動(dòng)漫人物頭部插件研究與淺析

朱弘

摘要：隨著電腦互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)字電視和移動(dòng)通信等技術(shù)的日益成熟，我國(guó)的動(dòng)漫游戲產(chǎn)業(yè)，迎來(lái)了快速發(fā)展的春天。動(dòng)漫和游戲行業(yè)的迅猛發(fā)展，帶來(lái)的是對(duì)于精英從業(yè)人員的大量需求，因此人物基本建模也就成了該行業(yè)的敲門磚。本文對(duì)動(dòng)漫人物頭部插件進(jìn)行了研究與探討。

關(guān)鍵詞：MAX Script ?動(dòng)漫建模 ?運(yùn)動(dòng)單元（AU） ?人物頭部

隨著電腦互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)字電視和移動(dòng)通信等技術(shù)日益成熟，極大地推動(dòng)了以動(dòng)漫、游戲和電影為代表的數(shù)字化動(dòng)畫產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2010年全球數(shù)字化動(dòng)畫類相關(guān)產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)值已達(dá)4228億美元，而與動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)相關(guān)的其它周邊衍生的產(chǎn)品總產(chǎn)值在7000多億美元以上，從全球動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)發(fā)展的比較好得國(guó)家（如美國(guó)、日本、法國(guó)等）來(lái)看，動(dòng)漫及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展成為龐大產(chǎn)業(yè)群。

我國(guó)的動(dòng)漫游戲產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)迎來(lái)了快速發(fā)展的春天，國(guó)家政府機(jī)關(guān)也在大力推進(jìn)動(dòng)漫游戲產(chǎn)業(yè)的發(fā)展：文化部、國(guó)家廣電總局和新聞出版總署已經(jīng)下發(fā)了《關(guān)于國(guó)家動(dòng)漫精品工程申報(bào)工作的通知》，財(cái)政部、海關(guān)總署、國(guó)家稅務(wù)總局印發(fā)了《動(dòng)漫企業(yè)進(jìn)口動(dòng)漫開發(fā)生產(chǎn)用品免征進(jìn)口稅收的暫行規(guī)定》，文化部繼續(xù)開展動(dòng)漫企業(yè)認(rèn)定工作。近年來(lái)，文化部先后實(shí)施了“原創(chuàng)動(dòng)漫扶持計(jì)劃”和“原創(chuàng)動(dòng)漫推廣計(jì)劃”，對(duì)經(jīng)認(rèn)定的動(dòng)漫企業(yè)實(shí)施減免稅收等優(yōu)惠政策，這些政策的發(fā)布持續(xù)發(fā)揮著政策的推動(dòng)效應(yīng)和扶持作用。文化部文化產(chǎn)業(yè)司司長(zhǎng)劉玉珠表示，政府部門要通過(guò)制定國(guó)家統(tǒng)一的、長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展規(guī)劃和配套的扶持政策，來(lái)確保整個(gè)動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)健康有序的發(fā)展。動(dòng)漫和游戲行業(yè)的迅猛發(fā)展，帶來(lái)的是對(duì)于精英從業(yè)人員的大量需求，動(dòng)畫角色設(shè)計(jì)師、3D設(shè)計(jì)師、平面設(shè)計(jì)師都已成為現(xiàn)今的職場(chǎng)新貴，但因相關(guān)技術(shù)的要求能達(dá)這一水平的僅僅是很少的一部分人，其中人物基本建模也就成了該行業(yè)的敲門磚。

