[发明专利]基于二值条纹全局编码字校正的红外人脸测量方法

说明书

本发明公开了一种基于二值条纹全局编码字校正的红外人脸测量方法。该方法包括首先由相机采集一组投影仪投射的格雷码图案和二值条纹图案。然后分别根据捕捉的格雷码图案和二值条纹计算格雷码阶次k1和定位二值条纹的边缘点。然后通过格雷码阶次k1的奇偶值得到辅助条纹G，k1结合G计算得到校正阶次k2和k3。通过二值条纹由明到暗和由暗到明变化的不同，将条纹边缘分为下降沿和上升沿。随后根据不同的跳变类型选择相应的校正阶次。根据此规则，该方法能够校正由于二值条纹的离焦问题引起的跳变误差，从而完成高精度的人脸三维重建。

技术领域：

本发明属于计算机视觉中三维重构的领域，具体涉及一种基于二值条纹全局编码字校正的红外人脸测量方法。

背景技术：

人脸因其角度多变，曲率变化大，次表面反射强等特性成为了一种高难度测量对象。三维人脸精确测量对医疗美容，人机交互，信息安全等领域有重要意义。近年来条纹投影轮廓术FPP(fringe projection profilometry)凭借其条纹变化的灵活性和较低的设备成本成为最有前途的技术之一，其速度快，鲁棒性强，精度高，非接触性等特点能够满足人脸测量的多种需求。FPP需要的设备通常包括一台数字投影仪，一部工业相机和一台计算机。计算机生成一系列条纹图案后，控制投影仪投出，再由相机捕捉经被测物体表面调制后的条纹图案，最后通过各种算法从二维图案重建出三维形状。

然而许多人脸测量方法都是基于可见光设备，它对人眼有强烈的刺激。此外人脸的次表面反射现象以及红外相机成像质量差的问题极大地限制了相移法在红外光源下进行三维人脸重建的应用。为了提高人脸的重建精度，本发明旨在提供一种基于二值条纹全局编码字校正的红外人脸测量方法，从而实现高精度的三维人脸重建。该方法针对离焦问题导致的跳变误差做出了非常有效的修正，且无需投影辅助条纹，依据求得的格雷码阶次即可完成校正。根据条纹的明暗变化不同，该方法将二值条纹边缘分为上升沿和下降沿，不同的跳变类型对应不同的校正方法。根据不同的校正方法，重建结果中的跳变误差得到修正，最终得到高精度的三维人脸结果。

发明内容：

技术问题：

在测量人脸时会遇到两个主要问题。可见光设备对人眼有强烈的刺激，即使将投影的速度提高也并不能消除对人的侵犯性。更严重的是，人受到光照刺激后可能会紧张，导致表情或肌肉形态出现变化，从而影响重建结果的应用。为了避免对人眼的刺激，同时减少环境光的影响，本方法使用红外光源测量人脸。然而红外相机成像时对于烟雾的穿透能力比可见光相机强，但是在其他环境中成像质量比可见光相机成像质量差，具体表现为图像对比度低，清晰度差，容易受噪声影响。因此红外相机捕捉到的图像对比度较低，相移条纹的正弦性较差，从而导致根据正弦条纹求解出的包裹相位误差较大，不利于人脸重建。同时由于人脸有强烈的次表面反射，投影仪投射到人脸的光中只有5-7％反射到环境中，其余部分均被皮肤吸收或透过。在结构光中，次表面反射的作用类似于低通滤波器，会使高频图案变得模糊。因此，在红外相机和次表面反射的双重影响下，相机捕捉到的正弦条纹会受到严重影响，正弦性降低，离焦误差增大。如何在避免对人眼造成伤害，减小次表面反射对重建过程的干扰的同时提高人脸测量的鲁棒性和精度，则是本专利的主要内容。

技术方案：

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

基于二值条纹全局编码字校正的红外人脸测量方法，该方法包括如下步骤：

S1.使用红外投影仪在人脸投影所需的N幅标准格雷码图案，将图像分为2^N个子区域，每个子区域的宽度为t；

S2.根据步骤S1中计算得到的子区域宽度t，以1像素为步长，投影(t-1)幅移位的二值条纹，记二值条纹的局部编码字为m，m∈{1,2,L,t}；

S3.用相机采集步骤S1和步骤S2中投影的格雷码图案和二值条纹，计算格雷码阶次k1，定位二值条纹的边缘点；