賀毅岳,周蓬勃,耿國(guó)華,周明全,分區(qū)變形與多重約束結(jié)合的面皮層次點(diǎn)對(duì)應(yīng)方法

1、ｈｔｔｐ：∥ｗｗｗｊｄｘｂｃｎｈｔｔｐ：∥ｚｋｘｂｘｊｔｕｅｄｕｃｎ第４６卷第６期２０１２年６月西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＸＩ’ＡＮＪＩＡＯＴＯＮＧＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＶｏｌ４６Ｎｏ６Ｊｕｎ２０１２收稿日期：２０１１－１１－２３作者簡(jiǎn)介：賀毅岳（１９８３－），男，博士生；耿國(guó)華（通信作者），女，教授，博士生導(dǎo)師基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（６０７３６００８）；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃前期專項(xiàng)資助項(xiàng)目（２０１１ＣＢ３１１

2、８０１）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（Ｆ０１０４０２）網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：２０１２－０３－１２網(wǎng)絡(luò)出版地址：ｈｔｔｐ：∥ｗｗｗｃｎｋｉｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／６１１０６９Ｔ２０１２０３１２１０２８００５ｈｔｍｌ分區(qū)變形與多重約束結(jié)合的面皮層次點(diǎn)對(duì)應(yīng)方法賀毅岳１，周蓬勃２，耿國(guó)華１，周明全１（１西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，７１００６９，西安；２北京師范大學(xué)藝術(shù)與傳媒學(xué)院，１００８７５，北京）摘要：針對(duì)顱面統(tǒng)計(jì)復(fù)原中基于面貌形態(tài)幾何特征建立

3、三維面皮間生理點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系的難題，提出幾何模板分區(qū)變形與多重約束結(jié)合的三維面皮層次點(diǎn)對(duì)應(yīng)方法（ＨＣＲＤＭ）該方法根據(jù)人臉生理結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)定義一套五官分區(qū)幾何模板，以實(shí)現(xiàn)面皮分區(qū)半自動(dòng)化；根據(jù)特征點(diǎn)的嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用徑向基函數(shù)對(duì)樣本面皮各分區(qū)變形；為近似重合的各分區(qū)建立體素模型，逐次選取特征顯著的模板頂點(diǎn)作為待對(duì)應(yīng)點(diǎn)，利用模板頂點(diǎn)間局部相對(duì)位置幾何約束確定樣本分區(qū)中對(duì)應(yīng)點(diǎn)候選集；根據(jù)局部幾何特征加權(quán)距離確定最優(yōu)對(duì)應(yīng)點(diǎn)；結(jié)合幾何約束與微分特征

4、距離約束實(shí)現(xiàn)邊界區(qū)域點(diǎn)對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ＨＣＲＤＭ較已有的三維面皮點(diǎn)對(duì)應(yīng)算法準(zhǔn)確率提高了１０％以上關(guān)鍵詞：顱面統(tǒng)計(jì)復(fù)原；點(diǎn)對(duì)應(yīng)；分區(qū)變形；多重約束中圖分類號(hào)：ＴＰ３９１文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ文章編號(hào)：０２５３－９８７Ｘ（２０１２）０６－００６６－０８ＡＨｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ３ＤＦａｃｉａｌＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｃｅＭｅｔｈｏｄＢａｓｅｄｏｎＲｅｇｉｏｎａｌＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＭｕｌｔｉ－ＣｏｎｓｔｒａｉｎｔＨＥＹｉｙｕｅ１，ＺＨＯＵ

5、Ｐｅｎｇｂｏ２，ＧＥＮＧＧｕｏｈｕａ１，ＺＨＯＵＭｉｎｇｑｕａｎ１（１ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００６９，Ｃｈｉｎａ；２ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｒｔａｎｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ＢｅｉｊｉｎｇＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００８７５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｅｗｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ３Ｄｆａｃｉａｌｃ

6、ｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｃｅｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｒｅｇｉｏｎａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｍｕｌｔｉ－ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ（ＨＣＲＤＭ）ｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｔｏｄｅａｌｗｉｔｈｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｈｏｗｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎ３Ｄｆａｃｅｓａｍｐｌｅｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃａｌｇｅｏｍｅｔｒｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ

