KR100372811B1 - 2차원 얼굴 정면 이미지를 이용한 3차원 얼굴 모델 생성방법 - Google Patents

2차원 얼굴 정면 이미지를 이용한 3차원 얼굴 모델 생성방법 Download PDF

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Abstract

2차원의 이미지만으로 3차원 모델을 만드는 방법, 특히 특정인 얼굴의 정면사진만으로 3차원 얼굴모델을 생성하는 방법을 제공한다.
이를 위하여 본 발명은 특정인 얼굴의 2차원 정면사진 이미지를 입력받는 단계와, 입력받은 2차원 이미지에 제어점을 설정해주는 단계와, 이를 이용하여 미리 만들어져 있는 3차원 기본 모델을 2차원 이미지에 일치하도록 변형시키는 단계와, 3차원 변형모델에 상기 2차원 이미지의 텍스쳐(texture)를 매핑하는 단계를 포함한다. 상기 3차원 기본모델은 제어점외에 부드러운 3차원 얼굴모델 생성을 위해 일반점을 더 포함하고 있으며, 일반점의 위치는 제어점의 위치에 따라 자동으로 결정된다.
본 발명으로 얼굴의 2차원 정면사진 이미지만으로 3차원 얼굴모델을 생성할 수 있으므로 저렴하고 간편하며, 3차원 얼굴모델을 사용하여 얼굴표정변화, 성형, 애니메이션 등의 분야에 이용할 수 있으며, 피부질감 변형을 통하여 기존에 있던 자신의 2차원 얼굴 정면사진으로 자신의 변화한 모습과 표정을 미리 볼 수 있다.

Description

2차원 얼굴 정면 이미지를 이용한 3차원 얼굴 모델 생성 방법{Method for Making 3D Face Model by Using a 2D Human Face Image}
본 발명은 특정인의 얼굴을 3차원으로 모델링하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 특정인 얼굴의 정면사진 이미지를 이용하여 3차원 얼굴을 모델링하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 특정인의 얼굴을 3차원으로 모델링하는 방법에는 여러 가지가 있다. 그 중 하나는 직접 특정인의 얼굴을 3차원으로 스캔하여 스캔된 데이터로 3차원 얼굴을 모델링하는 방법이 있고, 다른 하나는 특정인의 얼굴을 여러 각도에서 촬영하고 촬영된 결과를 이용하여 미리 만들어진 3차원 형상의 일반 얼굴모델을 변형하여 특정인의 3차원 얼굴을 모델링하는 방법이 있다.
전자의 경우, 3차원 스캐너와 같은 전문 장비를 사용하여 특정인의 얼굴의 굴곡과 실제 피부색깔에 관한 정보를 직접 얻을 수 있기 때문에 특정인의 얼굴에 대해 상당히 정확한 3차원 얼굴 모델링을 할 수 있다. 그러나 이런 방법은 값비싼 장비를 사용하여야 하고, 3차원 얼굴 모델링의 당사자도 3차원 스캐너가 있는 특정한 장소까지 가서 스캔을 받아야 3차원 얼굴 모델링을 할 수 있으므로 불편한 점이 없지 않았다.
후자의 경우, 전자의 문제점을 해결하기 위해 특정인에 대하여 여러 각도에서 찍은 평면사진과 미리 만들어진 3차원 얼굴 일반모델을 이용하여 3차원 얼굴 모델링을 한다. 좀더 구체적으로 설명하면 먼저 3차원 얼굴 모델을 만들려는 사람을 여러 각도에서 촬영한다. 촬영된 데이터로 3차원 얼굴 일반모델을 변형하여 특정인의 얼굴과 비슷한 형상의 3차원 얼굴 변형모델을 만들고, 변형모델에 촬영된 특정인의 얼굴 텍스쳐를 매핑하여 특정인의 3차원 얼굴 모델을 만든다.
그러나 상기 여러 각도에서 찍은 평면 사진을 이용하는 방법은 여러 각도에서 촬영된 사진이 필요하고, 또한 각각의 사진들간에 얼굴을 바라보는 각도와 거리가 맞추어지도록 하는 것이 필요하므로 동시에 여러 카메라를 사용하여야 하는 불편한 점이 있었다. 그러므로 상기 방법을 이용하려면 여러 카메라가 설치된 곳에 가서 촬영하거나 카메라가 하나이더라도 사진마다 정확한 각도와 거리를 맞추어서 여러 장의 얼굴 사진을 촬영해야 하는 등의 번거로운 점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 얼굴의 정면사진 한 장만으로 특정인의 3차원 얼굴모델을 만드는 방법을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.
도 1은 본 발명을 수행하기 위한 시스템의 구성을 보여주는 블럭도이다.
도 2는 본 발명에 사용되는 제어점이 설정된 3차원 기본모델을 평면에 투영한 모습을 보여준다.
도 3a, 3b, 3c는 특정인 얼굴의 정면사진, 및 도 2에 도시된 3차원 기본 모델에 제어점을 설정하는 기준을 보여준다.
