发的重建，而不是头发丝的重建。生成的头发带模型可以很方便地用在现有的游戏引擎，如Unity3D中。

发明内容

本发明针对目前三维头发重建工作不利于实时渲染的问题，提出了一种基于单张图片的三维头发重建方法，可以根据人脸图像重建出形状与原图接近的，可用于实时渲染的三维头发模型。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于单张图片的三维头发重建方法，包括以下步骤：

1)条带网格头发模型生成

将头发丝模型转换为条带网格头发模型，其中利用方向约束调整条带网格的朝向；

2)条带网格头发模型数据库构建

使用步骤1)方法生成条带网格头发模型，构造出一个包含686个条带网格头发模型的头发数据库，并为生成的条带网格头发模型生成检索用的头发形状检索图、头发形状特征向量和头发方向检索图；

3)基于图片的发型检索

从输入图片中获得头发形状检索图、头发形状特征向量和头发方向检索图，并根据头发距离公式从步骤2)中获得的条带网格头发模型数据库中计算并检索出与输入图片头发区域最相似的头发模型；

4)条带网格头发与头部融合

利用整体和局部变换将步骤3)中检索出的头发模型贴合到人头网格模型中进行融合。

在步骤1)中，所述的条带网格头发模型生成，其过程为：

首先将头发丝模型转换为条带网格头发模型，其中单个头发丝模型具体转化方法如下：