這里針對(duì)數(shù)字動(dòng)畫產(chǎn)業(yè)動(dòng)漫制作行業(yè)中的職業(yè)角色建模師而言，優(yōu)秀的三維建模設(shè)計(jì)結(jié)合高效率的制作水準(zhǔn)已經(jīng)成為提高動(dòng)漫企業(yè)運(yùn)營(yíng)利潤(rùn)最大的因素。在動(dòng)漫三維模型中人物建模占據(jù)了近一半的份額，其中動(dòng)漫人物頭部的制作是整個(gè)模型的重點(diǎn)和難點(diǎn)，它的好壞直接影響到整個(gè)作品后期的動(dòng)畫制作，模型師在建模工程中大部分時(shí)間都浪費(fèi)在塑造人物頭部特征上。如何快速地完成并設(shè)計(jì)出具有人物個(gè)性和特征的頭部模型已成為制約動(dòng)漫制作產(chǎn)業(yè)效率的瓶頸，嚴(yán)重影響了模型建立的速度和效率，加大了企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本。

1 研究現(xiàn)狀

當(dāng)今行業(yè)與市場(chǎng)上最流行也使用最廣的人物建模軟件，主要是以Facegen和Poser、ZBrush三大軟件為主，還有面像一般群體的帶有個(gè)人娛樂(lè)性質(zhì)的Matic.Facial.Studio插件和Designer建模軟件。

1.1 Poser軟件

Poser Pro又俗稱“人物造型大師”，它的內(nèi)容庫(kù)和pre-rigged characters可為專業(yè)藝術(shù)家和制作團(tuán)隊(duì)節(jié)省許多的創(chuàng)作時(shí)間和資源[1]。Poser為用戶提供了大量的人體三維模型，并在其官方網(wǎng)站上還提供人體庫(kù)的下載支持，用戶使用人體模型可輕松快捷地設(shè)計(jì)人體造型和動(dòng)作，免去了人體建模中的繁瑣工作。Poser的人物模型紋理和相關(guān)的動(dòng)畫，可以將它們導(dǎo)出到其它三維制作與設(shè)計(jì)軟件中，如Maya和3ds Max等。軟件如圖1所示。

1.2 Facegen軟件

Facegen軟件是一個(gè)獨(dú)立的軟件，操作簡(jiǎn)單能夠?qū)崟r(shí)交互調(diào)整：有著數(shù)百個(gè)頭可調(diào)參數(shù)，在60多個(gè)子模塊[4]，包括種族、性別、年齡、善惡調(diào)整模塊等，還可以調(diào)整眼睛與嘴等其它臉部器官地表情，直接輸出標(biāo)準(zhǔn)格式的多邊形模型、紋理坐標(biāo)和紋理貼圖，其結(jié)果也可以直接使用三維軟件，包括3ds Max、Maya、Softimage的XSI等軟件。但其有明顯不足，如設(shè)置的參數(shù)太多，表情相關(guān)復(fù)雜，參數(shù)值的定義與其它三維軟件有偏差。如圖2所示。

1.3 ZBrush軟件

ZBrush是現(xiàn)今最新三維軟件，它讓設(shè)計(jì)師自由的制作角色模型，如我們小時(shí)候玩陶土一樣可以隨心所欲的捏出各種造型，它讓設(shè)計(jì)師可以將重心轉(zhuǎn)移到設(shè)計(jì)上而不是三維制作上，而且ZBrush提供了很多細(xì)膩的筆刷，可以用來(lái)塑造出很多以前對(duì)于其它三維軟件很難做到的效果，如皺紋、發(fā)絲、青春痘等。但ZBrush對(duì)于制作者的藝術(shù)水準(zhǔn)要求很高，不適合大型公司與批量化地制作。（圖3）

2 當(dāng)前研究存在的主要問(wèn)題及設(shè)計(jì)構(gòu)想

現(xiàn)今動(dòng)漫中人的頭部特征模塊數(shù)據(jù)過(guò)于詳細(xì)，無(wú)法滿足越來(lái)越快的市場(chǎng)需求，也是現(xiàn)在動(dòng)漫制作人現(xiàn)實(shí)中遇到的主要問(wèn)題，它制約模型構(gòu)建速度，增加了調(diào)整過(guò)程中的工作量，增加了企業(yè)負(fù)擔(dān)?，F(xiàn)在市場(chǎng)與行業(yè)中需要一種能夠以精簡(jiǎn)的頭模塊集成，可以快速創(chuàng)建、靈活調(diào)整動(dòng)漫人物模型軟件或插件，本文就是從這個(gè)大需求入手，提出一種人物頭部快速建模的解方案。

