基于彈性形變原理的人臉卡通動畫系統設計

黃曉瑜

摘? 要： 針對現有人臉卡通動畫設計系統實現復雜度高、圖像還原不精確的問題，文中設計基于彈性形變原理的人臉卡通動畫系統。利用Candide?3建模平臺對采集到的原始人臉圖像進行建模，并根據提取到的人臉特征進行匹配，以獲取相應的器官模型。在該模型的基礎上，基于彈性形變原理實現人臉卡通圖像的生成以及表情的變化。測試和實現結果表明，文中所設計的系統利用OpenGL平臺對人臉圖像進行圖像渲染，生成具有高還原度的人臉卡通動畫，且系統對硬件要求較低，適用于大多數應用場景。

關鍵詞： 人臉卡通動畫系統; 彈性形變; 人臉圖像建模; Candide?3建模平臺; 特征匹配; 系統測試

中圖分類號： TN911.73?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）08?0128?04

Design of face cartoon animation system based on elastic deformation principle

HUANG Xiaoyu

（College of Information Science and Technology， Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China）

Abstract： A face cartoon animation system based on elastic deformation principle is designed to solve the problem of high complexity and image restoration that the existing face cartoon animation design system cannot deal with. In the designed system， the candide?3 modeling platform is used to modeling the acquired original face images， and match the extracted face features， so as to obtain the corresponding organ modelsing. The generation and expression changes of face cartoon image are realized based on this model and the principle of elastic deformation. The testing and implementation results show that the proposed system renders face images by the OpenGL platform， and generates face cartoon animation with high degree of reduction. The system has low hardware requirements and is suitable for most application scenarios.

Keywords： face cartoon animation system; elastic deformation; facial image modeling; Candide?3 modeling platform; feature matching; system test

0? 引? 言

人臉卡通動畫技術在虛擬現實技術、刑事案件追蹤、醫學輔助治療等方面均具有重要的意義[1?2]，因此近年來得到了廣泛的應用。人臉卡通動畫技術主要涉及兩方面，即人臉建模和模擬人臉動畫。人臉建模要考慮人臉各個器官的形狀和搭配，而模擬人臉動畫更要結合人臉的動作表情，難度較大。因此，成為研究的熱點[3?4]。

在現有的人臉建模研究成果中，基于幾何建模和圖像處理的方法得到了廣泛的研究。基于幾何建模的方法主要是為了對人臉進行建模[5?6]。利用參數化的人臉建模方法，可以實現人臉的二維以及三維建模處理，常用的人臉建模模型主要是Candide人臉模型[7]。在人臉建模的基礎上，可以集合線性形變方法實現人臉表情的變換，從而獲得更為精確的人臉模型[8]。基于圖像學的方法主要利用參數化方法，通過表情匹配、顏色選擇、圖像渲染等方法實現人臉圖像到卡通動畫的轉變。常用的人臉圖像處理方法有：Morphing方法、表情編碼方法等[9]。結合幾何建模以及圖像處理方法，可以有效實現人臉卡通動畫的設計。

考慮到人臉卡通動畫設計的實際需求，本文設計了基于彈性形變原理的人臉卡通動畫設計系統。利用Candide?3模型對人臉進行建模，通過圖像采集和特征提取，將人臉數據庫與形變模型進行匹配以生成卡通人臉。結合彈性形變原理與圖像處理技術，對卡通人臉進行表情變換和圖像渲染，可以得到較高真實度的人臉卡通動畫，可以有效應用于各個領域，所設計系統實現簡單，具有一定的工程應用價值。

1? 技術基礎

1.1? 系統原理

人臉卡通動畫系統原理結構如圖1所示。將人臉采集數據進行特征檢測和特征提取，并在人臉圖像庫中進行匹配，獲得相應的人臉器官數據，生成初始的卡通人臉[10]。在此基礎上，將彈性形變模型與人臉圖像庫進行匹配，以對生成的卡通人臉進行變形處理，并經過圖像處理模型，生成最終的人臉卡通動畫。

根據人臉圖像特征提取結果進行匹配，選擇相應的卡通器官數據并進行組合。卡通人臉模型主要包括頭型和人臉兩個部分，其中人臉又可細分為眉毛、眼睛、鼻子、嘴巴以及臉型等部分，每一個部分又包含若干細節。定義人臉動畫參數單位 （Facial Animation Parameter Units，FAPU），則人臉器官包含的動畫參數如表1所示。

1.2? 人臉圖像彈性形變原理

對人臉圖像進行變形，以生成各種卡通表情。本文采用彈性形變方法對人臉數據進行處理，利用BFM人臉庫可以生成新的人臉表情向量，如下：

式中：[Xid]是人臉訓練結果;[αid]是彈性形變系數。利用彈性形變方法，構建的人臉模型偏移量的主成分可以表示為：

式中：[Xexp]是帶表情的人臉模型偏移量;[αexp]是人臉表情偏移系數。將式（1）和式（2）合并，可以獲得基于彈性形變模型的人臉卡通模型，如下：

利用彈性形變方法可以實現無約束條件下的人臉表情變化，生成更為精確的人臉模型。此外，還可以對表情進行定量控制。

根據彈性形變方法生成人臉模型，需要計算相應的形變系數。而模型匹配就是求解系數的過程，可以利用人臉圖像與二維圖像對象的顏色信息誤差來進行模型匹配，最優化模型可以表示為：

