3D人脸识别——人脸点云前处理

该博客介绍了如何利用Realsense系列相机获取深度信息,包括RGB和深度图,并通过Open3D进行点云处理。首先展示获取和显示点云的数据流程,然后详细阐述了人脸点云处理的步骤,包括点云分割、人脸姿态估计和点云对齐。此外,还提到了法向量估计和点云信息的平面投影。最后,展示了处理后的3D人脸点云结果和代码实现。

摘要生成于 C知道 ,由 DeepSeek-R1 满血版支持, 前往体验 >

1. 获取点云与显示点云

    博主做项目是用realsense系列获取深度信息的,获得对齐的RGB图和深度图。

    获取数据的代码如下:

## License: Apache 2.0. See LICENSE file in root directory.
## Copyright(c) 2017 Intel Corporation. All Rights Reserved.

#####################################################
##       Align Depth to Color and get data         ##
#####################################################

# First import the library
import pyrealsense2 as rs
# Import Numpy for easy array manipulation
import numpy as np
# Import OpenCV for easy image rendering
import cv2
import time
import os

# Declare pointcloud object, for calculating pointclouds and texture mappings
pc = rs.pointcloud()
# We want the points object to be persistent so we can display the last cloud when a frame drops
points = rs.points()

# Create a pipeline
pipeline = rs.pipeline()

# Create a config and configure the pipeline to stream
#  different resolutions of color and depth streams
config = rs.config()
config.enable_stream(rs.stream.depth, 640, 360, rs.format.z16, 30)
config.enable_stream(rs.stream.color, 640, 480, rs.format.bgr8, 30)

# Start streaming
profile = pipeline.start(config)

# Getting the depth sensor's depth scale (see rs-align example for explanation)
depth_sensor = profile.get_device().first_depth_sensor()
depth_scale = depth_sensor.get_depth_scale()
print("Depth Scale is: " , depth_scale)

# We will be removing the background of objects more than
#  clipping_distance_in_meters meters away
clipping_distance_in_meters = 1 #1 meter
clipping_distance = clipping_distance_in_meters / depth_scale

# Create an align object
# rs.align allows us to perform alignment of depth frames to others frames
# The "align_to" is the stream type to which we plan to align depth frames.
align_to = rs.stream.color
align = rs.align(align_to)

save_dir = "RGBD_dataset"

def check_dir(save_dir):
    if not os.path.exists(save_dir):
        os.makedirs(save_dir)
    return save_dir

n = 0

# Streaming loop
try:
    while True:
        # Get frameset of color and depth
        frames = pipeline.wait_for_frames()
        # frames.get_depth_frame() is a 640x360 depth image
        
        # Align the depth frame to color frame
        aligned_frames = align.process(frames)
        
        # Get aligned frames
        aligned_depth_frame = aligned_frames.get_depth_frame() # aligned_depth_frame is a 640x480 depth image
        color_frame = aligned_frames.get_color_frame()
        
        # Validate that both frames are valid
        if not aligned_depth_frame or not color_frame:
            continue
        
        color_image = np.asanyarray(color_frame.get_data())

        save_dir = check_dir(save_dir)
        name = str(n)
        depth_image = np.asanyarray(aligned_depth_frame.get_data())
        #print "Saveing to *.png ..."
        depth_name = name + ".png"
        cv2.imwrite(os.path.join(save_dir, depth_name), depth_image)
        
        image_name = name + ".jpg"
        print "Saveing to *.jpg ..."
        cv2.imwrite(os.path.join(save_dir, image_name), color_image)

        n += 1
        print("Frame num is %s" % n)
        if n == 1000:
            print("You get 1000 RGBD-imgs!")
            break

        cv2.namedWindow('Align Example', cv2.WINDOW_AUTOSIZE)
        cv2.imshow('Align Example', color_image)
        key = cv2.waitKey(1)
        # Press esc or 'q' to close the image window
        if key & 0xFF == ord('q') or key == 27:
            cv2.destroyAllWindows()
            break
finally:
    pipeline.stop()

            点云的显示请参考我的博客:Open3D——RGBD图转化为点云(pcd)并显示

2. 人脸点云处理关键步骤

      (1) 点云分割

             以人脸鼻尖为球心,8cm半径组成的球,只保留在球内的点云同时去除无效的点云,即分割出人脸点云,去除了背景的干扰。

     (2)计算人脸在空间的旋转角度,并实现人脸对齐

             根据人脸关键点,求出人脸的姿态,即Pitch,Yaw,Roll三个偏转角。

             根据齐次坐标变换,获得对齐的人脸点云。

             我处理后的结果如下(用MeshLab显示):

     (3)法向量估计算法:基于Open3D计算每个点的法向量。

     (4)点云的信息投影到平面:根基相机模型把深度的法向量投影到平面内,并归一化,变为人眼可见的3通道图片。

              我的投影效果如图所示:

注:处理开源的3D人脸点云数据,请参考我的博客:3D人脸识别——点云转化为可训练的图片

       以上点云处理的所有代码由python编写,如需技术交流,请联系博主(下方二维码)。

 

### 使用深度学习技术进行点云人脸识别 #### 数据预处理 对于点云数据的人脸识别任务,原始输入通常是三维空间中的离散点集。这些点可能来自激光雷达(LIDAR)扫描仪或其他3D传感器设备。为了使神经网络能够有效处理这类非结构化数据,在训练之前通常需要执行一系列的数据准备操作[^1]。 - **降采样**:减少点的数量以提高计算效率; - **规范化**:调整坐标系使得不同样本之间具有可比性; - **增强变换**:通过旋转、平移等方式扩充训练集规模; #### 特征提取模型架构设计 针对点云特性而专门开发的一些卷积神经网路(CNNs),如PointNet及其改进版本(PointNet++)被广泛应用于此类场景下特征的学习过程之中。它们可以直接作用于无序集合形式表示的对象表面几何属性之上,并从中捕捉到局部乃至全局范围内的形状描述子作为后续分类器的输入向量[^2]。 ```python import torch.nn as nn class PointNet(nn.Module): def __init__(self, num_classes=40): super().__init__() self.transform_net = TransformNet() self.mlp1 = nn.Sequential( nn.Conv1d(3, 64, kernel_size=1), nn.BatchNorm1d(64), nn.ReLU(), ... ) def forward(self, x): batchsize = x.size()[0] trans = self.transform_net(x) x = x.transpose(2, 1).contiguous() x = torch.bmm(x, trans) x = x.transpose(2, 1).contiguous() out = self.mlp1(x) return out.view(-1, ...) ``` 上述代码片段展示了简化版PointNet框架的一部分实现细节,其中包含了用于估计输入矩阵最佳正交基底转换关系式的`TransformNet`模块以及多层感知机组成的主干部分(`mlp1`)来完成初步的空间编码工作。 #### 训练策略与优化方法 考虑到实际应用环境中获取大量标注良好的高质量人脸实例较为困难这一现状,迁移学习成为了一种可行的选择——即先在一个大规模通用物体检测/分割数据库上预先训练好基础权重参数后再迁移到特定领域内继续微调直至收敛为止。此外还可以借助对抗生成对抗网络(GANs)合成更多变体供算法迭代更新所用[^3]。
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