何為快速的頭部建模，筆者認(rèn)為它主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

①如何精簡(jiǎn)動(dòng)漫中的人物頭部依賴于數(shù)據(jù)源模塊的設(shè)計(jì)應(yīng)用到模塊，這些模塊形成頭部的表情。

從不同人種對(duì)象表象特征和快速建模的要求，依照面部動(dòng)作編碼系統(tǒng)（Facial Action Coding System，F(xiàn)ACS）的相關(guān)理論將人頭部分分為44個(gè)基本控制點(diǎn)[5]，結(jié)合肌肉運(yùn)動(dòng)可以將基本控制參數(shù)有機(jī)分到頭部的各個(gè)構(gòu)造部分上并每個(gè)部分設(shè)定具體可調(diào)節(jié)子系統(tǒng)。具體上來(lái)分，我們將動(dòng)漫人物頭部分為前額、頭下半部分、眼睛、鼻子、嘴巴、耳朵六個(gè)子系統(tǒng)組成。其中額頭系統(tǒng)包括總參數(shù)、額頭的大小、角度和X軸Y軸的方向;頭下半部分子系統(tǒng)包括臉頰、下巴、額頭、頸部子系統(tǒng);眼部子系統(tǒng)設(shè)置了位置、尺寸、隆起、形狀參數(shù);耳朵子系統(tǒng)主要反映在高低位置，與角度的變化;鼻子的子系統(tǒng)中更多強(qiáng)調(diào)作鼻子形狀、大小、位置;嘴巴部分子系統(tǒng)設(shè)置了位置和尺寸、上嘴唇與下嘴唇部分。如圖4所示。

②肌肉頭部模塊的移動(dòng)方向與人物劃分，使用多邊形建模理論，按照肌肉運(yùn)動(dòng)的方向，模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，合理安排。

頭部建?？梢砸罁?jù)肌肉群與肌肉群的運(yùn)動(dòng)單元來(lái)將頭部分成幾個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)又可以分成相關(guān)的功能模塊。但相對(duì)于這些模塊進(jìn)行的調(diào)整參數(shù)要如何獲取，這就依靠到頭部特征點(diǎn)提取來(lái)獲取相關(guān)調(diào)整參數(shù)。頭部特征點(diǎn)是指在人的頭部中最能體現(xiàn)頭部特征的某些位置，包括了頭部輪廓點(diǎn)和人臉的器官點(diǎn)（眼睛、鼻子、嘴巴、臉頰等器官）。所以說(shuō)，特征點(diǎn)是我們進(jìn)行人物頭部建模的關(guān)鍵信息。在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（MPEG-4）中，定義了FDP（Facial Definition Parameters）和FAP（Facial Animation Parameters）[6]兩套基本參數(shù)，其中FDP定義的是頭部的形狀、紋理等特征，而FAP定義的是相關(guān)運(yùn)動(dòng)。FDP 84個(gè)基本特征點(diǎn)，如圖5和圖6所示。

通過(guò)圖5，我們可以了解到在FDP的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，頭上部分定義了6個(gè)點(diǎn)、眼睛部分定義了22個(gè)點(diǎn)、鼻子部分定義了8個(gè)點(diǎn)、嘴巴部分定義了9個(gè)點(diǎn)、耳朵部分定義了10個(gè)點(diǎn)、其它部分定義了2個(gè)點(diǎn)。通過(guò)這些特征點(diǎn)就可以建立一個(gè)基本意思上的人的頭部，但在我們現(xiàn)實(shí)的運(yùn)用中是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。如何才能準(zhǔn)確地獲取更多的特征點(diǎn)，是三維圖像學(xué)中一直在討論的問(wèn)題。