도 4는 도 2에 도시된 3차원 기본 모델의 수직방향 길이 비율을 2차원 이미지의 수직 비율에 맞도록 변형시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 수직 방향 비율이 변형된 3차원 기본 모델의 얼굴 윤곽선을 2차원 이미지의 얼굴 윤곽선에 맞추기 위해 수평방향 길이 비율을 변형시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a, 6b, 6c는 2차원 이미지에 일치하도록 변형된 3차원 기본모델의 제어점들을 이용하여 일반점들이 이동하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a, 7b는 본 발명에 따라 2차원 이미지가 3차원의 얼굴모델로 변형된 모습을 보여주는 실시 화상도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 메모리 12: 2차원 이미지 저장부
14: 소프트웨어 저장부 16: 3차원 기본모델 저장부
18: 3차원 얼굴모델 저장부 20: 중앙처리장치
22: 제어점설정 프로세스 24: 3차원 얼굴모델 생성 프로세스
30: 2차원 이미지 입력수단 40: 입출력 인터페이스
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 특정인 얼굴의 2차원 정면사진 이미지를 입력받아 메모리에 저장하는 단계와, 상기 저장된 2차원 이미지에 제어점과 일반점이 기설정된 3차원 기본모델의 제어점에 대응하는 제어점을 설정해주는 단계와, 상기 제어점이 설정된 2차원 이미지의 제어점들간의 상대좌표를 이용하여 메모리에 저장되어 있는 3차원 기본모델을 변형시키는 단계와, 상기 변형된 3차원 기본모델에 상기 2차원 이미지의 텍스쳐(texture)를 매핑하는 단계를 포함한다.
2차원 이미지는 일반 카메라로 찍은 사진을 스캐너로 스캔하여 입력받을 수 있고, 디지탈 카메라로 찍은 화상 이미지일 수 있으며, 입력받은 이미지는 메모리에 저장되게 된다. 상기 메모리에는 2차원 이미지 외에 미리 만들어져 있는 3차원 기본모델과, 2차원 이미지에 제어점을 설정하기 위한 소프트웨어와, 3차원 기본모델을 2차원 이미지의 모습에 맞춰 변형시키는 소프트웨어와, 변형된 3차원 기본모델에 2차원 이미지의 텍스쳐를 매핑하는 소프트웨어, 및 변형된 3차원 기본모델을 저장하는 공간이 있다.
상기 3차원 기본모델은 표준형 얼굴의 일반적인 3차원 형상을 나타내는 데이터로서, 3차원 형상의 주요 특징들을 나타내며 3차원 형상을 변형하는데 사용하는 복수개의 제어점들과 3차원 형상을 좀더 부드럽고 자세하게 나타내기 위한 복수개의 일반점들에 대한 위치정보와, 상기 제어점들과 일반점들 중에서 선택된 두 점을 연결한 선분의 위치 및 방향에 관한 정보와, 상기 제어점들과 일반점들 중에서 선택된 3점으로 이루어진 삼각형면에 관한 3차원 공간상의 정보 및 삼각형면의 색깔에 관한 정보를 갖고 있으며 메모리에 저장되어 있다.
상기 메모리에 저장된 2차원 이미지에 제어점 설정 소프트웨어로 3차원 기본모델에 기설정된 제어점에 대응하는 위치에 제어점을 설정하며, 제어점은 사람이 마우스나 마우스팬 등의 입력장치를 사용하여 설정할 수 있다. 예컨대 사람이 마우스를 사용하여 코끝에 제어점을 찍는다면 제어점 설정 소프트웨어는 마우스로 찍은 좌표에 제어점이 설정됐다는 정보를 메모리에 저장한다. 제어점의 위치는 인간 얼굴 생김새의 특징을 잘 반영할 수 있는 곳에 선정되어야 하며, 적은 수의 제어점으로 다양한 얼굴의 특징을 모두 표현하도록 설정해야 한다. 예컨대 눈, 코, 입 등 사람의 인상을 좌우하는 부분이나 굴곡이 많거나 곡률이 큰 지점에는 제어점의 밀도가 평평한 부분보다 높도록 제어점을 설정해줘야 한다.
제어점을 이용하여 3차원 기본 모델을 변형시키는 단계는 3차원 기본모델 변형 소프트웨어를 통해 수행되며, 본 발명에 따른 3차원 기본모델을 2차원 이미지에 일치하도록 변형하는 3차원 기본모델 변형 소프트웨어의 알고리즘은 다음 두 가지 방법으로 나누어지며, 제어점들의 좌표가 수정되면 일반점들을 제어점들과의 거리 비율이 일정하도록 자동으로 그 좌표가 수정된다.
첫 번째는 3차원 기본모델의 상하방향(이하 "Y방향"이라 함)을 신축하고 수평방향(이하 "X방향"이라 함)을 신축하여 2차원 이미지의 얼굴 윤곽선에 일치하도록 한 후, 눈, 코, 입 등의 주요부분을 X방향과 Y방향으로 신축하여 상기 3차원 기본모델이 상기 2차원 이미지와 일치하도록 하는 방법이다.