7、ｉｎｃｒａｎｉｏｆａｃｉａｌｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＡｓｅｔｏｆｒｅｇｉｏｎａｌｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｔｅｍｐｌａｔｅｏｆｆａｃｉａｌｏｒｇａｎｓｉｓｄｅｆｉｎｅｄｂａｓｅｄｏｎｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｌａｎｄｍａｒｋｓｓｏｔｈａｔａｓｅｍｉ－ａｕｔｏｍａｔｉｃｐａｒｔｉｔｉｏｎｏｆｆａｃｅｃａｎｂｅａｃｈｉｅｖｅｄＴｈｅｎ，ｅａｃｈｒｅｇｉｏｎｉｎｔｈｅｓａｍｐｌｅｉｓｄｅｆｏｒｍｅｄｂ

8、ａｓｅｄｏｎｒａｄｉａｌｂａｓｉｓｆｕｎｃｔｉｏｎ（ＲＢＦ）ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｓｔｒｉｃｔｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｃｅｏｆｌａｎｄｍａｒｋｓＶｏｘｅｌｍｏｄｅｌｓａｒｅｂｕｉｌｔｆｏｒｔｈｏｓｅａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙｃｏｉｎｃｉｄｅｄｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｒｅｇｉｏｎｓ，ｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｕｎｄｅｒ－ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｖｅｒｔｅｘ（ＣＵＶ）ｗｉｔｈｌａｒｇｅｓｔｃｕｒｖａｔｕｒｅｉｎｔｈｅｔｅｍｐｌａｔｅｉｓ

9、ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅｌｙｓｅｌｅｃｔｅｄａｎｄａｃａｎｄｉｄａｔｅｓｅｔｏｆｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｖｅｒｔｅｘｅｓｏｎｓａｍｐｌｅｆａｃｅｉｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｙｔｈｅｌｏｃａｌｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｏｆＣＵＶ，ｗｈｉｃｈｉｓｇｅｎｅｒａｔｅｄｆｒｏｍｒｅｌａｔｉｖｅｐｏｓｉｔｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎｔｈｏｓｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｄｔｅｍｐｌａｔｅｖｅｒｔｅｘｅｓａｎｄＣＵＶＴｈｅｎ，ｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｃｏ

10、ｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｖｅｒｔｅｘｏｎｔｈｅｓａｍｐｌｅｃａｎｂｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｗｅｉｇｈｔｅｄｄｉｓｔａｎｃｅｓｏｆｌｏｃａｌｇｅｏｍｅｔｒｉｃｆｅａｔｕｒｅｓｂｅｔｗｅｅｎＣＵＶａｎｄｅａｃｈｃａｎｄｉｄａｔｅｖｅｒｔｅｘＴｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｃｅｓｏｆｂｏｒｄｅｒｒｅｇｉｏｎｓａｒｅｆｉｎａｌｌｙｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙｔｈｅｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｃｏｎｓｔｒａｉｎｔａｎｄｔｈｅｄｉｓｔ

11、ａｎｃｅ－ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆ３ＤｆａｃｉａｌｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｃｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙＨＣＲＤＭｉｓ１０％ｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｅｘｉｓｔｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｓＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｃｒａｎｉｏｆａｃｉａｌｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄ

12、ｅｎｃｅ；ｒｅｇｉｏｎａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｍｕｌｔｉ－ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｈｔｔｐ：∥ｗｗｗｊｄｘｂｃｎｈｔｔｐ：∥ｚｋｘｂｘｊｔｕｅｄｕｃｎ征距離約束建立各分區(qū)交界處的點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系圖１ＨＣＲＤＭ的基本流程圖２１Ｆｒａｎｋｆｕｒｔ坐標(biāo)統(tǒng)一與特征點(diǎn)標(biāo)定基于Ｓｎａｋｅ模型和射線法的邊緣提取算法獲得頭部ＣＴ圖像序列的邊緣，再應(yīng)用基于輪廓線的模型重建算法獲得如圖２所示的單層面皮模型（去掉耳朵）為了消除面皮模型所處坐標(biāo)系的不同對(duì)點(diǎn)對(duì)應(yīng)結(jié)果準(zhǔn)