③MAXScript語(yǔ)言，即結(jié)合以上兩點(diǎn)的理論，導(dǎo)出設(shè)計(jì)好的特征化人物模型數(shù)據(jù)，通過(guò)該語(yǔ)言設(shè)計(jì)出符合人物表情適度夸張的肌肉運(yùn)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)多模塊化的人物頭部子模塊，組成特征模塊化插件。

具體通過(guò)三維軟件將特征點(diǎn)讀入進(jìn)行重組：

第一步：將處理好的數(shù)據(jù)直接分層讀入3DMAX;

第二步：在3DMAX根據(jù)兩兩切片之間的位置點(diǎn)建立所需的立方體，通過(guò)比較每個(gè)頂點(diǎn)的值，并將檢查頂點(diǎn)的值和取定的等值面地闞值來(lái)判定切片是否相交;

第三步：決定各邊與相等面相關(guān)交點(diǎn);

第四步：在三維修改面板修改頂點(diǎn)坐標(biāo)和法向量后，畫出相關(guān)的面。

不同種族特色的頭部數(shù)據(jù)源的不同要求，本文將重點(diǎn)放在研究模塊，以適應(yīng)動(dòng)漫人物頭部，通過(guò)MAXScript語(yǔ)言編寫，將每個(gè)子模塊系統(tǒng)參數(shù)化，并能在3DMAX實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用，最后實(shí)現(xiàn)根據(jù)實(shí)際使用情況的優(yōu)化和調(diào)整。

3 小結(jié)

總之，如何快速地完成并設(shè)計(jì)出具有人物個(gè)性和特征的頭部模型，行之有效的辦法就是進(jìn)行動(dòng)漫人頭系統(tǒng)插件集成，模塊集成化的信息系統(tǒng)是設(shè)計(jì)者和制作者的需要，是實(shí)現(xiàn)模型設(shè)計(jì)與制作效率化的目標(biāo)。根據(jù)基于美國(guó)心理學(xué)家保羅·埃克曼（Paul Ekman）和弗里森（Friesen）對(duì)臉部肌肉群的運(yùn)動(dòng)及其對(duì)表情[1]的控制作用的研究，利用面部動(dòng)作編碼系統(tǒng)（Facial Action Coding System，F(xiàn)ACS），結(jié)合人臉的解剖學(xué)特點(diǎn)[7]，將動(dòng)漫人物頭部劃分成若干既相互獨(dú)立而又能夠相互聯(lián)系的運(yùn)動(dòng)單元（AU），然后分析了相關(guān)運(yùn)動(dòng)單元，根據(jù)AU的運(yùn)動(dòng)特征及其所控制的主要區(qū)域，定義相關(guān)的人物頭部的表情和姿態(tài)。

從模塊集成方面而言，該插件系統(tǒng)集成了人物頭部特征數(shù)據(jù)，或者說(shuō)該系統(tǒng)集成的實(shí)質(zhì)就是人頭特征數(shù)據(jù)的集成，是標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的信息資源管理，只有在這個(gè)基礎(chǔ)上才能建立和運(yùn)行模塊集成化的插件系統(tǒng)。通過(guò)人頭特征數(shù)據(jù)集成可以較好地協(xié)調(diào)和解決各子系統(tǒng)間的聯(lián)系問(wèn)題，提高模塊數(shù)據(jù)的通用性，從而提高人頭插件系統(tǒng)的擴(kuò)展性、伸縮性，便于插件系統(tǒng)分擔(dān)3DMAX系統(tǒng)負(fù)載，提高模型師的設(shè)計(jì)與制作效率。因此，為了完成該插件系統(tǒng)，必須首先進(jìn)行人物頭部數(shù)據(jù)采集分析，而且在設(shè)計(jì)該插件系統(tǒng)過(guò)程中，人物頭部特征數(shù)據(jù)集成的完成情況將直接關(guān)系著整個(gè)插件系統(tǒng)的模塊集成化質(zhì)量。

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