本發(fā)明屬于藝術(shù)制作領(lǐng)域，特別涉及一種人臉線條畫的自動繪制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有技術(shù)中，利用機(jī)器人繪制人臉肖像畫，基本過程都是通過相機(jī)采集人臉圖像，通過邊緣檢測算法提取人臉輪廓，然后將提取出來的輪廓經(jīng)過軌跡規(guī)劃算法生成相應(yīng)的矢量點圖發(fā)送給工業(yè)機(jī)器人控制器，再完成機(jī)器人對人臉肖像畫的繪制。而目前德國卡爾斯魯厄市藝術(shù)和媒體技術(shù)中心機(jī)器人實驗室已經(jīng)利用六軸機(jī)械臂完成對人像肖像畫的自動繪制，但該方法對外界光線的要求非常高，而且繪制的人臉肖像畫僅包含人臉信息，不包含其他與被繪制人相關(guān)的信息。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

基于以上問題，本發(fā)明提出一種人臉線條畫的自動繪制系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中對光線要求高，僅包含人臉不包含與人臉相對應(yīng)文字的問題。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明提出一種人臉線條畫的自動繪制系統(tǒng)，以便在普通光照環(huán)境下能夠控制機(jī)器人完成對采集的人臉線條畫的繪制，并在繪制完成的人臉線條畫上完成藝術(shù)字的繪制。

一種人臉線條畫的自動繪制系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)處理控制模塊和機(jī)器人繪制模塊，其中：

數(shù)據(jù)處理控制模塊，用于從包含人臉的圖像中提取人臉圖像，并將人臉圖像轉(zhuǎn)換成人臉線條畫，還用于接收輸入的與人臉相對應(yīng)的文字并將其轉(zhuǎn)換成藝術(shù)字；

機(jī)器人繪制模塊，與所述數(shù)據(jù)處理模塊相連接，用于在數(shù)據(jù)處理控制模塊的控制下對所述人臉線條畫和藝術(shù)字進(jìn)行繪制。

進(jìn)一步地，人臉線條畫的自動繪制系統(tǒng)還包括圖像采集模塊，用于采集包含人臉的圖像。

進(jìn)一步地，圖像采集模塊為普通相機(jī)、工業(yè)相機(jī)、可見光攝像頭和近紅外攝像頭中任一種。

進(jìn)一步地，數(shù)據(jù)處理控制模塊包括：

圖像檢測模塊：用于檢測并提取所述圖像采集模塊采集的人臉圖像；

線條畫生成模塊：用于將所述圖像檢測模塊提取的人臉圖像轉(zhuǎn)換成人臉線條畫；還用于接收外部輸入設(shè)備輸入的文字，并將所述文字轉(zhuǎn)換成藝術(shù)字；

機(jī)器人控制模塊：用于控制所述機(jī)器人繪制模塊的繪制。

進(jìn)一步地，圖像檢測模塊在人臉圖像檢測時對圖像中的單個人臉或多個人臉進(jìn)行檢測。

進(jìn)一步地，將所述文字轉(zhuǎn)換成藝術(shù)字為先將文字轉(zhuǎn)換成藝術(shù)字圖像，再將藝術(shù)字圖像轉(zhuǎn)換成藝術(shù)字線條畫。

進(jìn)一步地，所述線條畫生成模塊對人臉圖像和藝術(shù)字圖像的轉(zhuǎn)換為采用線條提取算法將圖像轉(zhuǎn)換為線條畫。

進(jìn)一步地，所述線條提取算法直接將圖像轉(zhuǎn)換為線條畫，或?qū)D像經(jīng)過圖像算法處理后轉(zhuǎn)換為線條畫。

進(jìn)一步地，所述線條畫生成模塊還用于對人臉線條畫和藝術(shù)字線條畫進(jìn)行編碼。

進(jìn)一步地，所述人臉線條畫和藝術(shù)字線條畫的編碼為矢量圖和坐標(biāo)點圖中的任一種，以機(jī)器人能夠接收并解析的編碼為標(biāo)準(zhǔn)。

