三维数码摄影技术 用于个性化娃娃的制作方法 【技术领域】
本发明涉及个性化雕塑技术领域，特别涉及利用科学手段，找出雕塑物个性化特点，雕塑出雕塑品的相关技术。
背景技术
随着科技的进一步发展，社会的进步以及人们对生活质量的要求的不断提升，人们在追逐个性化的同时，生产商和供应商更是绞尽脑汁提供个性化的服务。我们可以看到不论是风靡全球的芭比娃娃或是American girl(美国女孩)均采用的是一成不变的模型，展现的仅仅是设计好的最完美的娃娃特征：而Twins娃娃的制作，是通过一到两张照片为原型，它只能近似描述人体脸部的特征，并不能精确表述脸部完整的特征。
目前存在的个性化礼品的加工模式有两种：大规模的生产加工和手工制作。诸如贺卡，精致的小礼品等均采用大规模的生产。以在外包装上贴上小纸条或是签上自己地名字等方式体现个性化的特点。而娃娃的制作方面，例如芭比娃娃则利用一个设计好的标准模型，不具备个性化的特征，且标准模型造价较高，因为设计标准模的时间久，人力大，设计、开模都需要付出一笔不小的费用。MyTwinn娃娃则开始具备了一些个性化的特征，利用一组已经建立的模型(代表几类典型特征)，根据二维的相片，进行匹配。但由于贮备在模型库中的每个模型需要手工完成，制作成本较高，故模型库中的模型比较有限。
而手工作坊的制作是指纯手工雕刻加工，如泥人娃娃、印章制作等，这对加工人员的要求较高，需要有丰富的工作经验，且加工的时间长，成本高，精度也不高，不适合在普通人群中推广。目前此种方式的加工仅仅应用于制作名优雕塑。
随着加工工艺的进步，CNC数控铣床的出现，引起了整个制造行业的发展。加工的精度和准确度明显提高了，加工的时间也缩短了许多。同时三维摄影技术更是在不断的发展，由原来的生成二维照片的成像技术到三维扫描、三维摄影，可以实现瞬间捕获活人的真实特征，再利用快速成形机，在短时间内即可以实现生成三维模型。这使得三维成像技术的应用成为了可能。但是成本相对较高，并不利于普及和推广发展。原因是三维摄像系统中的摄像机属于专业照相器材，且目前的三维摄影技术完成人体模型的制作需要较长的时间，故整体的成本较高。
技术内容
本发明目的是针对现有技术存在的不足，设计一种利用三维摄影系统快速、低成本的制造出个性化模型。
本发明可通过以下技术方案实现：
三维数码摄影技术用于个性化娃娃的制作方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
A、用三维成像设备对人脸特征进行拍摄记录，使脸部特征成为数码文件；三维成象设备要求尽量快速，精确的将人脸特征记录下来。通常一张照片可以将人脸上多数特征记录下来，三张照片可以将人脸所有特征(包括从耳朵到耳朵在发际线以内人脸所有三维特征)全部记录下来。
B、三维图像的处理，在拍摄相片结束后，利用图像处理软件将相机中的加密数据转换成完整的三维数据模型；如果用两张以上的照片，则用重叠区内的三维特征进行匹配，将多张三维模型配合为一个完整的人脸模型。
人头模型库中保存了一组不同脸型的标准人头模型。每次选择一个与需要融合的人脸形状最接近的标准人头模型来与人脸融合。标准人头模型是事先设计好的三维人头模型，其脸部制作为一般五官分布，头型制作为不同的形状，如长脸，圆脸等。其后脑和脖子制作为标准的形状，以便统一定制头发套和统一的娃娃身体连接。