두 번째는 특정 제어점을 원점으로 하여 다른 특정한 두 제어점의 위치벡터를 기준벡터로 하여 2차원 이미지 상의 각 제어점들의 위치벡터를 상기 기준벡터의 일차결합 형태로 표현하고, 3차원 기본모델 상의 각 제어점들도 상기의 경우와 같은 방법으로 각 제어점들의 위치벡터를 3차원 기본모델 상의 기준벡터의 일차결합 형태로 표현한 후, 상기 3차원 기본모델의 각 제어점들의 일차결합 계수가 상기 2차원 이미지의 각 제어점들의 일차결합 계수와 같게 하는 방법이다.
텍스쳐 매핑단계는 2차원 이미지에 모양이 일치하도록 변형된 3차원 기본모델의 제어점들과 일반점들로 이루어진 복수개의 삼각형들에 각각 상기 삼각형들의 위치에 대응하는 2차원 이미지의 삼각형들 내부의 색깔 및 질감을 나타내는 텍스쳐를 매핑하여 피부색깔까지 2차원 이미지에 일치하는 3차원 얼굴모델을 생성하는 단계이며, 텍스쳐 매핑 소프트웨어를 사용하여 수행된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명을 수행하기 위한 시스템의 구성을 보여주는 블록도이다.
메모리(10)는 2차원 이미지 입력수단(30)으로부터 받은 2차원 이미지를 저장하는 2차원 이미지 저장부(12)와, 제어점설정 소프트웨어와 3차원 기본모델 변형 소프트웨어와 텍스쳐 매핑 소프트웨어 등 본 발명에 필요한 각종 소프트웨어를 저장하는 소프트웨어 저장부(14)와, 기생성된 3차원 기본모델에 대한 정보를 저장하고 있는 3차원 기본모델 저장부(16), 및 본 발명을 통해 생성된 3차원 얼굴모델을 저장하기 위한 3차원 얼굴모델 저장부(18)를 갖는다.
중앙처리장치(20)는 2차원 이미지 저장부(12)에 저장된 2차원 이미지를 불러들여 제어점을 설정하는 제어점설정 프로세스(22)와, 제어점이 설정된 2차원 이미지를 이용하여 3차원 기본모델을 변형하고 변형된 3차원 기본모델에 2차원 이미지의 텍스쳐를 매핑하는 3차원 얼굴모델 생성 프로세스(24)를 수행한다.
2차원 이미지 입력수단(30)은 디지탈 카메라나 스캐너 등이 될 수 있으며, 2차원 이미지 저장부(12)에 저장되는 2차원 이미지를 입력받는다. 입출력인터페이스(40)는 본 발명이 진행되는 과정과 그 과정에 따른 결과를 외부에 디스플레이 해주며, 제어점 설정 프로세스(22)나 3차원 얼굴모델 생성 프로세스(24) 과정에 필요한 정보를 외부에서 입력받는다.
먼저 2차원 이미지 입력수단(30)에 특정인 얼굴정면 사진에 대한 2차원 이미지가 들어오면 2차원 이미지 저장부(12)에 저장된다. 중앙처리장치(20)는 상기 2차원 이미지 저장부(12)에 저장된 2차원 이미지와 소프트웨어 저장부(14)에 저장되어 있는 제어점 설정 소프트웨어를 불러들여 제어점설정 프로세스(22)를 수행한다. 제어점 설정프로세스는 3차원 기본모델의 제어점에 대응하는 위치의 2차원 이미지에 제어점을 설정하며, 사람이 입출력 인터페이스(40)를 통해 마우스를 사용하여 직접 설정할 수 있다. 이하에서는 도 2와 도 3a, 3b, 3c를 참고로 3차원 기본 모델에 기설정된 제어점의 설정기준을 상술한다.
도 2는 본 발명의 실시에 필수적인 제어점이 설정된 3차원 기본 모델의 일 실시예로서 평면에 투영된 모습을 보여주며, 도 3a, 3b, 3c는 각각 도 2에 도시된 3차원 기본모델의 눈 제어점의 설정기준, 입 제어점 설정기준, 및 기타 얼굴의 중요한 특징을 나타내는 제어점 설정기준을 보여주며 얼굴의 오른쪽 부분만을 보여주며 왼쪽부분은 오른쪽 부분과 동일한 방법으로 설정한다.
3차원 기본모델은 보통 사람의 일반적인 3차원 형상을 나타내는 데이터로서,복수개의 제어점과 복수개의 일반점에 대한 위치정보와, 제어점들과 일반점들 중에서 선택된 두 점을 연결한 선분의 위치 및 방향에 관한 정보와, 제어점들과 일반점들 중에서 선택된 3점으로 이루어진 삼각형면에 관한 3차원 공간상의 정보 및 삼각형면의 색깔에 관한 정보를 갖고 있다. 제어점은 3차원 기본모델의 변형을 위하여 사람 얼굴의 특징이 되는 부분에 설정되어야 하며, 본 발명은 일 실시예로 67개의 제어점이 설정된 3차원 기본모델을 사용하고 있으며 각 제어점들의 좌표에 따라 3차원 기본모델의 모양이 바뀐다. 일반점은 3차원 기본모델의 형상을 좀더 부드럽고 사실적으로 표현하기 위하여 설정되며 본 발명은 일 실시예로 1500개의 일반점이 설정된 3차원 기본모델을 사용한다. 각 일반점은 제어점들의 위치가 결정되면 제어점들과의 상대거리가 일정하도록 위치가 결정된다. 상기 제어점들과 일반점들로 이루어진 복수개의 삼각형은 2차원 이미지의 텍스쳐를 2차원 이미지의 얼굴형태에 일치하도록 변형된 3차원 기본모델에 매핑을 하는 단위가 된다.