進(jìn)一步地，所述機(jī)器人控制模塊，還用于接收和解碼人臉線條畫和藝術(shù)字線條畫的編碼，并根據(jù)解碼信息控制所述機(jī)器人繪制模塊。

進(jìn)一步地，所述機(jī)器人繪制模塊為多軸機(jī)械臂或智能機(jī)器人。

進(jìn)一步地，所述機(jī)器人繪制模塊根據(jù)需要安裝不同類型的畫筆和配置不同尺寸的圖紙。

(三)有益效果

本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明提出的人臉線條畫的自動繪制系統(tǒng)，在普通光照環(huán)境下即可控制機(jī)器人完成對采集的人臉線條畫的繪制。

2、本發(fā)明提出的人臉線條畫的自動繪制系統(tǒng)，采用線條畫提取算法完成人臉線條畫和藝術(shù)字線條畫的轉(zhuǎn)換，從而使得繪制的人臉線條畫清晰且邊緣連續(xù)；并能夠同時完成與被繪制人相對應(yīng)藝術(shù)字的繪制。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種人臉線條畫的自動繪制系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖；

圖2為本發(fā)明提供的一種人臉線條畫的自動繪制系統(tǒng)各部分的連接示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的人臉線條畫效果圖；

圖4為本發(fā)明實施例提供的藝術(shù)字效果圖；

圖5為本發(fā)明實施例提供的機(jī)器人完成的人臉線條畫和藝術(shù)字效果圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

應(yīng)當(dāng)指出，本部分中對具體結(jié)構(gòu)的描述及描述順序僅是對具體實施例的說明，不應(yīng)視為對本發(fā)明的保護(hù)范圍有任何限制作用。此外，在不沖突的情形下，本部分中的實施例以及實施例中的特征可以相互組合。

在本發(fā)明提供了一種人臉線條畫的自動繪制系統(tǒng)。其構(gòu)成示意圖如圖1所示，該自動繪制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理控制模塊和機(jī)器人繪制模塊，其中：

數(shù)據(jù)處理控制模塊，用于從包含人臉的圖像中提取人臉圖像，并將人臉圖像轉(zhuǎn)換成人臉線條畫，還用于接收輸入的與人臉相對應(yīng)的文字并將其轉(zhuǎn)換成藝術(shù)字；

機(jī)器人繪制模塊，與所述數(shù)據(jù)處理模塊相連接，用于在數(shù)據(jù)處理控制模塊的控制下對所述人臉線條畫和藝術(shù)字進(jìn)行繪制。

進(jìn)一步地，人臉線條畫的自動繪制系統(tǒng)還包括圖像采集模塊，用于采集包含人臉的圖像。圖像采集模塊為普通相機(jī)、工業(yè)相機(jī)、可見光攝像頭和近紅外攝像頭中任一種，以滿足在普通光照環(huán)境下采集的圖像能保證人臉檢測模塊能檢測到清晰人臉為標(biāo)準(zhǔn)。

其中數(shù)據(jù)處理控制模塊包括：

圖像檢測模塊：用于檢測并提取所述圖像采集模塊采集的人臉圖像；

線條畫生成模塊：用于將所述圖像檢測模塊提取的人臉圖像轉(zhuǎn)換成人臉線條畫；還用于接收外部輸入設(shè)備輸入的文字，并將所述文字轉(zhuǎn)換成藝術(shù)字。

機(jī)器人控制模塊：用于控制所述機(jī)器人繪制模塊的繪制。

其中圖像檢測模塊在人臉圖像檢測時對圖像中的單個人臉或多個人臉進(jìn)行檢測。提取人臉圖像為從原圖像中經(jīng)過檢測算法檢測出人臉之后所截取的包含頭發(fā)、人臉、雙耳及頸部的圖像，降低了對圖像采集環(huán)境的要求。其中圖像檢測模塊在人臉圖像檢測時，優(yōu)先檢測圖像中離圖像采集裝置最近的人臉，通過設(shè)置不同的參數(shù)，也可實現(xiàn)多人臉檢測。