通過最小化式（4）中的優化模型，可以實現模型匹配，確定人臉卡通模型中的彈性形變系數與人臉表情偏移系數，生成人臉卡通圖像數據。

2? 系統總體架構及模塊設計

2.1? 系統架構

本文所設計的基于彈性形變原理的人臉卡通動畫設計系統，主要分為3個部分：人臉采集、形變模型處理以及圖像處理，具體如圖2所示。

1） 人臉采集。人臉采集模塊主要負責原始人臉數據的收集及預處理，包括圖像采集和特征點檢測。通過對采集的原始人臉數據的特征定位，實現人臉器官的識別與匹配，根據需要生成二維或三維的人臉圖像數據。

2） 形變模型處理。形變模型處理模塊包括形變模型和模型匹配兩部分，基于彈性形變原理對人臉圖像數據進行形變處理，生成卡通表情，將根據形變模型與人臉圖像數據進行模型匹配。

3） 圖像處理。圖像處理模塊包括動畫設計和圖像渲染，主要負責實現人臉圖像數據到卡通動畫數據的轉變。并對動畫進行圖像渲染，增強圖像效果。

2.2? 卡通動畫處理

在彈性形變生成人臉模型之后，需要利用圖像處理技術生成動畫，具體過程如圖3所示。

圖像載入模塊利用攝像頭拍攝或者從本地圖片導入獲得原始的人臉圖像數據，并利用Candide?3對圖像數據進行建模，將建模后的圖像進行圖像渲染出來。圖像渲染利用OpenGL平臺實現，并將渲染后的圖像經過I/O處理傳遞給動畫生成模塊。根據前期提取的人臉特征，匹配相應的表情動畫庫，并利用FreeImage平臺實現關鍵幀的插入。最后，將生成的人臉動畫以工程文件或者GIF動畫的形式進行存儲。

在圖3中的圖像渲染部分，利用OpenGL平臺實現，其具體的模型如圖4所示。

圖像渲染主要是對圖像的配色進行處理，首先對載入的原始人臉圖像數據進行顏色匹配，確定初始顏色。在初始配色后，利用圖像回旋技術，實現顏色第一次重構處理。并對顏色矩陣進行操作，查找相應的顏色，實現有顏色的第二次調整。在顏色選擇結束后，通過柱狀圖計算以及最大最小計算方法，實現顏色邊界的處理，從而實現最終的人臉圖像渲染。

3? 系統實現

人臉卡通動畫設計系統主要采用Visual 2010和Matlab 2015b工具以及OpenGL進行開發，對軟硬件沒有特殊的要求。由于OpenGL可以跨平臺提供程序圖像接口，因此具有較好的可移植性，且支持多種語言。系統實現界面如圖5所示。

在將人臉圖像數據加入系統后，需要進行人臉特征檢測。并將檢測后的結果展示在界面中，以便于更直觀地檢查特征檢測結果，圖6為人臉特征檢測系統界面。

4? 系統測試與數據分析

圖7為人臉數據原圖，在對其進行人臉特征檢測之后，通過彈性形變原理進行變形處理，生成的人臉動畫表情如圖8所示，可以明顯改變人臉的表情。

在產生人臉數據形變圖后，可以利用人像投影技術進一步生成卡通人臉數據。利用本系統生成的人臉卡通數據的投影誤差如表2所示。

由表2中可以看出，本文所設計系統生成的人臉數據投影誤差比現有算法要低，且針對不同人臉數據均有較好的適用性。通過人臉表情形變處理結果和人臉卡通投影測試的結果，證明了本文所設計系統的有效性。

5? 結? 語

為滿足人臉卡通動畫設計系統的研究需求，本文設計了基于彈性形變原理的人臉卡通動畫設計系統。整個系統劃分為3個模塊，分別從人臉數據采集、彈性形變算法設計和卡通動畫圖像處理3個方面對系統進行設計。利用Candide?3模型對人臉進行建模，獲取原始的人臉采集數據，并基于彈性形變原理對人臉采集數據進行變形，得到卡通人臉圖像，最終利用OpenGL平臺實現圖像渲染，生成人臉卡通動畫。本文所設計的人臉卡通動畫設計系統可以得到較高還原度的人臉卡通動畫，且對硬件支持要求較低，具有良好的工程應用價值。

參考文獻

[1] KIM M， PONS?MOLL G， PUJADES S， et al. Data?driven physics for human soft tissue animation [J]. ACM transactions on graphics， 2017， 36（4）： 1?12.

[2] ZHOU J R， CAMPEN M， ZORIN D， et al. Quadrangulation of non?rigid objects using deformation metrics [J]. Computer aided geometric design， 2018（7）： 339?352.

[3] VOUGA E， SMITH B， KAUFMAN D M， et al. All's well that ends well： guaranteed resolution of simultaneous rigid body impact [J]. ACM transactions on graphics， 2017， 36（4）： 1?19.

[4] 靳宏偉.基于形變模型的多視圖人臉圖像的三維重建[D].西安：西北大學，2018.

[5] 伍菲.結合人臉表情和變形技術的人臉卡通動畫系統設計與實現[J].現代電子技術，2018，41（12）：64?66.

[6] 王娟.基于形變模型的人臉三維重構與表情傳遞的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2018.

[7] 雷騰，侯進，王獻.基于改進 Candide?3模型的眼部動畫建模[J].哈爾濱工程大學學報，2015（4）：581?586.

[8] MARAMI B， SIROUSPOUR S， GHOUL S， et al. Elastic registration of prostate MR images based on estimation of deformation states [J]. Medical image analysis， 2015， 21（1）： 87?103.

[9] LI Q D， HUA G M， HAO L， et al. Understanding the effect of plastic deformation on elastic modulus of metals based on a percolation model with electron work function [J]. JOM， 2018（7）： 1?6.

[10] 李君涵.針對視頻的人臉卡通化方法研究[D].成都：電子科技大學，2016.

[11] 王麗娜.實時分布式三維卡通動畫智能播放控制研究[J].自動化與儀器儀表，2018（8）：14?16.