基于FFD的参数化人脸表情动画技术研究

1、浙江大学硕士学位论文基于FFD的参数化人脸表情动画技术研究姓名：陈立申请学位级别：硕士专业：计算机应用技术指导教师：孙守迁20060501浙江大学硕士学位论文摘要自从P a r k e 在1 9 7 2 创建了第一个三维人脸表情动画开始，三十年来人脸造型和动画技术已经发展成为两大类，数个小类的综合技术。这些技术分别在各自的领域中得到应用。本论文作为“计算机辅助眼镜设计系统”项目的后续研究，在已有的人脸区域控制模型的基础上进行改进，建立适合表情动画的参数化可变形人脸模型，并通过全局肌肉变形和局部阡D 变形，、实现了一个人脸三维表情系统。在已有的人脸区域控制模型的基础上，根据人脸的皮肤、肌肉和骨骼结构，本论文改进后得到的参数化可变形人脸模型由3 部分组成：皮肤网格、肌肉和头骨。为了模拟皮肤，在弹性网格上定义了非线性结构弹簧和边界约束弹簧，非线性结构弹簧用来模拟皮肤的弹性，边界约束弹簧用来防止皮肤被拉破；肌肉层根据E A c s 中对表情变化起决定作用的A u 定义相关的肌肉向量，同时将皮肤网格根据不同肌肉的作用范围分块，在肌肉作用范围内定义F F D 变形块，用以在产生不真实变形时来对皮肤

2、网格进行精细的调整，而肌肉则分成3 类分别模拟：线形肌肉、括约肌和片状肌肉；头骨是可活动的，下颌骨可上下活动以模拟嘴巴的张合，此外头骨层的存在是为了防止在肌肉伸缩的过程中将皮肤网格拉扯到不真实的位置。在对参数化可变形人脸模型进行全局变形时，通过对皮肤网格上的点的受力分析来计算点在某种表情下的位移。皮肤网格上的点受3 种力：弹簧内部拉力、肌肉拉力以及头骨的约束力。分别计算3 种力的大小，然后使用二阶常微分方程计算某个时刻点的位移，从而得到变形后的表情。之后通过变形率的大小来判断是否对某个区域使用局部F F D 变形来修补变形失真或变形不够。本论文实现的人脸表情方法通过关键人脸表情系统，效果得到了较好的验证。本文将前人的很多工作综合起来，得到参数化可变形人脸模型控制参数少，操纵比较简单，适合快速但对场地和模型精度要求不高的场合应用。关键字：人脸模型，肌肉，变形，参数化，邛D浙江大学硕士学位论文A b s t r a c tF a c i a lm o d e l i I l ga I l da I l j l I l a t i o nh a sb e e nd e v e l o p e

3、 di m o2b 蟾c a t e g o r i e sa n ds e v e r a l 锄a l lt y p e si n t e 胂t e dt o g e t h e rs i n c eP a r k ec r e a t e dt h ef j r s t3 Df a c i a la n i m a t i o ni n1 9 7 2 1 1 l i st h e s i si st l l ef e l l o ws t u d yo ft h eC 0 m p u t e r 越d e dG l a s s e sD e s i 驴S y s t 锄1 n l p r o v e dm cc x i s t e mh c a lC o n t m lM 0 d e l ，w ep r e s e n tap a r 枷e t c f i z e dd e f o m d b l ef 撕a lm o d c lt os u i t ct h ec x p r c s s i o n 趾i m a t i o n ，a n du s eg l o b a lm

4、u s c l ed e f b r I l l a t i o na n d1 0 c a lf r e e f o md e f b 瑚a t i o n ，i m p l e m c n ta3 Df a c i a la l l i I n a t j o ns y s t e m W ec r e a t eap a r a m e t e r i z e dd e f o 衄a b l ef a c i a lm o d e lb a s c do nt l I es t m c t u r eo ft I l eh u m a I lf a c e n em o d e l i sc o m p o s e do f3p a n s ：s “nm e s h ，m u s d ea 1 1 ds k u l l T os i I I l u l a 血gt l l es k i n ，w ed e f m et h en o n l 妣a fs p I i n ga I I dt h eE R S ( E d g cR e p u l s i o nS p r i n 曲