其中線條畫生成模塊的將所述文字轉(zhuǎn)換成藝術(shù)字為先將文字轉(zhuǎn)換成藝術(shù)字圖像，再將藝術(shù)字圖像轉(zhuǎn)換成藝術(shù)字線條畫。對人臉圖像和藝術(shù)字圖像的轉(zhuǎn)換為采用線條提取算法將人臉圖像和藝術(shù)字圖像轉(zhuǎn)換為人臉圖像線條畫和藝術(shù)字線條畫。線條提取算法直接將人臉圖像和藝術(shù)字圖像轉(zhuǎn)換為人臉線條畫和藝術(shù)字線條畫，或?qū)⑷四槇D像和藝術(shù)字圖像經(jīng)過圖像算法處理后轉(zhuǎn)換為人臉線條畫和藝術(shù)字線條畫。線條畫生成模塊還用于對人臉線條畫和藝術(shù)字線條畫進(jìn)行編碼，其編碼為矢量圖和坐標(biāo)點圖中的任一種，以機(jī)器人能夠接收并解析的編碼為標(biāo)準(zhǔn)。

其中，機(jī)器人控制模塊還用于接收和解碼人臉線條畫和藝術(shù)字線條畫的編碼，并根據(jù)解碼信息控制所述機(jī)器人繪制模塊。

進(jìn)一步地，所述機(jī)器人繪制模塊為多軸機(jī)械臂或智能機(jī)器人。機(jī)器人繪制模塊根據(jù)需要安裝不同類型的畫筆和配置不同尺寸的圖紙。

本發(fā)明提出的人臉線條畫的自動繪制系統(tǒng)各部分的連接示意圖如圖2所示，數(shù)據(jù)處理控制模塊2與圖像采集模塊1連接，用于檢測圖像采集模塊1采集的包含人臉的圖像，并提取其中的人臉圖像。數(shù)據(jù)處理控制模塊2還與機(jī)器人繪制模塊3相連接，用于控制機(jī)器人繪制模塊3完成人臉線條畫和藝術(shù)字線條畫的繪制。

實施例

如圖1所示，本實施例提出一種人臉線條畫的自動繪制系統(tǒng)，包括圖像采集裝置、數(shù)據(jù)處理控制裝置和機(jī)器人繪制裝置，各裝置間的連接關(guān)系如圖2所示，其中：

圖像采集模塊，用于采集位于本模塊前方的圖像；

數(shù)據(jù)處理控制模塊，包括三個模塊：圖像檢測模塊，用于采集并提取圖像采集模塊采集的包含人臉的圖像；線條畫生成模塊，用于將圖像檢測模塊提取的人臉圖像轉(zhuǎn)換成人臉線條畫，還用于接收外部輸入設(shè)備輸入的文字，并將所述文字轉(zhuǎn)換成藝術(shù)字圖像，再將藝術(shù)字圖像轉(zhuǎn)換成藝術(shù)字線條畫；還用于對人臉線條畫和藝術(shù)字進(jìn)行編碼；機(jī)器人控制模塊，用于接收和解碼人臉線條畫和藝術(shù)字線條畫的編碼，并根據(jù)解碼信息控制機(jī)器人繪制模塊的繪制。

機(jī)器人繪制模塊，根據(jù)機(jī)器人控制模塊的控制對所生成的人臉線條畫進(jìn)行繪制，并在最后進(jìn)行藝術(shù)字線條畫的繪制。

以下分別對本實施例提出的人臉線條畫的自動繪制系統(tǒng)的各個裝置進(jìn)行詳細(xì)說明。

本實施例中，采用分辨率為640×480像素的可見光攝像頭作為圖像采集模塊。利用圖像采集模塊采集一張圖像，并通過外界鍵盤輸入與被繪制人相對應(yīng)的文字，本實施例的文字以被繪制人的姓名為例。

本實施例中，選用一款六軸機(jī)械臂作為機(jī)器人繪制裝置。1、2軸的最大速度為337.5°/s，3軸的最大速度為324°/s，4軸的最大速度為440°/s，5、6軸的最大速度為450°/s；重復(fù)定位精度為±0.04mm；1軸的最大運動范圍為±155deg，2軸的最大運動范圍為+135～-35deg，3軸的最大運動范圍為+200～-35deg，4軸的最大運動范圍為±200deg，5軸的最大運動范圍為±115deg，6軸的最大運動范圍為±359deg；工作溫度為0～40℃，工作濕度為20％～80％，無結(jié)露。在此六軸機(jī)械臂上安裝有素描筆，配置A4大小的繪圖紙。

本實施例所述系統(tǒng)的工作流程如下：

S1、對從圖像采集模塊采集的圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理：灰度圖轉(zhuǎn)換、圖像去噪、均衡化等，然后利用NPD人臉檢測算法從預(yù)處理后的圖像中檢測人臉，預(yù)設(shè)僅檢測一個人臉，并提取出該檢測到的人臉圖像。