먼저 도 3a를 참조하여 눈 제어점 설정기준을 설명하면, 먼저 눈의 안쪽 끝(53)과 바깥쪽 끝(57)에 제어점을 삽입하고, 눈의 외곽선을 나타내는 곡선이 가장 급격하게 변하는 지점(54, 56, 59)은 사람 눈의 외형을 특징짓는 가장 지배적인 지점이므로 두 번째로 제어점을 삽입한다. 세 번째 제어점을 삽입하는 위치는 가장 높이 올라간 지점(55)이며, 마지막으로 57번점과 59번점을 잇는 커브를 만들기 위하여 제어점(58)을 삽입한다.
도 3b를 참조하여 입술 제어점 설정기준을 설명하면, 먼저 입술의 하단을 정의하는 제어점(44)을 삽입하고, 입술의 상단 형태를 결정짓는 위치(38, 39)에 제어점을 삽입한다. 그리고 나서 입술의 좌우 끝부분(41)에 제어점을 설정한 후, 41번점과 44번점 사이를 연결하기 위한 42, 43번점을 삽입하고, 39번점과 41번점을 연결하기 위한 40번점을 삽입한다.
도 3c를 참조하여 기타 중요 제어점 설정기준을 설명하면, 32번점은 코의 폭을 정의하기 위하여 설정하고, 33번점은 코끝의 모양을 정의하기 위하여 설정하고, 19번점은 이마의 넓이를 정의하기 위하여 설정하고, 24번점은 눈썹의 세로 위치를 정의하고, 1번점은 얼굴의 가로방향 폭을 정의하고, 5번점은 하악의 폭을 정의하고, 9번점은 턱끝의 위치를 정의하며, 7번점은 5번점과 9번점 사이의 커브를 생성하기 위한 중간점이다.
3차원 기본모델의 제어점들의 좌표를 수정하여 2차원 이미지의 모양에 일치시키는 단계는 3차원 기본모델 변형 소프트웨어를 사용하여 3차원 얼굴모델 생성 프로세스(24)에서 수행되며, 이하 3차원 기본모델을 2차원 이미지에 일치하도록 변형하는 방법을 3차원 기본모델 변형 소프트웨어의 알고리즘에 따라 두 가지로 나누어 상술한다.
한가지 방법은 3차원 기본모델의 상하방향(이하 "Y방향"이라 함)을 신축하고 수평방향(이하 "X방향"이라 함)을 신축하여 2차원 이미지의 얼굴 윤곽선에 일치하도록 한 후, 눈, 코, 입 등의 주요부분을 X방향과 Y방향으로 신축하여 상기 3차원 기본모델이 상기 2차원 이미지와 일치하도록 하는 방법이다.
다른 하나는 특정 제어점을 원점으로 하여 다른 특정한 두 제어점의 위치벡터를 기준벡터로 하여 2차원 이미지 상의 각 제어점들의 위치벡터를 상기 기준벡터의 일차결합 형태로 표현하고, 3차원 기본모델 상의 각 제어점들도 상기의 경우와 같은 방법으로 각 제어점들의 위치벡터를 3차원 기본모델 상의 기준벡터의 일차결합 형태로 표현한 후, 상기 3차원 기본모델의 각 제어점들의 일차결합 계수가 상기 2차원 이미지의 각 제어점들의 일차결합 계수와 같게 하는 방법이다.
먼저 첫 번째를 상술하고, 그 후 두 번째를 상술한다.
도 4는 3차원 기본모델의 Y방향 길이비율을 2차원 이미지의 Y방향 길이비율에 일치시키는 과정을 설명하기 위한 도면이며, 도 5는 수평방향 길이비율을 일치시키는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4에 도시된 바와같이 3차원 기본 모델은 수직 방향으로 9개의 구간으로 나누어진다. 구간1은 머리끝(67)부터 이마시작부(19)까지, 구간2는 이마시작부(19)부터 눈썹윗단(24)까지, 구간3은 눈썹윗단(24)부터 눈윗부분(55)까지, 구간4는 눈윗부분(55)부터 눈아랫부분(59)까지, 구간5는 눈아랫부분(59)부터 코밑단(37)까지, 구간6은 코밑단(37)부터 입술윗단(39)까지, 구간7은 입술윗단(39)부터 입술중간점(51)까지, 구간8은 입술중간점(51)부터 입술아랫단(44)까지, 구간9는 입술아랫단(44)부터 턱끝(9)까지를 나타낸다.
제어점이 설정된 2차원 이미지는 3차원 기본모델의 각 구간에 대응하는 구간1a부터 구간9a가 각각 정해진다. 각 구간은 얼굴의 특정한 부분의 길이를 기준으로 상대길이를 구할 수 있는데 본 발명의 실시예는 눈의 양옆으로 얼굴 끝부분에 있는 제어점들(1, 17)사이의 간격을 기준폭으로 하여 상대 구간을 구한다. 3차원 기본 모델의 구간1 ~ 구간9와 2차원 이미지의 구간1a ~ 구간9a는 수학식 1에 의해 각각 상대구간을 구한다.
