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1三維人臉圖像數據的采集

采集設備進行三維掃描的過程是一個實時曲面配準的過程。盡管這一過程有一定的魯棒性，但是掃描對象的姿態變化很容易干擾配準的準確度[7]。因此在采集三維人臉圖像前應和被采集人進行必要的溝通，防止采集過程中因被采集人說話或移動導致配準失效而中斷操作。為了在保證數據質量的同時減少重復數據量，使用手持式3D掃描儀時，需要按照一定的移動順序對人臉圖像進行擷取[8,9]。采取的掃描順序（見圖2）是從被采集人的一側耳部開始，上下S型經鼻面部向另一側耳部移動，然后向下采集下巴被遮擋部位的圖像，最后回到開始的部位完成掃描（單幀曲面范圍90mm×70mm~180mm×140mm）。這樣做的好處，一是不會遺漏采集部位；二是符合人臉面部結構特點，如果采用橫向S型掃描則要多次經過鼻翼兩側，這就增加了掃描難度；三是固定了采集順序，在預處理時可以快速找到需要修改或刪除的某一幀或幾幀圖像。對耳朵、鼻翼兩側、下唇至下巴中間結構比較復雜的曲面，在采集時，可以采取小角度變換掃描儀打光角度。對下巴的采集，可以將掃描儀從下方盡量接近被采集人身體并向上打光，以減少由于遮擋形成的空洞。因手持式3D掃描儀的便攜特點（≤1kg），采集現場只要具備交流電，在明視照度下即可進行操作，所以非常方便在非實驗室環境進行采集。

2對采集數據的預處理

采集到的原始數據是一個曲面幀集合，根據采集時間、幀速率的不同包含400~1500個曲面幀數據。將這些數據合成一個完整的三維人臉圖像之前需要一系列的模型處理。主要包括：整體配準、光順合成、補洞、小型對象過濾、簡化網格以及紋理映射等步驟[7,10]。對于大部分一次性采集完成且自動配準較好的數據，使用上述自動處理都能夠取得良好效果。但由于光照條件的細微變化、臉部皮膚的光滑程度不同，或者曲面結構相互遮擋等因素，一些模型自動處理的結果并不理想，如圖3左所示，自動配準造成了明顯的裂紋。這不但會影響視覺效果，還對后期的深入應用造成干擾[11]。這就需要經過人工干預配準獲得理想的效果（見圖3右）。

人工干預配準主要包括三個步驟：第一步要先找出自動配準不理想的幀或幀集合，將其選取移出成為新的幀集合。如圖4所示，計算機在自動配準掃描圖像時出現了較大的偏離（見圖4左），這就要對偏離的曲面進行人工篩選，生成新的幀集合（見圖4右）。有的采集圖像可能包含多個曲面的圖像，分離出不止一個幀集合，可根據具體的采集結果分離出二個或二個以上的幀集合，每個幀集合應保持在一個連續的曲面內且互相包含重合區域。第二步是在分離出的幀集合之間進行特征對齊，即在需要拼合的兩部分幀集合上標記多個特征比較明顯的相同部位（同名點），例如眼角、嘴角、耳廓、鼻尖、鼻翼等部位（見圖5）。如果分離圖像沒有共同的明顯的特征，也可以通過人工交互移動待配準的幀集合與參考幀集合盡量對齊重合，其重合精度主要依賴人眼。第三步是自動拼接網格。如果把“特征對齊”理解為對分離圖像的“粗拼”，那么“拼接網格”即是對分離圖像的“細拼”。在自動拼接網格的基礎上再“允許圖像紋理拼接”，這樣就得出人工擬合后的三維圖像，后續可以重復整體配準和光順合成的過程，達到更好的處理效果。另外，人工干預也可以通過刪除個別幀圖像以獲取較好的圖像質量。例如圖6就是通過刪除單幀，來修補眨眼造成的閉眼圖像。

由于光照條件的變化或者掃描過程中偶然出現的不穩定移動，可能會對采集的三維人臉圖像質量造成影響，自動配準和人工干預后仍由此可見會出現裂紋或者其他不理想的質量問題（約占5.3%）。這種情況下可以通過2D/3D擦除、修補和光滑處理來改善，但是應盡量減少圖像插值的處理，以免改變或消除人臉面部皮膚的原始細節特征。除此之外，對三維圖像的編輯還包括坐標變換、數據擦除、網格簡化等，對紋理圖像的編輯包括亮度/對比度調整、色調、色飽和度以及圖像灰度校正等。使用的3D掃描儀的幀速率為7.5fps，采集一個樣本的平均耗時在80~110s之間。為了說明采集幀數與圖像質量的關系，記錄預處理過程中的部分數據。按照“優質、良好、一般”將處理前后的圖像質量評價為三個等級，并按照采集幀數分類得出以下數據關系。由此可見，采集圖像在500~700幀范圍內的三維人臉圖像的質量最好，需要人工干預處理的樣本數較少，平均處理的時間也較短。700~900幀的圖像需要較多的人工干預，但是預處理后也可以得到較高的圖像質量。900幀以上的圖像采集質量較一般，但是經預處理后圖像質量有較大幅度提高，只是處理耗時較長。而500幀以下的圖像質量在預處理前后都很難獲得高質量的圖像效果。

作者：王俊娟 許磊 黎智輝 謝蘭遲 張寧 郭晶晶 單位：蚌埠市公安局 公安部物證鑒定中心