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1、中国科学技术大学 硕士学位论文 基于改进的MR-ASM的彩色人脸图像渐变研究 姓名：夏泽举 申请学位级别：硕士 专业：计算机软件与理论 指导教师：董兰芳 20100410 摘要 I 摘 要 摘 要 人脸渐变技术作为计算机动画领域的一个重要实用技术，可以广泛应用于 电影制作、游戏娱乐和广告制作等领域。人脸渐变技术是人脸特征定义及获取 技术、图像变形技术和渐变中间帧混合技术等的综合集成技术。现有的研究成 果集中于研究新的或者改进的图像变形技术领域，并已经取得了很多成果。本 文综合考虑了影响人脸渐变效果的多个环节，主要研究内容及成果如下： 1) 从三个角度介绍了人脸渐变动画的研究现状， 并阐述了基于
2、点特征变形 技术的渐变算法、 基于线段特征变形技术的渐变算法以及基于网格特征 变形技术的渐变算法的原理及其效果。 2) 针对人脸图像特征自动定位需求， 文本提出了一种改进的多分辨率活动 形状模型人脸特征定位算法（MR-ASM） ，即：采用多层的 Adaboost 人脸 检测算法和基于样本统计的方式来优化初值， 利用人脸及五官的边缘的 差分信息，修改了部分关键特征点的搜索匹配结构。改进算法在没有降 低原始算法效率的前提下明显地提高了算法的准确性和鲁棒性。 3) 针对彩色图像渐变效果不够稳定的现状， 文本提出了一种新的彩色图像 渐变技术，把渐变过程分为两个阶段，每个阶段分别进行彩色图像的灰 度图转
3、换和色彩饱和度分量调节。结果表明，该方法产生的渐变序列更 加自然、平滑，同时渐变的效果有非常好的适应性。 4) 基于本文提出的改进的多分辨率活动形状模型人脸特征定位算法 （MR-ASM）和新的彩色图像渐变技术，实现了一个具有效果稳定和使用 方便的彩色人脸图像渐变系统。另外，在此基础上，对彩色人脸图像渐 变系统进行了扩展，形成了一个比较实用的脸部图像渐变系统。 关键字：多分辨率活动形状模型、人脸特征定位、图像变形、人脸渐变、关键字：多分辨率活动形状模型、人脸特征定位、图像变形、人脸渐变、 图像渐变、人脸图像渐变、渐变动画、自动渐变图像渐变、人脸图像渐变、渐变动画、自动渐变 Abstract II
4、 Abstract The technique of face morphing, which have been widely used in movies making, game and advertise making, is a practical technology in the field of computer animation. The technique of face morphing is an integrated technology of definition and obtaining of facial features, image warping, a
5、nd image blending. Existing research results mainly focuses on the improvement of the image warping technique, but this paper focuses on many aspects of the face morphing. The main work and achivements of the dissertation can be summarized as follows: 1. Usual face morphing techniques are summarized
6、 in three aspects. The principle and effect of face morphing algorithms based on feature mesh, feature lines and feature points are discussed. 2. For the needs of the automatic positioning of face image feature, this paper has presented an improved Multi-resolution Active Shape Mode (MR-ASM) of the
7、automatic positioning of face image feature. The new algorithm has used Multi-Layers of Adaboost of face detection algorithm and sample-based statistical approach to optimize the initial value and has used features of human face and the edge of the differential information to modify the match struct
8、ure of some of the key feature points. The improved algorithm has apparently improved the accuracy and the stability. 3. For the current morphing technology，the morphing process is not natural enough and the morphing quality is not stable enough. Address all these issues, this paper presents a new c
9、olor images morphing technique, the morphing process is divided into two phases, and each phase has color adjustment to gray and color saturation adjustment. Experimental show that this approach can produce fluid and natural transition images. Besides, the morphing effect has a very good adaptation.