(n = 1,2,...,9)
수학식 1에 의해 구해진 3차원 모델과 2차원 이미지의 각 상대구간을 기준으로 수학식 2에 의해 스케일을 구한다.
예컨대, 상대구간1의 크기가 0.5이고 상대구간1a의 크기가 0.4라면 스케일1은 0.8이 되며, 이것은 3차원 기본 모델의 구간1의 길이를 80%로 줄여야 한다는 것을 의미한다. 수학식 2에 의해 스케일1 ~ 스케일9가 정해지면, 이것을 바탕으로 수학식 3의 변형함수를 정의한다.
여기서 X, Y, Z는 각 제어점들과 일반점들의 수평방향, 수직방향, 앞뒤방향의 좌표를 나타내는 변수이며, X', Y', Z'은 각각 좌표가 수정된 각 제어점들과 일반점들의 좌표를 나타낸다. 스케일 함수 S1(Y)는 보다 부드럽게 Y방향 얼굴길이 비율을 신축하기 위해 Y방향의 스케일1 ~ 스케일9를 바탕으로 보간하여 구하며, 본 발명의3차원 기본모델 변형 소프트웨어는 Y방향 스케일 함수를 구하기 위한 보간법으로 베지어 보간법(Bezier interpolation), 허미트 보간법(Hermite interpolation) 등의 다양한 보간법을 선택하여 사용할 수 있다.
수학식 3을 이용하여 3차원 기본 모델상의 제어점과 일반점의 좌표의 Y축 방향을 조정하여 3차원 기본 모델의 얼굴 상하 길이비율을 2차원 이미지의 상하 길이비율에 일치시킨다.
3차원 기본 모델의 수평방향을 신축하기 위해서 도 5에 도시된 바와 같이, 코밑단(37)부터 수평방향으로 그어진 기준선1, 입술 중간점(51)에서 수평방향으로 그어져 얼굴의 하악의 폭을 나타내는 기준선2, 입술 밑단(51)과 턱끝(9)의 중간지점에서 수평으로 그어진 기준선3이 있고, 2차원 이미지는 대응하는 위치에 기준선1a, 기준선2a, 기준선3a를 갖는다. 각 기준선들은 수학식 4에 의해 상대기준선이 된다.
(n = 1,2,3)
각 상대기준선이 구해지면 수학식 5에 의해 스케일이 구해진다.
수학식 5에 의해 스케일1 ~ 스케일3이 정해지면, 이것을 바탕으로 수학식 6의 변형함수를 정의한다.
여기서 X, Y, Z는 각 제어점의 수평방향, 수직방향, 앞뒤방향의 좌표를 나타내는 변수이며, X', Y', Z'는 좌표가 수정된 각 제어점의 수평방향, 수직방향, 앞뒤방향의 좌표를 나타내는 변수이다. 스케일 함수S2(X)는 3차원 기본모델의 X방향 기준선1 ~ 기준선3의 기준폭에의 상대값과 이에 대응하는 위치의 2차원 이미지의 기준선1a ~ 기준선3a의 기준폭에의 상대값으로 구한 스케일을 바탕으로 보간하여 구한 함수이다.
수학식 6을 이용하여 3차원 기본 모델상의 제어점과 일반점의 X축방향 좌표를 수정하여 3차원 기본 모델의 얼굴 좌우 비율을 2차원 이미지의 좌우 비율에 일치시켜 얼굴의 윤곽선을 맞춰준다.
윤곽선을 2차원 이미지에 일치시킨 3차원 기본모델(이하 "변형모델"이라 함)은 눈, 코, 입을 2차원 이미지에 일치하도록 변형하는 과정을 거치게 된다.
변형 모델에서 1번점과 57번점의 X방향 좌표의 차이가 2차원 이미지의 대응하는 점들 사이의 좌표차이와 같아지도록 57번점의 좌표를 옮겨주며, 옮겨진 57번점과 53번점의 X방향 좌표의 차이가 2차원 이미지의 대응하는 점들 사이의 좌표차이와 같아지도록 53번의 좌표를 옮겨준다. 상기 과정을 통해 변형모델의 눈의 좌우폭과 2차원 이미지 눈의 좌우폭을 맞춰 줄 수 있으며, 상하간격은 얼굴 윤곽선을맞춰주는 과정에서 이미 일치하므로 눈의 모양이 일치하게 된다.
코의 경우도 상하간격은 이미 일치되어 있으며 좌우폭은 1번점의 X좌표와 31번점의 X좌표의 차이가 2차원 이미지의 대응하는 두 점들간의 X좌표의 차이와 같아지도록 31번 좌표를 옮겨준다. 30번, 32번점도 상기의 과정을 통해 옮겨준다.
입술을 맞춰주는 방법도 상기의 과정과 동일한 방법으로 1번점과 41번점을 이용하여 41번점을 X방향으로 이동시키고, 마찬가지 방법으로 40번 점의 X방향 좌표를 이동시킨다.
