基于模型選擇的PDE三維人臉曲面重建及應(yīng)用研究.pdf

1、人臉是人類社會(huì)普遍存在的對(duì)象,不僅在人類社會(huì)日常生活交流中起著重要的作用,也是計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)中的重要研究對(duì)象。以人臉為信息載體,計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)可以自動(dòng)的進(jìn)行人臉識(shí)別、表情分析、人機(jī)交互等多種應(yīng)用。但是,由于人臉自身的復(fù)雜性,人臉姿態(tài)、表情變化和遮擋等產(chǎn)生的幾何形變干擾還有待進(jìn)一步解決。同時(shí),計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)處理物體的幾何形狀的能力強(qiáng)烈的依賴于對(duì)應(yīng)的幾何曲面表示方法。因此,為處理人臉姿態(tài)、表情變化和遮擋干擾,為增強(qiáng)系統(tǒng)功能,需要首先建立人臉

2、幾何曲面在特定系統(tǒng)中的表示模型。
　　作為一種先進(jìn)的幾何建模工具,基于偏微分方程(Partial Differential Equation,PDE)的幾何曲面參數(shù)化表示方法具有參數(shù)個(gè)數(shù)少、曲面片之間無縫連接和可以通過邊界條件直接控制幾何形變等優(yōu)點(diǎn)。鑒于PDE在幾何曲面參數(shù)化表示方面的優(yōu)點(diǎn),本文以PDE三維幾何曲面參數(shù)化表示算法為工具,首先研究了基于PDE的三維人臉幾何曲面參數(shù)化重建算法,然后,基于重建的三維人臉幾何曲面參數(shù)化表示

3、,研究其在處理姿態(tài)、表情變化和遮擋干擾等方面的潛力及相關(guān)應(yīng)用問題。論文的主要研究工作和取得的研究成果如下:
　　(1)提出了一種改進(jìn)的基于模型選擇的PDE曲面片參數(shù)化重建算法。由于現(xiàn)有基于PDE的幾何曲面片參數(shù)化重建算法中缺少量化的模型選擇機(jī)制,使得重建的PDE曲面片參數(shù)表示中存在著穩(wěn)定性不足、帶冗余系數(shù)、高維幾何曲面片表示缺陷等不足。針對(duì)這些不足,本文利用PDE曲面片與其邊界條件之間的重建等價(jià)關(guān)系,首先將PDE曲面片參數(shù)模板模型

4、選擇問題轉(zhuǎn)換為對(duì)PDE邊界條件的傅立葉級(jí)數(shù)表示的模型選擇問題。然后通過建立PDE邊界條件的模型選擇計(jì)算模型得到優(yōu)化設(shè)計(jì)的PDE曲面片參數(shù)模板。最后通過將PDE參數(shù)模板與邊界條件進(jìn)行最小二乘擬合得到一種改進(jìn)的基于模型選擇的PDE(Model Selection based PDE,MSPDE)曲面片優(yōu)化重建算法。理論分析和仿真測(cè)試表明,本文提出的改進(jìn)算法可有效減少系數(shù)冗余,并可在相同參數(shù)個(gè)數(shù)條件下提高重建精度和參數(shù)模型穩(wěn)定性。
　　

5、(2)提出了一種建立三維人臉深度圖規(guī)范化表示算法,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種面向MSPDE建模的三維人臉點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理算法。針對(duì)現(xiàn)有建立基于人臉自身坐標(biāo)系算法中存在的易受表情變化影響和易受特征點(diǎn)標(biāo)注準(zhǔn)確性影響的缺點(diǎn),本文提出了一種綜合利用人臉全局幾何特征和局部區(qū)域特征定位以建立人臉幾何曲面基于自身坐標(biāo)系的深度圖規(guī)范表示算法?；谒⒌娜S人臉幾何曲面深度圖表示,本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種面向MSPDE建模的三維人臉點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理算法。
　　仿真

6、測(cè)試表明,不管是以曲面對(duì)齊測(cè)量(surface alignment measure,SAM)的方法,還是以基于識(shí)別的應(yīng)用方法進(jìn)行度量,本文建立的三維人臉幾何曲面深度圖表示在對(duì)齊方面都較現(xiàn)有方法有更好的效果。同時(shí),后續(xù)的仿真測(cè)試驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的面向MSPDE建模的三維人臉點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理算法的有效性。
　　(3)提出了基于MSPDE的三維人臉幾何曲面自適應(yīng)重建算法框架,提出了一種誤差驅(qū)動(dòng)的PDE邊界曲線優(yōu)化選擇算法,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了面向表

7、示和識(shí)別應(yīng)用的MSPDE三維人臉自適應(yīng)表示模型?；趯?duì)三維人臉幾何曲面進(jìn)行穩(wěn)定、簡(jiǎn)潔、準(zhǔn)確表示的需求,我們首先將基于MSPDE的幾何曲面片參數(shù)化重建算法擴(kuò)展到整個(gè)人臉區(qū)域,得到了基于MSPDE的三維人臉幾何曲面自適應(yīng)重建算法框架。然后,我們討論了算法框架中的待解問題并提出了一種誤差驅(qū)動(dòng)的PDE邊界曲線優(yōu)化選擇算法。最后,基于該算法框架,以不同應(yīng)用系統(tǒng)為目標(biāo),分別建立了兼容MPEG-4和面向識(shí)別應(yīng)用的三維人臉幾何曲面自適應(yīng)表示模型。

8、>　　仿真測(cè)試驗(yàn)證了本文提出的基于MSPDE的三維人臉幾何曲面自適應(yīng)重建算法框架的通用性。相較于現(xiàn)有人臉表示模型,基于MSPDE的三維人臉幾何曲面自適應(yīng)表示模型在表示效率、模型合理性方面有更優(yōu)的特點(diǎn)。
　　(4)提出了一種三維人臉的基于傅立葉級(jí)數(shù)表示的人臉形變模型(Fourier Series based Facial Deformation Model,FSFDM)。人臉表情變化、遮擋等干擾帶來的幾何形變是影響三維人臉識(shí)別效果的

9、重要因素。本文借鑒PDE曲面片的幾何形變可由邊界條件描述和控制的特性,首先將參數(shù)化表示的三維人臉幾何曲面離散的表示為相應(yīng)邊界曲線的傅立葉級(jí)數(shù)表示形式。然后,針對(duì)人臉表情變化和戴眼鏡等遮擋帶來的幾何形變,分別建立了基于傅立葉級(jí)數(shù)的表情形變模型(Fourier Series based Expression Deformation Model, FSEDM)和遮擋形變模型(Fourier Series based Occlusion Def