數(shù)字娛樂視角下情緒化虛擬人的快速面部動畫設(shè)計

張 耀

（蘇州工業(yè)園區(qū)服務(wù)外包職業(yè)學(xué)院,江蘇蘇州 215123）

隨著互聯(lián)網(wǎng)事業(yè)的不斷發(fā)展壯大，數(shù)字娛樂產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)已成必然。數(shù)字娛樂是指通過卡通、動畫、動漫、網(wǎng)絡(luò)游戲等運用數(shù)字技術(shù)開發(fā)，具有娛樂功能的產(chǎn)品。具體涉及內(nèi)容包括數(shù)字移動平臺、互聯(lián)網(wǎng)、動漫、動畫、網(wǎng)絡(luò)各種類型游戲、出版制品、影音數(shù)字、數(shù)字化教育等許多行業(yè)領(lǐng)域。而作為數(shù)字娛樂的其中之一分支——動畫領(lǐng)域，也在這一大背景下得到了迅速的發(fā)展。為了跟上新時代數(shù)字娛樂產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的步伐，本文試圖以情緒化虛擬人的面部動畫設(shè)計為主題，從三個方面進行探討。

一、虛擬人頭部模型的一般化設(shè)計

虛擬人頭部模型的一般化設(shè)計，就是要設(shè)計一個數(shù)據(jù)量小且結(jié)構(gòu)完整的三維頭部模型。它經(jīng)過兩個發(fā)展階段：

1.從建模軟件中導(dǎo)出經(jīng)過簡化并去除了面部網(wǎng)格后的模型和Candide-3標(biāo)準(zhǔn)模型合成通用模型。該簡化模型的眉毛、嘴巴、眼睛等細節(jié)均一一保留。然后再將簡化模型的面部網(wǎng)格去掉，經(jīng)過對來自兩個模型的不同坐標(biāo)系作統(tǒng)一處理后，將剩下部分與標(biāo)準(zhǔn)的Candide-3模型沿面部與后腦勺進行無縫隙對接。

2.在對頭部的通用模型有機合成，構(gòu)建具有完整性的虛擬人頭部網(wǎng)格模型。要達到這個目標(biāo)需要經(jīng)過兩個步驟。

（1）對面部Candide-3模型的眼瞼進行重建。雖然通用頭部模型的結(jié)構(gòu)比較完美，但存在諸如沒有眼球的眼部結(jié)構(gòu)模型現(xiàn)象，這會給后面眼瞼的動畫設(shè)計帶來了障礙。必須要進行重新建模。對于眼瞼的重建，實際上就是按照Candide-3模型眼部周圍點的坐標(biāo)信息，利用Bezie曲線對眼瞼進行建模。由于眼球是個不規(guī)則的球形，要想將兩個半徑不同的球結(jié)合在一起來完成建模，這里采用的方法是：眼球的瞳孔部分用半徑較小的小球來模擬，半徑較大的球體則模擬瞳孔外的其他部分。

（2）對牙齒進行建?！耙?1”中的通用三維頭部網(wǎng)格模型面部表情可以在理論上十分接近人類頭部，但經(jīng)過紋理處理后，卻是張開嘴巴卻沒有牙齒，這說明該模型的結(jié)構(gòu)并不完整。因此，可采用模擬真實牙齒模型解決問題。由于人類有28顆～32顆牙齒，其中，有四顆智齒不一定每個人都有。因而，本文在進行人面部的表情虛擬中，只在正前方的上下各設(shè)置八顆牙齒。經(jīng)過眼瞼、眼球及牙齒模塊的整合，一個接近真人頭部結(jié)構(gòu)的、完整的虛擬人頭部網(wǎng)格模型就形成了。

二、虛擬人頭部模型的個性化設(shè)計

所謂虛擬人頭部模型的個性化設(shè)計，可采用ASM算法從照片提取人臉特征信息調(diào)整，獲取與照片人臉個體特征相同的頭部模型。

1.人臉面部特征點的提取。采用ASM算法自動人面表情特征點，其優(yōu)點是算法簡單、提取效率相較高。人臉個性特征的確定是對人的外部輪廓、人臉面部不同器官進行確定，使其可以體現(xiàn)出人臉?biāo)哂械膫€性化特點。

2.虛擬人完整的頭部網(wǎng)格模型，雖然能夠比較完整地體現(xiàn)頭部的結(jié)構(gòu)，但是，它也存在著一定的局限性，因為每個人的臉型差異和每個人的、人臉的寬度、五官高低度等參考數(shù)據(jù)的不同，要想經(jīng)過整合的三維頭部網(wǎng)格模型與照片中的人臉相仿是很困難的，必需要對標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格模型的坐標(biāo)體系和圖片坐標(biāo)體系進行調(diào)整，并將這些圖片特征點轉(zhuǎn)換成模型坐標(biāo)系下的點。此外還需對面部的特征點、非特征點和后腦勺點的點進行調(diào)整，才能使后腦勺模型和個性化的面部模型無縫對接。經(jīng)過調(diào)整眼瞼、眼球等部位點坐標(biāo)，才能最終得到一個調(diào)整后的、具有個性化特征的頭部三維網(wǎng)格模型。

三、虛擬人面部動畫表情的合成設(shè)計

合成設(shè)計可以分為三部分：（1）運用板塊紋理的拼接方法，截取面部的小塊紋理組合成大塊紋理，用于頭部后腦勺的紋理圖像；（2）對經(jīng)“二.2”調(diào)整后的面部、眼球和后腦勺等特定模塊模型紋理貼圖；（3）結(jié)合MPEG-4數(shù)據(jù)調(diào)整虛擬頭部模型，從而合成一個具有真情實感的人類動畫面部表情。

