三维立体人像数字摄影系统
文/紫光股份有限公司技术研发部部长 高 宏
自1822年摄影术在法国诞生以来，人们一直在努力探索和研究能够记录和重现三维立体影像的三维成像技术。1833年，英国物理学家和发明家惠斯通（C. Wheatstone）利用仿生学原理，使用两台照相机模拟左、右眼晴分别拍摄出两幅照片，然后用左、右眼分别通过两个互相独立的目镜观察这两幅照片，于是在大脑中再现出与真实景物完全相同的立体影像。这种利用双眼视差形成立体视觉的方法，后来又被改进为“红绿滤色法立体照相”、“偏振滤光法立体照相”和“柱面镜（光栅片）立体照相”等方法，在立体照相、立体电影、立体电视等领域获得了成功应用。双眼视差法只能在一个特定方向上在大脑中形成立体视觉，无法对其数字化，因此不能利用计算机对其进行图像处理。
随着虚拟现实、机器视觉、影视动画、三维游戏、生物医学、整形医疗、服装设计、人体测量、文物复制、艺术雕塑、人机交互、逆向工程、产品检测等行业的快速发展，纷纷提出了快速获取物体三维立体数字影像的要求，使三维摄影技术成为光学测量领域的研究热点，出现了众多原理的三维照相机。目前获得较多应用的三维照相机普遍采用结构光投影原理获取三维立体影像，即利用照明光源中的几何信息来帮助提取被拍摄物体的三维几何信息。三维照相机首先将计算机产生的正弦光栅图像投射到被拍摄物体表面上，若物体表面是平面，则得到一组相互平行的直条纹。若物体表面是曲面，则得到一组被物体三维表面调制后的曲线条纹。通过光学成像系统获取变形条纹图像，利用计算机相移测量技术就可精确获得物体三维几何面型数据。
三维照相机由于要使用编码投射光源，因此照相机的光路系统结构复杂，体积庞大，无法象普通照相机一样便携使用，因此人们只能到指定地点进行拍摄。三维照相机的成本较高，市场售价均在10万元人民币以上，因此难以在大众消费领域普及应用，目前只是在影视动画、三维游戏、虚拟现实、机器视觉、生物医学、服装设计、文物复制、逆向工程等专业领域获得了应用。
本文提出了一种基于普通数码相机的三维立体人像摄影系统，只需拍摄人物的正、侧面照片，然后利用研制出的“三维人像图像处理软件”就可从照片中提取被拍摄人物的三维几何模型和纹理贴图，彻底摒弃了价格昂贵的专业三维相机，实现了用数码相机进行三维成像的梦想。“三维人像图像处理软件”可将获取的三维影像数据生成DXF格式的加工文件，然后利用激光内雕机直接在人造水晶内部“打印”出180°三维实体人像。
一、二维数字人像输入系统
三维立体人像数字摄影系统由二维数字人像输入系统、三维数字人像处理系统和三维数字人像输出系统三部分组成（图1）。
图1 三维立体人像数字摄影系统
二维数字人像输入计算机的方式有两种：一是利用数码相机直接拍摄，将二维数字影像文件转存到计算机中；二是利用平板扫描仪逐点扫描照片或图片，将其转换为数字影像后输入到计算机中。
二、三维数字人像处理系统
由于人脸及其五官具有一定的轴对称性等，因此我们可利用三视图原理和正、侧面照片的正交性，从二维照片中提取出被拍摄人物的三维几何模型。
被拍摄人物表面上同一空间点在正、侧面照片上的投影点的亮度值并不完全相同，而且具有相同亮度值的图像点未必是空间同一点的投影，因此对正、侧面照片上的同一点进行精确定位是十分困难的。三维人像数字摄影系统中“三维人像图像处理软件”首先利用人像识别技术对被拍摄人物特征点进行识别和定位，然后利用计算机视觉技术分析被拍摄人物表面上每一点在正、侧面照片上成像点的对应关系，可从正面照片获取人脸表面上任意一点的宽度（X）和高度（Y）坐标值，从侧面照片获取相应点的深度（Z）坐标值，最后根据所有成像点的三维空间坐标值，就可建立被拍摄人物的三维几何模型。
三维几何模型只表示被拍摄人物表面的三维几何形状，但缺乏表面细节特征，没有真实感，在实际应用中无法满足实际需要。为了使生成的三维人像模型体现更多的面部细节特征，达到与照片一样的逼真程度，“三维人像图像处理软件”还要将正面、侧面照片无缝拼接为一张与视点无关的纹理图像，然后再映射到三维几何模型上，将丰富的纹理细节叠加到模型表面上，最终获得具有真实感的三维立体人像模型。
由于正、侧面照片的光照条件和拍摄角度不同，拼接起来的贴图有明显的裂缝。为了消除裂缝，采用多分辨率样条技术（图像金字塔法）消去正面和侧面图像之间的裂痕。从正、侧面照片融合出的纹理图像是二维平面的，而人脸模型是三维立体的，所以纹理图像的象素范围与人脸模型的像素范围通常不能很好地吻合。为获得较好的贴图质量，采用插值方法来计算人脸模型的像素颜色，可较好地实现纹理缩放和纹理重复。
三、三维数字人像输出系统
三维数字人像输出系统使用激光内雕机作为三维影像输出设备。激光内雕机将脉冲强激光在水晶内部聚焦，产生微米级大小的汽化爆裂点，形成不透明的微小缺陷，犹如激光束在水晶内部“打印”出一个微小点。通过计算机控制爆裂点在水晶体内部的空间位置，可将三维立体人像栩栩如生地“打印”到水晶内部空间，形成与黑白照片类似的三维实体影像。
激光内雕机是一种与激光打印机类似的二值点阵输出设备，输出的点只能是开或关两种状态，每个打印点只有有色或无色两种状态，而没有深浅浓淡之分。“三维人像图像处理软件”采用半色调技术，利用视觉对视频信号的带通特性，将连续色调的纹理贴图灰度图像进行空间调制，使得在小面积内分布的像素灰度被综合为该面积的灰度，通过激光内雕机输出，形成一个在视觉观察效果上近似于原图像的二值图像，可达到300DPI的空间分辨率。
图2为从网络下载实验用的正、侧面照片，图3为“三维人像图像处理软件”生成的DXF格式点云加工文件图像，图4为激光内雕机输出的180°三维立体人像。
三维立体影像使用人造水晶作为打印记录载体，克服了传统相纸不能长期保存、受潮褪色、见光发黄、艺术表现效果单一等缺陷。人造水晶具有玲珑剔透、高贵典雅、质地坚硬、恒久不变等优点，其钻石般璀璨的光芒既能给人以高贵神秘和耀眼夺目的感觉，又充满了浪漫的感情和无限的生命力，是爱情纯洁坚贞的象征，寄托着人类对纯真感情和美好生活的想往，因此水晶记录载体表达的思想内涵远远超出了金银、玉石、木头、纸张等艺术记录载体，同时也成为传递人与人之间的情感载体。
三维立体人像数字摄影系统利用数码相机和图像处理软件进行三维成像，将人生精彩时刻以三维立体形式永久驻留在水晶内部，实现了现代科学与传统艺术的完美结合，满足人们对三维人像的影像记录和传播需求。水晶三维立体人像不仅能给人们带来全新的视觉享受，而且能表达并传递人与人之间的的真挚情感，因此具有很高的审美价值和收藏价值，可用于生日和节庆留影纪念、馈赠亲朋好友的个性化工艺礼品、旅游纪念品、个性饰品、吉祥佩饰、家居饰品、荣誉奖品、办公室装饰品等。