Kamera ve yapısallaştırılmış ışık kullanarak 3 boyutlu yüz ve vücut modelleme
3D face and body modeling using camera and structured light
Yazar: TAŞKIN ÖZKAN
Danışman: PROF. DR. BÜLENT BAYRAM
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Harita Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Uzaktan Algılama ve Coğrafi Bilgi Sistemleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry

Özet:
Yüz ve vücut modeli oluşturulmasına estetik cerrahi, bazı hastalıkların takip ve tanısı, vücut gelişimi ve değişimlerin gözlemlenmesi, bilgisayar oyunları ve simülasyon yazılımlarının geliştirilmesi gibi pek çok farklı alanda ihtiyaç duyulmaktadır. Profesyonel 3B modelleme sistemlerinin maliyetleri veri üretim hassasiyetine ve kullanılan donanım ve yazılımların niteliğine göre oldukça yüksek değerlere ulaşmaktadır. Sunulan tez çalışması kapsamında düşük maliyetlerle 3B yüz ve vücut modellerinin üretilebildiği bir yazılım geliştirilmiş ve geliştirilen yazılım ile elde edilen 3B modellerin doğruluk analizleri gerçekleştirilmiştir. Doğruluk analizlerinde kullanılacak olan referans 3B modellerin oluşturulması için aynı kişilere ait yüz ve vücutlar yapısallaştırılmış ışık ile modelleme yapan bir sistem olan David SLS-2 tarama sistemi ile taranmıştır. Fotoğraf kullanılarak 3B model elde edilmesi için geliştirilen yazılımla yoğun ve metrik doğruluğu yüksek verilerin üretilmesi amaçlanmıştır. Yazılımın girdi verisi olan fotoğrafların 3B nokta bulutu üretimine uygun olabilmesi için fotoğraf çekim geometrisi, kullanılan algoritmalara göre belirlenmiştir. Yüz ve vücut modeli elde edilmesi için normal alım geometrisine göre stereo olarak birden çok konumdan alınan görüntü çiftleri kullanılmıştır. Fotoğraf çekim işlemleri için üzerinde 60 mm makro objektif bulunmakta olan, 18 mega piksel çözünürlüğe sahip Canon 600D modeli fotoğraf makinesi kullanılmıştır. Yüz modelleme çalışmalarında ortalama fotoğraf alım uzaklığı 120 cm, vücut modelleme çalışmalarında ise ortalama 650 cm olmuştur.
Sunulan tez çalışması kapsamında geliştirilen yazılım aracılığıyla 3456x5184 çözünürlükteki görüntü çiftleri kullanılarak, 3B koordinatlar üretilmiştir. Elde edilen 3B veride yüz ve vücuda ait kısımlarla beraber fotoğraf çekim alanına giren diğer objeler de bulunmaktadır. Sadece yüz ve vücut bölgelerinin elde edilebilmesi amacıyla otomatik olarak üretilen 3B nokta bulutunun düzenlenmesi gerekmektedir. Bu amaçla açık kaynak kodlu 3B nokta bulutu işleme yazılımları olan Cloud Compare ve Meshlab kullanılarak yüz ve vücuda ilişkin kısımlar manuel olarak ayrılmıştır. Çoklu stereo görüntülerden elde edilen 3B modellerin doğruluğunun belirlenmesi için geliştirilen yazılım ve David SLS-2 sistemi ile 5 kişinin yüzü, 2 kişinin de vücudu modellenerek elde edilen modeller karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma işlemi Cloud Compare yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Yüz modelleme çalışmasında otomatik olarak üretilen ve hareket, saç, kaş gibi kaba hata kaynağı olan bölgelerin de dahil olduğu noktaların doğruluk oranı beş farklı yüz için ortalama % 86.02 olarak hesaplanmıştır. Benzer şekilde vücut için bu oran %76.22 olarak hesaplanmıştır. Sunulan tez çalışmasında çoklu stereo modeller kullanılarak tasarlanan bir fotoğraf çekim planı ile 3B yüz ve vücut modelleri elde edilebilen bir sistem geliştirilmiştir. Geliştirilen sistem ile elde edilen 3B modellerin doğruluk analizleri Cloud Compare yazılımı ile yapılarak sistemin ne kadar hassasiyette 3B modelleme ihtiyaçlarına cevap verebileceği ortaya konmuştur.
Anahtar Kelimeler: 3B modelleme, fotogrametri, nokta bulutu, yüz modelleme, vücut modelleme

Abstract:
Three dimensional (3D) face and body models are needed in various fields such as plastic surgery, diagnosis of some diseases, tracking and monitoring of body growth and mutations, 3D computer games and 3D simulation software. Professional 3D face and body scanners are very expensive. Their prices increase according to the accuracy of 3D models and value of the brand. In this thesis, a low cost and high resolution 3D face and body modeling system has been developed. The developed algorithm and software generate 3D point cloud by using face and body images. The faces and bodies have been scanned and modeled by David SLS-2 optic scanner to collect reference data to evaluate obtainden results and for accuracy assessment. The intention of the developed software is to generate 3D model and achieve dense 3D points with high accuracy. In order to able to extract 3D point cloud from images, the imaging geometry has been determined according to algorithm. Therefore the face and body images have been taken through multi stereo geometry. A Canon 600D camera with 18 mega pixels resolution and 60 mm macro lens have been used for taking face and body images. Face images have been taken from the distance of 120 cm. The distances were nearly 650 cm when the body images have being taken.
The developed software creates 3D point coordinates by using of 3456x5184 resolution image pairs. The output data of the software includes 3D points of face, body and other objects in the image pairs. Therefore the output data should be ordered to get only face and body models. The redundant areas of the output data are manually removed through using of Cloud Compare and Meshlab which are open source 3D point cloud processing softwares. The developed software creates 4,478,976 3D point coordinates by using of 3456x5184 resolution image pairs. The export data of the software includes some 3D points that are different objects from face and body in the images. Cloud Compare and Meshlab, open source point cloud processing softwares, have been used to remove unnecessary objects from point clouds. Five voluntaries have been modeled by the developed software and scanned by David SLS-2 to generate face models. Two voluntaries have been used for creating 3D body models with two different system systems. The face and body models have been obtained from both developed and David SLS-2 systems. Cloud Compare has used for accuracy assessment. The mean accuracy of the face modeling study has been calculated as %86.02. The mean accuracy value of the body modeling study has been %76.22. The accuracy values of the studies contain gross errrors which caused by moving of face or body, hair and brow. The thesis reveals a system that uses multi stereo images, a developed software and designed imaging geometry which are able to generate 3D point cloud from multi stereo images to reach 3D face and body models with low prices. The accuracy assessment of the developed system has been calculated by using of Cloud Compare. Keywords: 3D modeling, photogrammetry, point cloud, face modeling, body modeling