寧雨敏 桂子航 曹益暉 鄧明華*

（湖北師范大學(xué) 湖北·黃石 435000）

0 引言

隨著生活水平的不斷提高，人們的審美水平也在不斷提升。發(fā)型作為能夠瞬間提升自身氣質(zhì)和魅力的利器，受到越來越多的消費(fèi)者的重視。但是由于每個(gè)人的臉型，五官和發(fā)質(zhì)都存在差異，且發(fā)型的種類眾多難以挑選等客觀原因的存在。通常會導(dǎo)致最終設(shè)計(jì)的發(fā)型成品不能滿足消費(fèi)者的需求。

雖然目前市場上存在一定數(shù)量的線上虛擬發(fā)型設(shè)計(jì)軟件，其能為用戶提供有限的虛擬發(fā)型模型，并可以實(shí)時(shí)更改所選發(fā)型的顏色。但由于普遍采用2D技術(shù)建立發(fā)型模型，用戶將不能立體的觀察App提供的虛擬發(fā)型特效。App中的發(fā)型設(shè)計(jì)只考慮發(fā)型的形狀，而沒有考慮到用戶面部特征如臉型、額寬、顴骨高度等，使虛擬發(fā)型特效達(dá)不到真實(shí)的效果，因此需要改進(jìn)現(xiàn)有的及技術(shù)，增加虛擬發(fā)型的逼真度。而此款線上虛擬發(fā)型App不僅能給用戶更多的發(fā)型選擇，還提供更加逼真的線上虛擬體驗(yàn)，讓用戶輕松擁有適合自己的發(fā)型，在一定程度上減少了消費(fèi)者的發(fā)型設(shè)計(jì)成本。

1 線上虛擬發(fā)型App需求分析

為了使產(chǎn)品更好的服務(wù)于用戶，團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行線上虛擬發(fā)型App功能設(shè)計(jì)前期進(jìn)行了大量的問卷調(diào)查和分析工作。所設(shè)計(jì)的問卷包括三大模塊分別為“市場需求分析”，“虛擬發(fā)型App使用現(xiàn)狀”，“虛擬發(fā)型App應(yīng)用前景”。隨機(jī)抽取100名18歲至35歲的消費(fèi)者參加此次問卷調(diào)查，反饋問卷經(jīng)嚴(yán)格篩選，保留100份有效問卷，有效率達(dá)100%。

在抽樣檢測的反饋數(shù)據(jù)中，對其中的三個(gè)模塊進(jìn)行了具體的分析，如表1數(shù)據(jù)顯示，在“市場需求分析”這一模塊的分析中，可以了解到消費(fèi)者普遍存在發(fā)型設(shè)計(jì)的煩惱。而消費(fèi)者解決此類煩惱的方法大多數(shù)更傾向于到實(shí)體店進(jìn)行發(fā)型設(shè)計(jì)，也有少數(shù)消費(fèi)者并不進(jìn)行發(fā)型設(shè)計(jì)，而是直接進(jìn)行剪發(fā)操作。采用咨詢線上發(fā)型設(shè)計(jì)師進(jìn)行發(fā)型設(shè)計(jì)的人比例更是占極少數(shù)。在“相關(guān)App的使用現(xiàn)狀”模塊中，消費(fèi)者使用相關(guān)發(fā)型設(shè)計(jì)App的比例并不高，作為一種新興的發(fā)型設(shè)計(jì)模式，許多消費(fèi)者并未涉足于此是可以理解的，這就需要相關(guān)的產(chǎn)品增加一定的宣傳力度，提高產(chǎn)品的實(shí)用性，讓用戶切身體會到科技為發(fā)型設(shè)計(jì)提供的便利，以此來進(jìn)行產(chǎn)品推廣?！疤摂M發(fā)型App應(yīng)用前景”的調(diào)查則說明了用戶對線上發(fā)型App性能優(yōu)化后使用情況的樂觀態(tài)度，可能會使用的人數(shù)占了半數(shù)以上，體現(xiàn)了用戶的存在廣泛的使用意愿。

