本技术介绍了一种结合高斯泼溅与3DMM模型的单目视频人脸重建技术。该技术涉及将RGB视频帧转换为显式人脸网格,并利用高斯泼溅技术进行人脸特征提取,实现精确的人脸重建与动态驱动。
背景技术
从单目视频创建逼真的3D头部头像一直以来是计算机图形学中的一个挑战性问题。从任意视角渲染栩栩如生的头像能够在游戏、视频会议、增强现实(AR)和虚拟现实(VR)等多个领域提供丰富的应用场景。对于这些应用,问题的关键在于能否重建出高质量3D头部头像,并将其拓展至新姿势和表情下。
通常,3D头部头像的重建被视为一项基础任务。近来,神经辐射场及其变体在静态场景重建方面取得了显著成效。后续的研究进一步将神经辐射场拓展至数字人建模领域。尽管这些方法在新视角合成方面表现出色,但往往缺乏可控性,限制了其对新姿势和表情的泛化能力。近期在3D高斯泼溅方面的进展在新视角合成的渲染质量上已超越神经辐射场,3D高斯泼溅将空间表示为3D高斯球,每个高斯球包含位置、旋转、尺度、不透明度和球谐系数,利用阿尔法混合将高斯球泼溅为最终渲染图像。由于渲染质量上的提高,3D高斯泼溅迅速被应用于数字人领域和虚拟头像生成领域中。
现有技术通常依赖于三维人脸形变模型(3D Morphable Model, 简称3DMM)来进行单目视频的人脸重建。3DMM模型通过将人脸表示为一组参数化的几何形状和纹理特征,能够较好地实现面部特征的捕捉与重建。然而,传统3DMM模型在处理复杂的面部表情变化时常常面临细节不足的问题,例如眼睛、嘴巴和牙齿等区域的细节难以精确捕捉,这限制了模型的精度。此外,传统3DMM模型的训练和优化往往依赖于有限的数据集,而这些数据集的多样性不足以覆盖所有可能的面部特征变化,从而导致模型在真实场景中的适应性较差。
在优化面部细节方面,现有技术常采用几何表情对齐的方法。然而,这些方法普遍依赖于固定的几何模型或预定义的关键点对齐方案,难以动态适应不同区域的特性。此外,现有的迭代最近点(ICP)算法虽然广泛应用于几何对齐任务,但其通常假设全局权重均匀分布,无法针对复杂区域(如眼睛和牙齿)赋予更高的权重优化,这导致局部区域的对齐精度受限。同时,传统ICP算法在收敛速度和全局优化能力上也存在不足,容易陷入局部最优解。
在动态驱动方面,现有技术通常使用简单的线性变形或预定义的表情驱动模型。然而,这些方法在复杂的表情变化和非刚性变形中表现较差。例如,线性变形无法捕捉到面部肌肉的非线性变化,而传统的表情驱动模型往往局限于固定的表情类型,缺乏对动态变化的灵活支持。此外,在动态驱动过程中,现有技术通常难以平衡全局一致性与局部细节之间的关系,尤其是在面部区域的训练过程中,缺乏有效的学习策略调整手段,使得复杂区域(如眼睛和嘴巴)的训练难度被稀释,简单区域则占据过多计算资源,从而影响了整体效果。
此外,为了提升渲染效果,许多现有方法尝试通过引入三维点云或体素表示来增强模型的表达能力。然而,这些方法往往计算量巨大,无法满足实时应用的需求。在渲染过程中,传统方法大多采用简单的损失函数对渲染结果进行优化,如均方误差(MSE)或结构相似性(SSIM),但这些指标无法充分捕捉感知相似性,导致最终生成的图像质量与真实图像之间仍存在显著差距。特别是在细节渲染上,现有技术缺乏对不同面部区域的重要性区分,使得复杂区域的细节质量较差,影响了整体渲染的视觉效果。
综上所述,现有技术在单目视频人脸重建与驱动中存在以下主要问题和不足:第一,传统3DMM模型对细节区域的表达能力不足,尤其在眼睛和牙齿等区域的重建精度方面仍有较大提升空间;第二,几何对齐方法的优化能力有限,无法在复杂区域和全局优化之间取得平衡;第三,动态驱动模型在捕捉非线性表情变化和提高局部训练效率方面存在缺陷;第四,现有渲染优化方法在感知相似性和细节表达能力上不足,未能充分利用区域特性进行差异化优化。
因此,如何提供基于高斯泼溅与3DMM模型的单目视频人脸重建与驱动方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
实现思路