从三维人头模型库中选出一个人头模型与人脸模型进行特征匹配，使得人脸模型上的五官位置与标准人头模型上的五官位置基本吻合，而边缘重叠处的误差最小。在边缘重叠处两个模型的三维坐标进行加权平均，使得人脸和人头模型之间平滑过渡，没有交接的痕迹。这样，一个个性化的娃娃头模型的初步数据文件就完成了。然后对娃娃头的初步数据模型进行三维数据处理加工：
挖眼眶：根据人脸模型眼部的三维结构，或贴上二维纹理图后沿着眼眶画一圈眼眶线，挖下一定深度的眼睛区域，一般深度在1到5毫米之间。在眼睛部位的背后，挖一圆形或椭圆形凹槽，凹槽形状与娃娃的眼珠形状相吻合。凹槽壁到眼睛外壁的距离定为眼皮的厚度，一般控制在0.5到1.5毫米以内。
割双眼皮：在上眼帘上部双眼皮位置画一条曲线或一块狭长区域，然后割下一定深度，作为双眼皮。
对嘴唇边线，鼻翼沟线和仁中部位特征进行锐化：嘴唇边线，鼻翼沟线和仁中部位周围画曲线，然后通过三维网格变形调整使得特征线锐化。
调整人脸表情：在标准人头上先把每一个特征点移动位置以及相应表情变化记录下来。在人脸主要表情变化的部位，如嘴唇，脸颊，眼睛和眉毛部位圈上曲线，然后在这些部位调整三维网格的坐标位置，模拟人脸肌肉的变化。当一个新的娃娃头产生后，可以调节特征点位移大小来控制表情的变化，如从微笑到大笑，可以将几种不同表情融合在一起，如微笑与惊讶的表情组合，可以通过同时调节控制微笑和惊讶的变化达到。
进一步人脸美化：在调节表情时，可加入其他美化项目如胖瘦，五官美化，或将两个人的特征混合在一张脸上模拟子女的脸型，等等。
调整胖瘦，五官美化是通过三维人脸的网格变形调整完成，事先记录达到目标形状的变化大小，然后在娃娃脸上相对应的区域调整网格变化大小以达到预期的表情效果。
将两个人的特征混合在一张脸上的方法是先将两个人脸模型按五官位置匹配重叠在一起，然后将相对应的三维网格加权平均，形成新的人脸模型。加权系
数ta+tb＝1，在一个部位对脸A的加权多于脸B，则该部分人脸特征更象脸A。C、完成三维数据模型以后，进行三维成形，输出的模型数码文件，将其输入到快速成型机，如雕刻机中进行加工成形；
事先做好头胚模型，使得雕刻余量最小，雕刻时间最省，头胚重量最轻。头胚的后脑部位被切除，即盖在头发下面的部分。头内腔掏空，脖子和耳朵后面的部位不要雕刻。头胚可用模具浇铸成型。头胚夹具固定在转轴上，以便雕刻三面的数据。后眼腔部分用雕刻方式或钻头来精确打出半圆形洞，以便装眼珠。
D、雕塑品装饰，对于加工成形的雕塑品再根据需要进行完善后续处理。
在参照物特征进行拍摄记录时，可采用180度成像系统，即用三台相机同时在三个角度拍摄或依次在不同的角度拍摄。也可采用一台相机拍摄，用旋转台或移动台改变被拍摄物的拍摄角度。在图像处理时，处理软件可以为3Dgraph及V3DOLL。在进行成形加工时，三维成形方法可为传统的搪胶工艺或直接雕刻。
本发明技术进步在于，利用此方法可快速、低成本的制造出个性化雕塑模型。
【附图说明】
图1为本发明的工艺流程图；
图2为本发明的制作娃娃流程图。
具体实施方法
利用我们的三维摄影系统能够快速、低成本的制造出个性化模型。这使得实现为个人定制具备自我特征的个性化雕塑产品不再是特殊或重要人物的专属，在普通人群中得到推广。