表1：虛擬發(fā)型設(shè)計(jì)App前期調(diào)研

2 線上虛擬發(fā)型App系統(tǒng)概述

線上虛擬發(fā)型App基于大數(shù)據(jù)技術(shù)、3D建模技術(shù)和AR技術(shù)，將建立的海量數(shù)據(jù)圖庫收集到的有關(guān)發(fā)型和臉型模塊作為基礎(chǔ)，利用人像采集技術(shù)和Adaboost算法分析發(fā)型數(shù)據(jù)庫人臉面部特征，并以此為依據(jù)為不同用戶篩選合適的發(fā)型源。通過對發(fā)型固有屬性的研究以及加強(qiáng)3D模型渲染技術(shù)算法的使用，可以呈現(xiàn)給用戶更加貼合與完美的發(fā)型效果。

圖1：線上虛擬發(fā)型App系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 功能模塊分析

3.1 建立海量發(fā)型數(shù)據(jù)庫

建立網(wǎng)絡(luò)發(fā)型數(shù)據(jù)庫，首先需要建立相關(guān)發(fā)型列表。如根據(jù)發(fā)型的長度大致分為短發(fā)、中長發(fā)和長發(fā)等，在此基礎(chǔ)上可進(jìn)一步細(xì)分為短卷發(fā)、短直發(fā)、長卷發(fā)、長直發(fā)。以發(fā)型名稱為依據(jù)開展收集發(fā)型圖片工作。由于發(fā)型數(shù)據(jù)庫的圖片總數(shù)過多，人工手動收集圖片的效率過低，需要我們采用自動化測試方法進(jìn)行圖片的收集。找到相關(guān)的發(fā)型圖片網(wǎng)站利用Selenium來通過代碼調(diào)取瀏覽器程序，自動下載收集所需的網(wǎng)絡(luò)發(fā)型圖片，在將要獲取的圖片加載到下載序列中之后，迅速搜素下一張圖片，有效的提高了圖片的獲取速率。在經(jīng)過數(shù)據(jù)入庫后，形成發(fā)型數(shù)據(jù)庫。大量的圖片能將各種臉型和發(fā)型的數(shù)據(jù)進(jìn)行一個(gè)初步的存儲，形成App內(nèi)的海量發(fā)型源。

3.2 分析人臉基本特征

人臉基本特征分析需分兩個(gè)階段分析。在 App開發(fā)前期，需要對建立的發(fā)型數(shù)據(jù)庫中的海量圖片進(jìn)行人臉特征分析。在用戶使用App的仿真發(fā)型設(shè)計(jì)功能時(shí)，進(jìn)行實(shí)時(shí)的人臉特征分析。將兩個(gè)人臉特征進(jìn)行數(shù)據(jù)比對，就可以得到適合用戶的發(fā)型源。

在傳統(tǒng)的人臉特征分析中，一般不直接分析全部人臉區(qū)域，而是通過獲得人臉特征點(diǎn)鄰近區(qū)域進(jìn)行相關(guān)的特征提取，最初基于深度學(xué)習(xí)的人臉特征提取仍然按照這個(gè)傳統(tǒng)流程進(jìn)行。運(yùn)用Adaboost算法挑選出一些最能代表人臉的區(qū)域特征進(jìn)行識別預(yù)處理、包括光線補(bǔ)償、灰度變換、直方圖均衡化，幾何校正。采用知識的表征方法來獲得人臉分類的特征數(shù)據(jù)，通過對特征點(diǎn)間的歐氏距離、曲率和角度的分析和計(jì)算實(shí)現(xiàn)用戶面部重塑，并通過與前期圖片數(shù)據(jù)庫采集相關(guān)面部基本數(shù)據(jù)進(jìn)行大量比對，篩選出符合用戶形象的發(fā)型樣本。

3.3 仿真發(fā)型精度研究

3.3.1 3D發(fā)型建模

為了進(jìn)一步完善發(fā)型 App的用戶發(fā)型設(shè)計(jì)自動生成模塊，在對頭發(fā)進(jìn)行建模與仿真時(shí)，特別考慮了頭發(fā)的固有屬性，如硬度、粗細(xì)、長度、形狀等。一個(gè)好的頭發(fā)模型應(yīng)該能最大程度模擬現(xiàn)實(shí)中頭發(fā)的固有屬性，在頭發(fā)的建模中考慮每一根發(fā)絲的細(xì)節(jié)是不可取的，這樣不僅會增大仿真的難度還不利于實(shí)現(xiàn)最終想要達(dá)到的效果?？梢圆捎脤︻^發(fā)簇為單位進(jìn)行分析建模，在一個(gè)頭發(fā)簇內(nèi)有一個(gè)主頭發(fā)用來控制頭發(fā)簇的整體走向，其余同簇發(fā)絲將具有相同屬性。