10、 4. This paper has realized a color facial morphing system based on the improved MR-ASM and the new color image morphing technology. Besides, on this basis, this paper has extended it to form a practical face image system. Key words： MR-ASM，facial feature location，image warping， face morphing，Image
11、morphing，facial image morphing，morphing animation，automatic morphing III 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进行研究工 作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对 本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即： 学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进 行检索，可
12、以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： _ 年 月 日 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 人脸渐变动画的研究背景和意义人脸渐变动画的研究背景和意义 图像渐变，就是生成一幅数字图像到另一幅数字图像的过渡图像的动画生 成技术。图像渐变，现在已经在很多领域都有着重要应用，例如广告设计、动 画制作、 影视特效、 艺术设计、 医疗图像处理和虚拟现实等方面21 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 21 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 。图像渐变主要涉及三个方面21：一
13、是特征定义与提取； 二是图像变形处理；三是中间帧过渡控制。 人脸是与人沟通时最直观的传播信息的载体，因此人脸容易成为人们重点 关注的对象。通过人脸的复杂和丰富的变化，容易得到这个人的情绪变化和个 性等信息。 人脸一直是计算机动画的重点研究领域，当然也是计算机渐变动画关注的 焦点之一。人们对于人脸动画的细节关注度高，又因为人脸动画效果涉及的技 术因素繁多且复杂，人脸动画的效果一直不能令人非常满意，所以人脸动画的 效果的改善一直是研究人员研究的热点。随着计算机技术的迅猛发展，计算机 动画技术在若干细分研究领域也已经获得一些突破，这就给人脸动画向着更具 挑战的综合性研究目标迈进提供了有力的技术支持。
14、近年来，人脸动画技术已 经在计算速度和动画效果方面取得了一定的突破， 因此， 综合了人脸动画技术、 人脸特征获取技术和图像混合技术的人脸渐变动画技术得以迅速发展。人脸渐 变动画研究虽然已经取得了一定的研究成果，但是它的实用化之路却是极具有 挑战性的课题。 首先，人脸具有非常复杂的生理特征。人脸渐变动画技术本身就是一个综 合了若干技术的计算模型，每一个技术处理，可以说获得的人脸处理结果都是 对处理前的人脸对象的近似，所以经过几个层次的近似计算，所获得的人脸处 理结果很难保证不丢失真实人脸所具有的细节特征。因此人脸渐变动画的真实 感仍然是一个另研究者感到艰难的课题。 其次，人脸的背景特征很复杂，很
15、难建立人脸背景特征的映射关系。在人 脸渐变动画中，源图像和目标图像中，人脸的特征隐射关系比较明显，然而人 脸的背景， 例如头发特征在发型差别悬殊的情况下， 很难建立隐射关系。 所以， 目前的人脸渐变动画研究，大多都排除人脸背景的干扰因素。然而，实用的人 第一章 绪论 2 脸渐变动画不得不考虑这个问题。 其三，人脸具有很复杂的光照特性。由于人脸具有非常复杂的几何结构特 征，所以人脸的光照特性在人脸渐变动画过程中很被难准确模拟，甚至在很多 人脸渐变动画设计当中，人脸光照都不受重视或者被忽略，这样就大大影响了 动画的效果。 其四，人脸具有很复杂的色彩特征。由于不同个体人脸具有明显的肤色差 异，因此在
16、进行不同个体的人脸渐变动画时，中间帧的混合肤色很容易失真。 这样产生的人脸渐变动画，就很容易让人产生不真实的感觉，从而令人失去欣 赏或娱乐的兴趣。 最后，人脸渐变动画目前是计算机图形学和计算机视觉领域最根本、最困 难的问题之一，同时它也是包括物理学、心理学、生理学等多个领域的跨学科 问题。因此，人脸渐变动画的研究本身具有很强的综合性和复杂性。 下面列出人脸渐变动画的一些主要应用。 1渐变动画制作娱乐软件 计算机渐变动画，由于是现实生活中不存在的事物，人们对于它总是有着 好奇的心里和积极的期待。而且计算机渐变动画有着很好的互动效果，容易让 人们产生尝试的兴趣，同时具有很好的娱乐效果。因此，供人们娱乐之用的渐 变动画制作软件大量涌现。提供渐变动画制作娱乐的免费或商业软件例如： WinMorph 3.01、 Free Morphing 2.1.11、 Abrosoft FantaMorph Pro 4.1.6 、 FX Morph 3.0 和 Fun Morph 8.69 等等。 图 1-1 WinMorph 软件中的人脸渐变制作示意 第一章 绪