이와같은 방법을 통해 변형모델의 눈, 코, 입이 2차원 이미지에 일치하도록 변형할 수 있으며, 주요한 특징이 되는 점들뿐만 아니라 기타의 제어점들도 상기의 과정으로 옮겨주면 보다 정확한 3차원 변형모델을 생성할 수 있다.
또한 변형모델의 눈, 코, 입을 2차원 이미지에 일치시키는 작업은 입출력인터페이스(40)를 통해 직접 마우스로 조절할 수도 있다.
변형모델을 생성하는 또 다른 방법은 특정 제어점을 원점으로 하여 다른 특정한 두 제어점의 위치벡터를 기준벡터로 하여 2차원 이미지 상의 각 제어점들의 위치벡터를 상기 기준벡터의 일차결합 형태로 표현하고, 3차원 기본모델 상의 각 제어점들도 상기의 경우와 같은 방법으로 각 제어점들의 위치벡터를 3차원 기본모델 상의 기준벡터의 일차결합 형태로 표현한 후, 상기 3차원 기본모델의 각 제어점들의 일차결합 계수가 상기 2차원 이미지의 각 제어점들의 일차결합 계수와 같게 하는 방법이다. 예컨대, 51번점을 원점으로 가정하고 5번점의 위치벡터를, 33번점의 위치벡터를와 같이 기준벡터로 설정하면, N번 점의 위치벡터은 상기기준벡터의 일차결합형태로 나타낼 수 있으며, 수학식 7과 같이 표시할 수 있다.
2차원 이미지도 대응하는 점들에 대하여 기준벡터를 각각이라 하고 N번 점의 위치벡터를라고 하면 수학식 8로 표시할 수 있다.
상기 3차원 기본모델의 aN,bN값을 2차원 이미지의 aN' ,bN'으로 바꿔주면 3차원 기본모델 상의 모든 제어점들이 2차원 이미지 상의 모든 제어점들간의 상대적인 위치가 일치되게 되어, 3차원 기본모델의 외형이 2차원 이미지의 외형과 일치하도록 변형된다.
상기 2가지 방법으로 3차원 기본모델의 제어점을 2차원 이미지의 제어점들간의 상대적인 위치에 일치하도록 옮기는 과정에서 보다 부드러운 3차원 얼굴모델을 생성하기 위하여 일반점들도 함께 옮겨주게 된다.
도 6a, 6b, 6c는 3차원 기본모델의 제어점들간의 상대적인 위치를 2차원 이미지에 일치시키는 과정에서 일반점들의 위치를 바꿔주는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a를 살펴보면 각 제어점들은 3개씩 모여 하나의 삼각형을 이루고 있으며, 삼각형 내부의 일반점들(도시되지 않음)은 삼각형 꼭지점을 이루는 세 제어점들과 일정한 관계를 유지하도록 되어 있다.
도 6b에 도시된 삼각형은 도 6a에 도시된 3차원 기본모델에 있는 3개의 제어점으로 이루어진 삼각형 중 하나라고 생각할 수 있다. 편의상 삼각형의 세 꼭지점을 제어점1, 제어점2, 제어점3이라 하자. 삼각형 내부에는 일반점이 없을 수도 있고, 하나 또는 복수개의 일반점이 있을 수 있다. 이하는 어느 특정한 하나의 일반점에 대해서만 생각해보기로 한다. 상기 3차원 기본모델을 변형하여 2차원 이미지의 외형에 일치시키는 과정에서 3차원 기본 모델상의 제어점들은 움직인다(좌표가 변한다). 만일 제어점1, 제어점2, 제어점3이 도 6b에 도시된 것과 같은 방향으로 움직인다면, 도 6c에 도시된 바와같이 제어점1, 제어점2, 제어점3의 위치(좌표)는 각각 제어점1', 제어점2', 제어점3'으로 옮겨질 것이다. 제어점이 옮겨지면 삼각형 내부의 일반점은 도 6b와 도 6c에 도시된 바와 같이 제어점들과의 거리 비율이 일정하게 되도록 옮겨진다. 즉 제어점1, 제어점2, 제어점3의 좌표를 각각 (x1, y1, z1), (x2, y2, z2), (x3, y3, z3)라고 하고 일반점의 좌표를 (x, y, z)라고 하고, 제어점1', 제어점2', 제어점3'의 좌표를 각각 (x'1, y'1, z'1),(x'2, y'2, z'2),(x'3, y'3, z'3)라고 하면 일반점의 변형 좌표 (x', y', z')는 수학식 9와 같이 계산될 수 있다.
하나의 삼각형 내부에 복수개의 일반점이 있더라도 수학식 9에 의해 계산되어 일반점의 옮겨질 좌표를 구할 수 있다. 상기 일반점의 위치를 제어점의 위치 변화에 따라 변화시키는 과정은 3차원 기본모델 변형 소프트웨어를 사용하여 중앙처리장치(20)내의 3차원 얼굴모델 생성 프로세스(24)에서 수행된다.
바람직한 실시예에서 3차원 기본모델을 2차원 이미지에 일치하도록 변형하는 과정은 원기둥좌표에서 수행되며, 이 경우 직교좌표는 수학식 10에 의해 변형된다.