在利用Poser對頭發(fā)簇的設(shè)計(jì)的過程中，將主頭發(fā)作為基準(zhǔn)確定頭發(fā)簇走勢，運(yùn)用截面曲線來設(shè)計(jì)頭發(fā)簇的截面現(xiàn)狀。先在設(shè)計(jì)平面上給出位于截面曲線上的一些點(diǎn)，運(yùn)用周期性曲線反算算法中的節(jié)點(diǎn)矢量確定截面曲線的節(jié)點(diǎn)矢量，算出截面曲線的控制頂點(diǎn)。后期可通過修改控制頂點(diǎn)對局部地區(qū)的模型進(jìn)行調(diào)整，使之呈現(xiàn)出更加貼合和完美的效果。在建模的過程中為了減少計(jì)算量，同一頭發(fā)簇的所有截面曲線將采用統(tǒng)一的節(jié)點(diǎn)矢量，且取截面曲線的數(shù)目等于主頭發(fā)數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量。

由于主頭發(fā)控制了頭發(fā)簇的走勢，因此需要對主頭發(fā)的生長點(diǎn)進(jìn)行合理的的選擇。模型將整個(gè)頭部分為許多的小的頭發(fā)生長區(qū)域，一個(gè)頭發(fā)生長區(qū)上至少生長一根主頭發(fā)。在確定所需設(shè)計(jì)的主頭發(fā)的數(shù)量和位置后，只需要對頭發(fā)形狀進(jìn)行調(diào)整即可得到期望的發(fā)型。

3.3.2 發(fā)型3D模型渲染

利用SGI公司推出的開放性三維圖形軟件包OpenGL工具進(jìn)行3D渲染。三維環(huán)境中物體的材質(zhì)過于單一，缺乏真實(shí)感，利用已有的紋理映射技術(shù)、對建立在紋理坐標(biāo)系中的圖形經(jīng)行紋理貼圖，可使得虛擬發(fā)型的各種屬性更加逼真。

紋理可以分為兩種，一種是通過顏色色彩或明暗的變化體現(xiàn)出表面細(xì)節(jié)，這種紋理稱為顏色紋理；另一種紋理由不規(guī)則的細(xì)小的凹凸組成。在此次3D渲染中，采用主要采用的是顏色紋理的模擬。

在實(shí)際進(jìn)行3D渲染時(shí)，先計(jì)算有關(guān)的光照量和進(jìn)行紋理映射。在頭發(fā)簇表面進(jìn)行紋理圖像的預(yù)處理后，將頭發(fā)簇表面的點(diǎn)和紋理圖像上的點(diǎn)進(jìn)行相互映射，形成初步質(zhì)感。再對發(fā)型模型的色彩、光影和亮度進(jìn)行調(diào)試使生成的發(fā)型模型更見接近真實(shí)狀態(tài)，最終完成模型的渲染。

3.3.3 AR發(fā)型設(shè)計(jì)真實(shí)體驗(yàn)

利用實(shí)時(shí)的計(jì)算攝影機(jī)影像的位置及角度加上相應(yīng)的圖像、視頻、3D模型技術(shù)通過傳感技術(shù)將生成的匹配發(fā)型放置在真實(shí)環(huán)境中，借助特殊的顯示設(shè)備將虛擬的發(fā)型和用戶的頭部進(jìn)行精確匹配，用戶能將設(shè)計(jì)出的三維立體發(fā)型模型直接佩戴，以實(shí)現(xiàn)更好的視覺體驗(yàn)感和更加切合現(xiàn)實(shí)狀態(tài)的虛擬發(fā)型設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

該線上虛擬發(fā)型App的設(shè)計(jì)，是為了通過已有的AR技術(shù)為用戶提供更加切合自身需求的虛擬發(fā)型，減少消費(fèi)者因不知如何設(shè)計(jì)發(fā)型而帶來的不必要消費(fèi)情況，讓用戶能真正的體會到改變發(fā)型帶來的愉悅。