我们以人为雕塑模型，利用我们的三维摄影机能方便快速的捕获活人的特征，故主要应用在人体摄影上，包括医疗测量、诊断、手术定位、公安侦察和个性化礼品制作等方面。而目前我们将其应用在个性化礼品和个性化娃娃的制作中。由于其具有低成本高效率的特点。使得能够实现为每一个孩子甚至是每一个个人定制一个和他(她)一模一样的娃娃，从而生动而真实的记录他(她)人生的每个里程碑。
此三维摄影系统将一台或多台三维摄影机整合成摄影亭，完整的记录人体特征，例如在脸部摄影时，用三部相机拍摄，可以获取人脸部从耳朵到耳朵的完整脸部信息，再通过数据处理整合到一个完整的头上，经过美化，输出成一个数据文件，导入一个可供加工的数控铣床或是快速成形机，利用夹具将模坯快速的雕刻形成一个娃娃头的立体模型。
此技术应用个性化雕塑制作，所谓个性化雕塑包括个性化娃娃、个性化礼品、手模、脚模、浮雕制作等。
1、三维摄影技术包括用三维成像设备对个人的三维脸部特征进行测量记录，使得脸部特征成为数码文件，可以进行精密雕刻成型。
①除了对人脸部特征进行测量记录外，同样此技术还可以记录身体其他各部分的数据特征，如手部的测量，或获取身体比例等。
②将拍摄好的三维相片经过三维图像处理，可以形成数码文件，即是取得三维图像每个点的三维坐标和其他特征数据。
③基于此技术的成型方式有很多，可以是精密雕刻，还可以是激光雕刻(包括在水晶制品的内部雕刻个性化人物)，液体固化成型等。而目前我们采用的是数控铣床精密雕刻的成型方式。
2、个性化娃娃包含了个人脸部以及身体其它部位的特征。
所谓的个性化娃娃就是指具备个人的特征，它不同于芭比娃娃，而它所代表的是每一个个体，真真切切的与我们的每一个相关联。
3、个性化娃娃的制作包括对个人特征的三维图像处理，娃娃头型模型数码文件的生成，娃娃头模型的雕刻制作，以及娃娃头型的处理化妆等工艺过程。
①对三维图像的处理是在拍摄相片结束后，利用图像处理软件3Dgraph和V3DOLL将相机中的加密数据转换成完整的数据模型，以供加工。3Dgraph软件可以将相机中存储的光栅图转换成三维图；V3DOLL可以将几张三维相片拼合成脸部模型，再配上标准的头膜，经过加工和修饰，打磨，从而形成了一个完整的数据头膜。同时还可以利用V3DOLL进行其他方面的修饰和调，例如，添加双眼皮、改变皮肤颜色、调整表情等。
②完成数据模型以后，输出生成娃娃头模型数码文件，再将其输入到雕刻机中进行加工成形。三维成形的方法可以分成两种：传统的搪胶工艺和直接雕刻。其工艺流程可以参见工艺流程图。搪胶工艺是比较成熟的娃娃制作技术，但加工的工序相对比较复杂；而直接在材料上雕刻，需要选用较轻、有质感，且易于雕刻的材料，但相对工艺流程所需的工艺比较少，目前我们使用的是PU材料进行直接雕刻。
③娃娃的头像成形后，需要进行后续处理。诸如头型处理，身体拼接(脖子和身体的接合)，装眼珠，加头发，上唇色，涂眉毛，服装等。最终形成一个完整的Mee娃娃，一个代表自我特性的娃娃。
4、三维图像处理包括三维摄影的生成，三维特征的加强，三维模型之间的融合，三维形象的美化等。
①在3Dgraph中生成三维摄影像，即将光栅图转换成三维图。
②利用V3DOLL可以实现三维特征的加强。将几张三维图片拼拉合成脸部模型，加上标准头膜，形成完整的娃娃头型模型。
