بخشی از مقاله
چکیده
محاسبهی ماسک سهبعدی چهرههای گوناگون، یکی از چالشها در گرافیک کامپیوتری است. مدلسازی و محاسبهی سهبعدی چهره با استفاده از اسکنرهای سهبعدی بسیار دقیق است اما محدودیتهایی دارد و بعلاوه از لحاظ هزینه، مقرون بهصرفه نیست و ممکن است همیشه در دسترس نباشد. در این مقاله به روشی میپردازیم که با استفاده از سه عکس از سر یک فرد - سه عکس؛ دو نیم رخ چپ و راست و یک تمام رخ بعنوان ورودی - ، بتوان مدلی سه بعدی را شبیه سازی کرد. روشی که در اینجا بدان پرداخته شده است، حجم سازی سهبعدی از روی تصاویر ورودی است که در نهایت به یک آرایهای از مدل قالب سیمی میرسیم.
کلمات کلیدی: محاسبهی ماسک سهبعدی، شبیه سازی انسان مجازی، کاراکتر مجازی، مدل سیمی.
مقدمه
تعامل انسان و ماشین مبحث تحقیقاتی مهمی در گرافیک کامپیوتری است که امروزه توجه بسیاری به خود جلب کرده است. بدلیل نیاز به تعامل افراد در محیط های مجازی از طریق کاراکترهای مجازی تحت عنوان آواتار، یک نیاز رو به افزایشی برای تکنیکهای جدید مدلسازی چهره افراد بوجود آورده است. آواتار یک فرد به معنای مدلی کارتونی از چهره یک فرد بصورت واقعگرا است، که از چالشهای آن، طبیعی بودن کاراکتر و هزینهبر بودن عملیات ساخت آن میباشد. برای بدست آوردن یک مدل مش چند ضلعی و استخراج بافت می توان از اسکنر لیزری سه بعدی استفاده کرد.
در رابطه با تکنولوژی اسکن سهبعدی معایبی مانند هزینه بر بودن، نیاز به شرایط نورپردازی کنترل شده در طول فرایند اسکن، عدم توانایی گرفتن داده سهبعدی از چندین شی باهم، داده نادقیق بدست آمده از مناطق غیر بازتابی چهره - مثل مو - ، شکست در عملکرد در حالت بلادرنگ، خطر استفاده از نور لیزر در طول فرایند اسکن برای چشمها، نیاز به مداخله انسان در طول فرایند اسکن و مرحله پردازشیٌ وجود دارند.
استفاده از چندین عکس برای ایجاد کردن مدلهای چهره سهبعدی با بافت واقعی چهره، تکنیک کم هزینه ای است و ابزار کم هزینهای نیاز دارد ولی تحقق آن با الگوریتمهای خیلی پیچیدهتر امکان پذیر است، چراکه یک مدل کلی از سر باید تغییر فرم داده شود تا با سر فردی خاص مطابقت کند. از این رو تلاشهای زیادی انجام میگیرد تا مدلهای سهبعدی را بوسیله تکنولوژیهای ارزان و در دسترسی مثل دوربینهای دیجیتال، بسازند. در تکنیکهای بازسازی سهبعدی چهره، مدلهایی شامل مدلهای سیمی و استاتیکی به کار گرفته می شوند.
مدلهای قالب سیمی ساختار سهبعدی را با استفاده از رئوس متصل تعریف شده در فضای سهبعدی، نمایش میدهند. مدلی بهتر است که تعداد رئوس رضایت بخشی داشته باشد، اما هر چه تعداد رئوس بالاتر باشد بار محاسباتی بیشتری میشود. مدلهای استاتیکی، توسعه یافته ی همان متدهایی هستند که برای تولید مدلهای دوبعدی چهره استفاده شدهاند. از این مدلها میتوان به مدلهای مبتنی بر PCA اشاره کرد.
در مورد روشهای بازسازی چهره، روشهایی مثل روشهای مبتنی بر نمونه، روش استریو، روش های مبتنی بر شبح و روشهای مبتنی بر ویدئو را نام برد. روشهای مبتنی بر نمونهٍ، بر روی یک تصویر ورودی اعمال میشوند. روش استریو، به دو دسته اصلی جهت استفاده از تصاویر متعامد - دو تصویر - و غیر متعامد - استفاده از نماهای متفاوت صورت - تقسیم میشود. در روش متعامد هدف کلی شناسایی ویژگی های عمومی در تصویر تمام رخ و نیم رخ میباشد که این ویژگیها با ویژگیهای پیش بینی شده بر روی یک مدل کلی از سر مطابقت دارند.
این روشها به شرایط نور پردازی محیط حساسند. با اعمال روش استریو بر روی عکس، چهرههای همواری ایجاد میشود. بازسازی با استفاده از تصاویر غیر متعامد، تکنیکی است که برای بازسازی سهبعدی صحنه های خیلی متنوع استفاده میشود. در این حالت از دوربین های دیجیتال بهم متصل و کالیبره شده استفاده میشود. تکنیکهای استریوی نامتعامد، نتیجه ی هندسی دقیقی فراهم میآورند. چنین روشی نیاز به یک پایگاه داده چهره یا یک مدل سهبعدی کلی از چهره ندارد.
تکنیکهای مبتنی بر ویدئو برای تولید یک مدل چهره سهبعدی مبتنی بر تصاویر گرفته شده از چند نمای صورت، کار میکنند. این تکنیکها در واقع نوعی از تکنیکهای استریو هستند. متد مبتنی بر شبحَ از خطوط چهره استخراج شده از چندین تصویر یا ویدئوی صورت استفاده میکنند. یک مجموعه کامل از شبح های تصویر برداری شده از چند زاویه دید مختلف جزئیات مربوط به ساختار هندسی یک صورت را ارائه میکند.
مطالعات انجام شده
یک مش سه بعدی که توسط مجموعه ای از چند ضلعیها تعریف می شود، مدلی که شامل سه عضو رئوس، لبهها و وجهها می باشد. هر مش چند ضلعی شامل دو نوع از اطلاعات در مورد هندسه واتصال میباشد. از معایب و محدودیت های این مدل این است که یک نمایش گسسته ارائه میدهد که مبتنی بر مقیاس است و فقط یک تقریبی است که دقت این تقریب مبتنی بر کاربرد و مقیاس مورد نظر است.مدلهای سه بعدی با استفاده از چهار روش معروف مدلسازی چند ضلعیٌ، مدلسازی با موارد اولیهٍ، مدلسازی، مدلسازی چند تکه ای و نوارهای باریکُ ایجاد می شوند.انواع نمایش سطوح سه بعدی در شکل زیر بر اساس به منظور ارائه ی انواع روش های شناسایی چهره سه بعدی آمده است.
مروری بر نمایش سطح
در ابتدا پیش پردازش هایی انجام میگیرد با هدف کاهش نویز و هموار سازی دادههای مربوط به نقاط تیز، که این موارد در طول انجام عمل اسکن از سر، بدست آمدهاند. برای مدلسازی سه بعدی چهره، یک مش کلی بر اساس چهره و نقاط ویژه جدید تغییر فرم پیدا میکند اما قبل از آن، ابتدا مجموعه نقاط داده، بخشبندی شده و در ادامه بوسیله یک صفحه نمایش داده میشوند.برای بالا بردن رزولوشن به تعداد مثلث ها اضافه می شود.