5、o nt h ee l 鹊t i cs l 【i nm e s h T h eE R Si su s e df o rp r e V e n t i n gt I l ec o l l a p s eo fs l 【i n T 1 l em u s c l ei sd e f m e db yt l l em u s d ev e c t o rb a s e do nt h ec n l c i a lA U si nt h eR C S ，a n dt h es l 【i nm c s hw i d i V i d ei n t 0a r e a sb yt h ei n n u e n c eo ft h em u s c l e 卸dd e f i n eF F Dd e f o 聃a t i o ns p a c ca 咖n dt h 髂ea r e 舔t 0a d j u s tt h eu n r e a l i s t i cd c f 0 珊a t i o n 1 1 l em u s c l ei sc l a s s i f i e di n t o3t y p

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8、c f o 珊a t i r a t et os e ei fn e e dt ou s et l l eF F l )l O c a ld e f b 皿a t i o n T h r o u 曲t h e3 Df a c i a l 锄i m a t i o ns y s t e m ，w es e eab e n c rp m o f n et h e s i si n t e 笋a t e sm a n yo ft h em e t h O d Sb c f b r c o 盯m o d e lh a sf c w e rp a r a m e t e r s ，a n de 踮i l yt om a I l i p u l a t e ，s u i t ef o fq u i c km o d e l i n gb u tn o ts oa c c l l r a cy K e y w o r d s ：f a c i a lm o d e l ，m u s c l e ，d e f o m a t i o n ，p a r 唧e t e r i z e d ，F F D浙江

9、大学硕士学位论文第一章绪论1 1 论文背景与研究意义本课题来源于2 0 0 4 年浙江省科技计划项目“计算机辅助眼镜设计系统”( 2 0 0 4 E 2 0 0 7 ) 。本论文完成眼镜虚拟试戴与展示子系统的相关研究，该子系统包括静态展示与动态展示两部分，其中静态展示为在3 D 人头模型试戴眼镜模型，动态展示是在简单的人脸表情动画过程中展示眼镜，系统框架如图1 1 所示，其中粗体部分为本论文的工作。信息符殚横块疆镜适配模块 厂I _ ：r o _ j o L _ 竺竺竺竺f 吨竺竺! 苎i _ _ 试戴人脸表情动画模块图1 1 系统框架图除了项目需要，人脸表情动画的研究还有其他重大意义。因为人脸传递着人类最广泛的信息，如情感、精神状态等，虽然每个人脸的特征很相似，但却有不同的表情特征，于是成为计算机视觉与计算机图形学中重要的研究领域，相关的研究领域包括人脸建模、人脸跟踪、人脸识别、人脸表情动画、虚拟人、数字人等。自从第一个三维人脸表情动画有P a r k e 在1 9 7 2 年创建出来，人们无不在使用各种方法使人脸的动画更加的细致，更加逼真。1 9 9 0 年人脸表情动画技术得到突飞猛进的发展，“玩具总动员”、“怪物s h r e c k ， 、“最终幻想”等一系列大型动画电影出世，取得巨大的成功。尽管如此，人脸表情动画仍旧不是一件容易的事情，仍需要我们不断深入研究。浙江大学硕士学位论文除了在产品展示、影视动画等应用外，还有其他一些应用领域，如：( 1 )虚拟主持人。随着I n t 啪e t 的迅速发展，虚拟主持人成为计算机视觉和图形学热门研究课题之一。现在结合语音技术的虚拟气象预报员已经能够2 4 小时为人们播报气象信息。虚拟导游和虚拟老师已经逐渐被人们所接受。( 2 )远程视频通信。直接传输视频图像在现有的网络带宽下不仅不现实，也不必要。很多视频压缩算法借助人脸造型和动画的技术能够快速压缩人脸的视频信息，使其适合在网络上传输。( 3 )虚拟手术。在医疗中，医生可以用人脸造型技术让病人提前感受手术的效果，如：整容、美容等。病人和医生可以借助这项技术将自己的想法直接展现在对方面前。1 - 2 人脸表情动画的难点在计算机技术飞速发展的今天，要想用计算机快速、逼真地模拟人

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