수학식 10에 의해 변형된 좌표를 가진 제어점 및 일반점의 이동은 (θ, H) 평면상에서 수행된다.
2차원 이미지의 형상에 일치하도록 변형된 3차원 기본모델에 2차원 이미지의 텍스쳐를 매핑하는 과정을 거쳐 특정인 얼굴의 3차원 얼굴모델이 생성된다. 텍스쳐 매핑하는 단계는 중앙처리장치(20)의 3차원 얼굴모델 생성 프로세스(24)에서 소프트웨어 저장부(14)에 있는 텍스쳐 매핑 소프트웨어를 이용하여 수행되며, 2차원 이미지 저장부(12)에 저장되어 있는 2차원 이미지의 텍스쳐를 3차원 변형모델에 매핑하여 3차원 얼굴모델을 생성한다. 생성된 3차원 얼굴모델은 입출력 인터페이스를 통해(40) 외부로 출력할 수 있으며, 3차원 얼굴모델 저장부(18)에 데이터가 저장할 수 있다. 3차원 변형모델에 2차원 이미지의 텍스쳐를 매핑할 때, 3차원 변형모델 상의 제어점들과 일반점들로 이루어진 삼각형을 기준으로 매핑이 일어난다. 즉 3차원 변형모델 상의 특정 삼각형의 텍스쳐는 2차원 이미지 상의 대응하는 삼각형의 텍스쳐를 3차원 변형모델의 삼각형에 매핑하여 얻을 수 있다.
발명의 바람직한 실시예는 마이크로소프트사에서 제공하는 "Direct3D"라는 그래픽 라이브러리를 사용하여 텍스쳐 매핑 소프트웨어를 구현한다. 상기 Direct3D의 특징을 약술하면, Direct3D는 3차원 오브젝트를 정의하고 구현할 수 있게 해주어, 3차원의 점뿐만 아니라 오브젝트의 위치와 자세를 기술할 수 있게 해준다. 또한 오브젝트의 표면에서 빛이 반사되는 각도와 양 및 흡수되는 양을 모두 고려하여 최종적으로 빛이 반사되는 면이 어떤 색으로 표시되는지를 결정하도록 할 수 있으며, 오브젝트가 재질감을 갖도록 2차원의 재질감을 나타내는 이미지를 3차원 오브젝트에 매핑할 수도 있다.
텍스쳐 매핑과정을 구체적으로 설명하면, 3차원 기본모델이 2차원 이미지의 형상에 일치하도록 변형될 때, 일반점들도 제어점들과 함께 이동하게 되고, 상기 이동된 일반점들의 좌표에 대응하는 2차원 이미지의 일반점들을 소프트웨어에서 설정하고 제어점들과 일반점들로 이루어진 삼각형을 단위로 2차원 이미지의 텍스쳐를 변형된 3차원 기본모델에 매핑시켜 3차원 얼굴모델을 생성한다.
도 7a, 7b는 본 발명을 통해 2차원 이미지가 3차원의 얼굴모델로 바뀐 모습을 보여주는 화상도이다.
일단 본 발명을 통해 3차원 얼굴모델이 만들어지면, 정면의 모습뿐만 아니라 고개를 돌린 모습도 만들 수 있게 된다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예컨대, 본 발명은 제어점을 이동하여 2차원 이미지와 다른 표정연출을 한다든지, 생성된 3차원 얼굴모델의 옆모습을 보여준다든지, 텍스쳐 매핑과정을 약간 수정하여 애니메이션용 캐릭터를 만들 수 있다든지 하는 것이 가능하다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 얼굴 정면사진만으로 3차원 얼굴모델을 만들 수 있으며, 한 장의 얼굴 정면 사진만으로 3차원 얼굴 모델을 만들기 때문에 특수한 장비를 갖춘 스튜디오를 필요로 하지 않고 일반 사진만으로도 저렴한 비용으로 3차원 얼굴모델을 만들 수 있다.
3차원 얼굴모델을 만드는 과정에서 3차원 기본 모델의 얼굴 윤곽선을 2차원 이미지에 맞추어주기 때문에 보다 부드러운 3차원 얼굴 모델을 만들 수 있으며, 3차원 얼굴모델의 제어점을 이용하여 얼굴 표정의 변화를 연출할 수 있으며, 성형이나 피부 질감의 변형이 가능하다.
또한 수십개의 제어점만을 사용하여 쉽게 3차원 얼굴모델을 생성할 수 있으며, 3차원 얼굴모델은 상기 제어점외에 천여개의 일반점들을 가지고 있어 부드러운 얼굴 이미지를 만들 수 있다.