S2、對提取出來的人臉圖像經(jīng)過線條畫生成算法生成線條畫，實施例提取的人臉線條畫的效果圖如圖3所示。

S3、對輸入的姓名用預(yù)設(shè)的藝術(shù)形式產(chǎn)生對應(yīng)形式的藝術(shù)簽名圖像，實施例的藝術(shù)字效果圖如圖4所示，再將藝術(shù)簽名圖像轉(zhuǎn)換成藝術(shù)字線條畫。

此處需要說明的是，人臉線條畫和藝術(shù)字線條畫都為黑白二值圖像。

S4、對人臉線條畫和藝術(shù)字線條畫進(jìn)行矢量點的轉(zhuǎn)換，將圖像轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)點文件，并將該文件發(fā)送給機(jī)器人控制模塊。

S5、機(jī)器人控制模塊解碼坐標(biāo)點文件，并控制六軸機(jī)械臂首先完成人臉線條畫的繪制，并在最后完成對藝術(shù)簽名的繪制，實施效果圖如圖5所不。

進(jìn)一步地，其中人臉線條畫的生成，采用線條畫生成算法的直接轉(zhuǎn)換方法，將提取得到的人臉圖像經(jīng)過灰度轉(zhuǎn)換之后進(jìn)行，在灰度圖像中，利用ETF算法來進(jìn)行線條畫的生成。ETF的方法步驟如下：

S2.1、首先對灰度圖像利用Sobel算子生成梯度圖；

S2.2、針對梯度圖求與梯度方向垂直的邊緣切向圖；

S2.3、在t⁰(x)中按照如下公式進(jìn)行2～3次的迭代：

式中，Ω(x)為x的鄰域，k為鄰域數(shù)目，r為鄰域半徑；

w_s(x，y)為空間權(quán)重，通過如下公式計算：

w_m(x，y)為梯度權(quán)重，通過如下公式計算：

式中，g(z)代表z處的梯度大小，該梯度大小經(jīng)過歸一化。

w_d(x，y)為方向權(quán)重，通過如下公式計算：

w_d(x，y)＝|t^cur(x)·t^cur(y)|

式中，t(z)代表z處的經(jīng)過歸一化的切向量，且

經(jīng)過2～3次的迭代之后，最終得到經(jīng)過優(yōu)化的邊緣切向圖。

S2.4、利用FDoG算法對最終得到的邊緣切向圖計算其連續(xù)線條畫。FDoG的方法如下：

根據(jù)前面得到的邊緣切向圖，用c_x(s)表示以x為中心的積分曲線，s是弧長，由于x為曲線的中心點，則滿足c_x(0)＝x。沿著曲線c_x移動，在曲線上的每一點都有與c_x垂直的線l_s，在l_s上應(yīng)用一個一維濾波器f，濾波框架用下面公式計算：

其中，l_s(t)代表了l_s線段上的t點，假設(shè)l_s以c_x(s)為中心，則l_s(0)＝c_x(s)，I(l_s(t))表示在l_s(t)點上的輸入圖像值。式中的濾波器f，應(yīng)用一個基于高斯差分的濾波，如下式：

式中，G_σ表示方差為σ的高斯函數(shù)，如下式：

式中σ_s＝1.6σ_c，因此，一旦給定了σ_c，即可確定σ_S。

F(s)沿著c_x累加：

用戶給定的σ_m決定了S的大小，一旦確定了H(x)，利用下式來確定黑白的圖像線條畫：

式中，τ是范圍為[0，1]的閾值，為最終輸出圖像。

通過以上步驟最終得到人臉的連續(xù)線條畫。

將輸入的與人臉圖像相對應(yīng)的文字首先采用藝術(shù)字轉(zhuǎn)換算法將文字轉(zhuǎn)換為藝術(shù)字圖像，之后用生成人臉圖像線條畫的方法將藝術(shù)字圖像轉(zhuǎn)換成藝術(shù)字線條畫。

需要說明的是，本發(fā)明提出的基于機(jī)器人的人臉線條畫的自動繪制系統(tǒng)，不僅可用于所述的人臉線條畫的繪制，也可用于其他線條畫的繪制。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。