13、確性的影響，將面皮統(tǒng)一變換到人類學(xué)研究領(lǐng)域采用的Ｆｒａｎｋｆｕｒｔ坐標(biāo)系，在該坐標(biāo)系下的面皮相當(dāng)于活體直立兩眼平視前方時(shí)頭部所處的位置如圖３所示，Ｆｒａｎｋｆｕｒｔ坐標(biāo)是通過(guò)交互標(biāo)定左右雙耳孔中點(diǎn)、左眼框下緣點(diǎn)和眉心點(diǎn)（Ｌ、Ｒ、Ｍ、Ｖ）確定的：①以向量→ＬＲ為法向量且過(guò)眉心點(diǎn)Ｖ的平面與直線ＬＲ的交點(diǎn)作為Ｆｒａｎｋｆｕｒｔ坐標(biāo)系的原點(diǎn)；②過(guò)原點(diǎn)且方向?yàn)椋危健仯停摇仯停痰纳渚€作為新的Ｚ軸；③ＬＲ直線為新Ｘ軸，其正向從Ｌ指向Ｒ；④定義過(guò)

14、原點(diǎn)且垂直于Ｘ、Ｚ軸的直線為Ｙ軸，其正向由Ｘ軸和Ｚ軸按右手法確定圖２單層面皮模型圖３Ｆｒａｎｋｆｕｒｔ坐標(biāo)系的定義示意圖［８］參考ＭＰＥＧ－４中人臉定義參數(shù)并結(jié)合面皮解剖學(xué)知識(shí)定義了覆蓋整個(gè)面皮的１０３個(gè)特征點(diǎn)，采用基于支持向量機(jī)的半自動(dòng)方法［１０］進(jìn)行標(biāo)定，效果如圖４所示圖４面皮特征點(diǎn)２２面皮分區(qū)幾何模板根據(jù)面皮的生理結(jié)構(gòu)及形態(tài)局部相關(guān)性定義一套基于特征點(diǎn)的五官分區(qū)幾何模板，以半自動(dòng)化方式對(duì)樣本面皮進(jìn)行分區(qū)，獲得具有局部形狀相似性的器

15、官分區(qū)，為分區(qū)變形及點(diǎn)對(duì)應(yīng)處理奠定基礎(chǔ)２２１幾何模板的建立五官分區(qū)幾何模板由４個(gè)形狀近似的幾何體構(gòu)成，其中眼睛和嘴巴以橢球體近似，鼻子以四面體近似表１給出了五官分區(qū)幾何模板及相關(guān)特征點(diǎn)表１分區(qū)幾何模板與特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系分區(qū)名稱近似幾何體類型相關(guān)的特征點(diǎn)嘴巴橢球體２２、２４、２５、２６、２８鼻子四面體３、１７、１８、１９、２１左眼橢球體２、５、６、７、１４右眼橢球體４、１１、１２、１３、１５橢球體的數(shù)學(xué)表達(dá)式為（ｘ－ｘ０）２ａ２＋（ｙ－ｙ０

16、）２ｂ２＋（ｚ－ｚ０）２ｃ２＝１（１）式中：（ｘ０，ｙ０，ｚ０）為球心坐標(biāo)；ａ、ｂ、ｃ為３個(gè)軸長(zhǎng)參數(shù)本文設(shè)定左眼橢球體以圖４所示６號(hào)特征點(diǎn)為球心，且橢球體參數(shù)與特征點(diǎn)坐標(biāo)之間滿足（ｘ０，ｙ０，ｚ０）＝（Ｍ（６，ｘ），Ｍ（６，ｙ），Ｍ（６，ｚ））ａ＝ｄ（５，６）；ｂ＝ｃ＝ｄ（２，６）（２）式中：Ｍ是包含面皮１０３個(gè)特征點(diǎn)的向量；ｄ（ｉ，ｊ）表示第ｉ和ｊ個(gè)特征點(diǎn)間的歐式距離對(duì)應(yīng)于鼻子的四面體的數(shù)學(xué)表達(dá)式為Ａ１（ｘ－ｘ１）＋Ｂ１（ｙ－ｙ１）＋