Claims (7)

  1. 눈, 코, 입, 및 얼굴 형태의 특징을 나타내며 3차원 기본모델을 변형시키기 위한 복수개의 제어점들과, 3차원 기본모델의 형상을 보다 부드럽게 표현하기 위한 복수개의 일반점들을 가지고 있는 3차원 기본모델을 미리 생성하여 메모리에 저장하는 단계와;
    특정인 얼굴 정면사진의 2차원 이미지를 2차원 이미지 입력수단을 통해 입력받아 메모리에 저장하는 단계와;
    상기 2차원 이미지에 상기 3차원 기본모델의 각 제어점에 대응하는 위치에 제어점을 설정하는 단계와;
    상기 2차원 이미지의 제어점들 간의 상대적인 좌표에 일치하도록 상기 3차원 기본모델의 제어점들의 좌표를 바꿔주어 상기 3차원 기본모델이 상기 2차원 이미지에 일치하도록 변형하여 3차원 변형모델을 생성하는 단계와;
    상기 3차원 변형모델의 제어점들과 일반점들로 이루어진 각 삼각형에 대응하는 상기 2차원 이미지 각 삼각형의 텍스쳐를 3차원 변형모델에 매핑하는 단계;
    를 포함하는 3차원 얼굴 모델 생성 방법.
  2. 제1항에 있어서, 얼굴의 형태를 특징짓는 제어점을 설정할 때 제어점 삽입 위치는
    코의 폭을 지정하는 위치와;
    코끝의 모양을 나타내는 위치와;
    이마의 끝부분과;
    눈썹의 세로위치와;
    얼굴 좌우측의 끝부분과;
    하악의 끝부분;
    턱의 하단;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 얼굴 모델 생성 방법.
  3. 제1항에 있어서, 눈에 제어점을 설정할 때 제어점 삽입 위치는
    눈의 양끝점과;
    눈의 곡률이 급격히 변하는 세 지점과;
    눈의 가장 높은 지점;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 얼굴 모델 생성 방법.
  4. 제1항에 있어서, 입에 제어점을 설정할 때 제어점 삽입 위치는
    입술의 하단과;
    입술의 상단과;
    입술 상단 사이 패인 지점;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 얼굴 모델 생성 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 3차원 변형모델을 생성하는 단계는
    상기 3차원 기본모델에 설정된 특정한 제어점들을 기준으로 상하 구간을 나누고, 상기 2차원 이미지도 상기 구간에 대응되는 구간을 나누어, 3차원 기본모델의 구간들을 2차원 이미지의 구간들의 상대 비율에 일치하도록 변형하여 상하방향을 일치시키는 단계와;
    상기 3차원 기본모델에 설정된 얼굴외곽을 나타내는 특정 제어점에서 이마끝에서 턱끝까지의 얼굴중심선으로 수평선을 그어 상기 수평선의 길이를 기준선으로 하고, 2차원 이미지에 상기 3차원 기본모델의 수평선에 대응되는 기준선을 그어, 상기 3차원 기본모델의 수평방향의 기준선의 길이비율이 2차원 이미지의 기준선의 길이비율에 일치하도록 변형하여 3차원 기본모델과 2차원 이미지의 좌우방향 길이비율을 일치시키는 단계; 및
    상기 상하방향과 좌우방향의 길이 비율을 일치시켜 얼굴윤곽선을 2차원 이미지에 일치하도록 변형된 3차원 기본모델의 눈, 코, 입의 좌우끝점과 3차원 기본모델의 변형된 얼굴 윤곽선으로부터 떨어진 길이가 각각 2차원 이미지의 눈, 코, 입의 좌우끝점과 2차원 이미지의 얼굴 윤곽선으로부터 떨어진 길이와 같게 되도록하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 얼굴모델 생성방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 3차원 변형모델을 생성하는 단계는
    3차원 기본모델 상의 특정 제어점을 원점으로 하여 다른 특정한 두 제어점의위치벡터를 모델 기준벡터로 설정하는 단계와;
    3차원 기본모델 상의 다른 제어점들을 상기 모델 기준벡터들의 일차결합 형태로 표현하는 단계와;
    2차원 이미지 상에 상기 3차원 기본모델 상의 특정 제어점에 대응하는 제어점을 원점으로 하여 상기 모델 기준벡터로 설정되는 두 제어점에 대응하는 제어점을 이미지 기준벡터로 설정하는 단계와;
    2차원 이미지 상의 다른 제어점들을 상기 이미지 기준벡터들의 일차결합 형태로 표현하는 단계; 및
    상기 모델 기준벡터들의 일차결합 형태로 표현된 3차원 기본모델 상의 제어점들의 일차결합 계수를 대응하는 2차원 이미지의 제어점들의 일차결합 계수에 일치하도록 변형하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 얼굴모델 생성 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 3차원 기본모델은
    3개의 제어점들이 모여서 하나의 삼각형을 이루며, 특정 삼각형 내부의 일반점들은 상기 삼각형의 꼭지점을 이루는 제어점들의 일차결합 형태로 표시되며,은 각각 이동 전과 이동 후의 일반점,는 이동전 삼각형의 꼭지점을 이루는 세 제어점의 위치벡터,는 이동 후의 삼각형 꼭지점, a,b,c는 제어점들과 일반점의 위치관계를 나타내는 상수라 하면, 상기 일반점들의 일차결합 계수(a, b, c)가 수학식 1에서와 같이 일정하게 유지되도록 제어점들의 이동에 따라 일반점들의 위치가 자동으로 바뀌어 2차원 이미지에 일치하도록 변형되는 것을 특징으로 하는 3차원 얼굴모델 생성 방법.
    [수학식 1]
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