③三维模型之间的融合就是指在接口出实现完美拼接，主要之后脑模型和脸部模型的拼接。
④三维形象的美化是指基于已成形的娃娃头模进行化妆，调整等工作，挖眼窝、加双眼皮、调整表情等。
三维数码摄影技术应用于个性化娃娃的制作说明：
1、用三维摄影技术生成一个准确的人脸三维图像(从一个耳朵到另一个耳朵)。
2、拍照可以采用180度成像系统，即用三台相机同时在三个角度拍摄(正面、左侧和右侧)或依次在不同的角度拍摄；亦可采用一台相机拍摄，即采用旋转的座椅改变被拍摄者的拍摄角度或固定座椅，以轨道滑动相机进行多角度的拍摄。
3、三维成像系统能够实现自动或手动拼接。
4、可以预先设定好相机照相的位置和角度，是能够实现三维模型的自动拼接和接合。在自动拼接的过程中会出现偏差，这需要进行校准。这里采用一个校准模，得出误差数据，处理数据时，可以将误差数据录入，实现出软件中的自动寻优，从而完成三维像片的自动拼接。
5、在拍摄人脸时尽量要求在很短时间内拍摄所有角度的三维模型和对应的彩色贴图。要求能够抓住人脸上的细节特征。
6、在拍摄时人脸的表情不一定在最佳状态，比如可能表情比较呆板，可以用三维模型变形方法如人脸动画表情调节方法调节人脸表情，使其更好看。可调节表情成为微笑，惊讶，愤怒等个性化表情。(具体方法)
7、在调节表情时，可加入其他美化项目如胖瘦，五官美化，或将两个人的特征混合在一张脸上模拟子女的脸型，等等。
8、娃娃头制作好以后可以根据照片上特征或个人喜好配上个性化头发，服装，装饰，和玩具，并为本人配上相应的发型，服装，装饰，和玩具等。达到完全的一模一样。
娃娃的制作包括搪胶工艺和直接雕刻，选用不同的加工材料说明：
1、此加工流程中制作坯有两种方法，目前的试验过程中采用蜡坯，通过硅胶翻PU坯的方法，而在以后进入大批量的生产环节时，可以采用直接开模，生成PU坯，此法可以减少工序，提高加工件的质量。
2、模坯的设计时，由于脖子和后脑均属于不变的部分，所以在包含脸部所有五官特征下增加一个很薄的切削层，这样能够保证有最小的切削量，从而减少切削加工时间和减少到具的磨损量。后脑被头发遮盖部分预先削掉，模胚的后脑部分预先挖成空腔，以便减少头模的重量。在雕刻脸模的时候可同时雕刻后眼窝，以便放置眼珠。脖子和耳朵以及发际线以后的部分可预先制好模胚，不需雕刻。软件将人脸的三维模型融合到头模的三维模型上，脸的边界平滑过渡到头模上，以保证雕刻出的头模在过渡带没有接缝。
3、直接雕刻的材料需要轻，有质感，容易雕刻，易于后续处理(上色、化妆等)，且价格便宜。制作模坯的蜡要求熔点高、硬度低、脆性低，能够适合高速加工的需要。
4、耳朵的添加：先在头模上精确定位，再将翻模生成的耳朵固定在头模上。可以在制作模坯对添加耳朵也可以模坯雕刻完成后添加耳朵。
耳朵的制作：利用建立的耳朵库，寻找匹配的特征点，翻模生成耳朵。
5、雕刻过程中需要旋转90度，加工两个侧面，旋转180度加工背面和从后脑空腔中挖眼孔，故设计了一套实现旋转的夹具。如下图所示，在旋转主轴的左右两侧和底座用夹板连接，在加工时，利用前侧或是后侧的一个活动的夹板固定，在需要加工侧面时，打开此夹板，旋转主轴一定的角度，再用此夹板固定、加工。此种夹具的设计方案是针对我们的加工仅仅需要旋转90度，180度，270度，没有特殊的角度旋转需要而设计的，成本低，且操作简单。