5.2 3D照相馆的核心技术:3D智能数字化

开过照相馆或婚纱影楼的读者可能会有体会,照相馆的核心技术在于摄影技术,即要为客户拍摄出满意的照片效果来,然后才将修正了的图像文件提供给工厂打印或冲印。同理,3D照相馆的核心环节也是对客户3D人像数据进行采集和处理,也即3D智能数字化技术。下面,我们就详细介绍一下3D人像数据的采集和处理过程,以便让你对各个环节都有一个直观的认识。

这里,我们以一款国外的3D扫描仪Artec Eva为例进行介绍。如图5.2-1所示,Artec Eva 手持式3D 扫描仪酷似一台配有3D捕获功能的摄影机。该扫描仪无需标定,最高的捕获精度可达16帧每秒,帧图像可自动拼接对齐。Artec Eva 3D扫描仪有三个摄像头,其中中间的带有一圈LED进行照明,主要是获得颜色,另外两个摄像头能够得到与被拍摄者的距离数据,生成3D模型。Artec Eva 3D三维扫描系统基于结构光技术原理(详见第44.3.1节“ 光学三维扫描仪的原理和实例”),将特殊的光带,以成一个视差角的方式投射在物体表面。利用物体表面对光源所造成扭曲的原理精确计算每个三维数据点的坐标。

5.2-1  Artec Eva手持式3D扫描仪

下面我们介绍详细的扫描步骤。

1.按下按钮。对准扫描对象并按下按钮,如图5.2-2所示,扫描过程就会立即开始。操作非常简便。

5.2-2  按下按钮

2.移动扫描仪。绕着扫描对象移动扫描仪,如图5.2-3所示。实时的表面对齐可以使你很好地了解已扫描了哪些部分,还有哪些没有扫描。如果你在某一个区域中无法获取扫描形状,请不要着急,稍后还可以返回去再扫描。

5.2-3  移动扫描仪

请根据需要尽可能多地扫描捕获完整的对象。如果需要旋转扫描对象以获取各个角度的扫描形状,请先完整地扫描一侧,然后关闭扫描仪,将扫描对象转至另一侧再对其进行扫描。

3.将扫描形状对齐。将所有扫描片段对齐在一起后可以得到完整的模型,如图5.2-4所示。如果某些位置缺失,可以对此部分重新扫描一次。通过3D智能数字化算法,可以将多个扫描形状片段完美地对齐在一起,放置在一个统一的3D坐标系当中。

5.2-4  扫描形状片段的对齐

4.将扫描形状片段融合成一个3D模型。将所有的扫描形状片段融合在一起,将会得到一个单一的三角网格模型,如图5.2-5所示。

5.2-5  将扫描形状片段融合成一个3D模型

5.对扫描物体表面进行光顺和优化处理,如5.2-6所示。还可以优化网格,填补孔洞并进行表面光滑处理。

5.2-6  对扫描物体表面进行光顺和优化处理

6.纹理图像贴图,如图5.2-7所示。轻敲一下鼠标键就可以自动地将纹理图像应用到扫描对象上。

5.2-7  纹理图像贴图

7.得到原始的3D模型后,一般不能直接进行3D打印,还需要作一些后期处理,对模型进一步优化,这一点和我们用PSLightroom处理照片很像。具体来说,扫描得到的原始3D数据一般都含有噪声,而且头发的效果往往很差,普遍采用的是Geomagic配合ZBrush3D-Coat进行人像处理。下面,我们就将3D照相馆需要用到的3D智能数字化技术一一罗列出来,供读者参考。

²  Geomagic具有三维扫描数据处理功能,可对缺失和噪声数据进行修补,并拼接得到一个完整的3D模型。具体请参见5.5.3节“Geomagic Studio:更通用的任意形状修补”。

²  ZBrush3D-Coat是三维数字雕刻软件,非常适用于头发的修补和人脸的后期打磨。具体请参见5.5.1节“使用3D-Coat/ Zbrush软件手工修补发型”。

²  另外,Magics也是3D文件打印前理想的软件解决方案,它能够快速高效地修正具有瑕疵的打印文件。具体请参见5.8.2节“Netfabb/Magics:修正你的STL打印文件”。

²  如果顾客对扫描得到的人像不满意,比如说觉得不够漂亮,可对3D人脸形状和图像纹理进行美化。具体请参见5.3.3节“人是种视觉动物:如何美化你的照片”。

²  还可以对3D形状进行一些编辑和修改,比如顾客的背有点驼,希望能够笔直笔直的;或者觉得自己的鼻梁有点塌,希望高挺一些;甚至很多女性顾客希望自己的身材更加凹凸有致;还有的男性顾客希望自己的手腕上能多上一块劳力士手表、甚至希望给自己身上换上钢铁侠的装甲,等等。具体请参见6.2.3节“个性化形状的编辑与合成”。

²  相比于2D照相,3D照相的另一个巨大优势是有更大的操作自由度。比如顾客在照相时是一种正常的表情,在打印输出时,我们可以对3D表情进行编辑,比如改为微笑或大笑的表情。具体请参见5.6节“3D人脸表情形变与编辑”。

²  使用3D扫描仪的主要缺点是顾客需要保持一个姿势至少几分钟,成人还可忍受,但对于活泼好动的小朋友或小猫小狗来说,它们可能连1秒钟都无法坚持。这时,就需要用到基于多张照片的3D重建技术了,可在影棚中的各个方位架设多台(比如20台)照相机,在毫秒级的时间内同步拍摄。具体请参见5.3.2节“基于多视角照片的3D人脸重建”。

²  有时候顾客会摆出一些很奇怪的姿势,比如金鸡独立、街舞倒立或腾空而起等,那么如何让这些奇怪姿势的3D模型打印出来能够放稳呢?具体请参见第66.7 节“形状平衡:如何确保3D物件站立稳当”。

²  由于目前全国各地的3D照相馆还不是很多,所以经常会有不方便前来的外地顾客。这时可以让顾客提供一张清晰的正面照片,然后使用3D智能数字化技术重建出对方的3D模型。具体请参见5.3.1节“基于单张照片的3D人脸重建”。

²  顾客总是希望能花更少的钱,这时店家可以从尽可能减少打印的耗材着手削减成本。具体请参见第66.8节“形状优化:生成内部轻质结构使得耗材最省”