1.紋理圖像的合成

紋理合成由映射、從設(shè)計藍圖出發(fā)的紋理合成以及連續(xù)行為紋理合成。處理過程中，難點在于特定模型紋理后腦勺部分的紋理貼圖。因此，采取先把面部小塊的皮膚紋理進行大塊拼接，將其作為后腦勺部位的皮膚紋理。這種方法可有效避免拼接過程出現(xiàn)局限性、煩瑣性，提高模型的細節(jié)與功能，由此可見，采用拼接法合成紋理不僅合成速度快，而且合成質(zhì)量也很好。

2.虛擬頭部紋理貼圖

虛擬人頭部的紋理貼圖主要是指，將相關(guān)的紋理圖像貼到頭部模型的相關(guān)表面，使相關(guān)部位呈現(xiàn)出紋理細節(jié)的特征，這里主要是給“2”中得到的和輸入照片上的人臉，使頭部模型個體特性和紋理貼圖更具有真實感。

（1）虛擬人面部的紋理貼圖

選擇輸入圖片的人臉部分作為網(wǎng)格模型的面部紋理圖像，是對虛擬人的面部進行紋理貼圖的先決條件，由于人臉的結(jié)構(gòu)比較的復(fù)雜，面部各種器官比較多，可采取構(gòu)建特定模型與紋理坐標(biāo)的點對應(yīng)——頂點與計算模型坐標(biāo)對應(yīng)——面部模型點與坐標(biāo)點匹配繪制的步驟，使紋理的貼圖與模型對應(yīng)的頂點一體化，避免錯貼出現(xiàn)的風(fēng)險。

（2）虛擬人后腦勺的紋理貼圖

在給虛擬人的面部貼紋理時，頭部模型的面部紋理圖像可以從輸入的二維照片上截取。而在對后腦勺部分貼紋理時，紋理圖像的選擇相對來說就比較簡單，因為后腦勺結(jié)構(gòu)沒有面部那么復(fù)雜，可在不考慮頭發(fā)的情況下，可以認可與后腦勺的皮膚，具有相同性質(zhì)。因此，實驗研究中，截取小塊紋理將其用作貼圖紋理構(gòu)建的樣本，進行后腦勺皮膚的紋理合成。在獲取后腦勺紋理圖像后，運用自動紋理映射進行模型構(gòu)建出后腦勺一個完整的、有效的紋理貼圖，會呈現(xiàn)出一個具有真實感的頭部模型。

3.虛擬人臉部的動畫構(gòu)建

（1）立足于醫(yī)學(xué)視角看，人體是具有復(fù)雜性的一個機體。尤其是人類具有639塊肌肉，這些復(fù)雜的肌肉通過機體合作，可以完成人類各項運動，如：走、跑、跳、蹲、蹦、工作、踢球、講話等行為運動。因此，本文在進行研究時，是立足于面部表情的基礎(chǔ)上，利用肌肉在協(xié)同作用下的整體性和統(tǒng)一性，針對人類面部表情豐富肌肉進行人臉部動畫的虛擬構(gòu)建合成。由點和三角面片虛擬人的頭部網(wǎng)格模型，采取運用大量的人臉面部動作進行單元DV肌肉的模擬運動，以真實化、表情化來解決問題。這些面部肌肉豐富表情，既可單獨發(fā)揮也可協(xié)同作用即可合成人臉的各種表情。主要是憤怒(Angry)、恐懼(Scared)厭惡(Disgusted)、喜悅(Happy)、悲傷(Sad)和驚奇(Surprised)，六種基本表情,從而使虛擬人的面部表情變化達到了栩栩如生的地步。

（2）面部表情的合成

根據(jù)解剖力學(xué)知識，人的面部表情動作DV與人臉面部的相關(guān)肌肉相匹配可以產(chǎn)生六種基本表情。比如，要“上演”悲傷的表情可在顴主肌、降下唇肌、內(nèi)外額肌、眼輪匝肌的協(xié)同作用下完成；要完成高興表情的動作，可通過模擬這些肌肉的動作單元DV1、DV2、DV5、DV10、DV11的協(xié)作建構(gòu)而成。基于此，其他單元的表情動作處理也可以參照下面表格完成（表1）。根據(jù)調(diào)整幅度產(chǎn)生變化。

表1 六大基本表情的DV組合

從上述可見，根據(jù)表1中動作單元和不同表情的研究闡釋，與動作單元相應(yīng)的人臉模型進行調(diào)整，使其頂點與坐標(biāo)點完全重合，生成更具有生動化的六大人臉基礎(chǔ)表情。

本文以一個標(biāo)準(zhǔn)的頭部模型為基礎(chǔ)，通過對虛擬人頭部一般網(wǎng)格模型的設(shè)計、個性化虛擬人頭部模型的設(shè)計、虛擬人面部動畫表情的設(shè)計，合成了真實的虛擬人六大基本表情。通過調(diào)整真實紋理貼圖的三維頭部模型，以真情實感實現(xiàn)了虛擬面部動畫的情緒化。

綜上所述，在數(shù)字娛樂視角下構(gòu)建真實頭部模型，不斷深入的以人臉動畫為最終研究目標(biāo)，才能將情緒化虛擬人的快速面部動畫設(shè)計進行深度挖掘，更好地服務(wù)于大眾。