數字娛樂視角下情緒化虛擬人的快速面部動畫設計

張 耀

（蘇州工業園區服務外包職業學院,江蘇蘇州 215123）

隨著互聯網事業的不斷發展壯大，數字娛樂產業的出現已成必然。數字娛樂是指通過卡通、動畫、動漫、網絡游戲等運用數字技術開發，具有娛樂功能的產品。具體涉及內容包括數字移動平臺、互聯網、動漫、動畫、網絡各種類型游戲、出版制品、影音數字、數字化教育等許多行業領域。而作為數字娛樂的其中之一分支——動畫領域，也在這一大背景下得到了迅速的發展。為了跟上新時代數字娛樂產業迅猛發展的步伐，本文試圖以情緒化虛擬人的面部動畫設計為主題，從三個方面進行探討。

一、虛擬人頭部模型的一般化設計

虛擬人頭部模型的一般化設計，就是要設計一個數據量小且結構完整的三維頭部模型。它經過兩個發展階段：

1.從建模軟件中導出經過簡化并去除了面部網格后的模型和Candide-3標準模型合成通用模型。該簡化模型的眉毛、嘴巴、眼睛等細節均一一保留。然后再將簡化模型的面部網格去掉，經過對來自兩個模型的不同坐標系作統一處理后，將剩下部分與標準的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，構建具有完整性的虛擬人頭部網格模型。要達到這個目標需要經過兩個步驟。

（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構比較完美，但存在諸如沒有眼球的眼部結構模型現象，這會給后面眼瞼的動畫設計帶來了障礙。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信息，利用Bezie曲線對眼瞼進行建模。由于眼球是個不規則的球形，要想將兩個半徑不同的球結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）對牙齒進行建模“一.1”中的通用三維頭部網格模型面部表情可以在理論上十分接近人類頭部，但經過紋理處理后，卻是張開嘴巴卻沒有牙齒，這說明該模型的結構并不完整。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置八顆牙齒。經過眼瞼、眼球及牙齒模塊的整合，一個接近真人頭部結構的、完整的虛擬人頭部網格模型就形成了。

二、虛擬人頭部模型的個性化設計

所謂虛擬人頭部模型的個性化設計，可采用ASM算法從照片提取人臉特征信息調整，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，使其可以體現出人臉所具有的個性化特點。

2.虛擬人完整的頭部網格模型，雖然能夠比較完整地體現頭部的結構，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據的不同，要想經過整合的三維頭部網格模型與照片中的人臉相仿是很困難的，必需要對標準網格模型的坐標體系和圖片坐標體系進行調整，并將這些圖片特征點轉換成模型坐標系下的點。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整，才能使后腦勺模型和個性化的面部模型無縫對接。經過調整眼瞼、眼球等部位點坐標，才能最終得到一個調整后的、具有個性化特征的頭部三維網格模型。

三、虛擬人面部動畫表情的合成設計

合成設計可以分為三部分：（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“二.2”調整后的面部、眼球和后腦勺等特定模塊模型紋理貼圖；（3）結合MPEG-4數據調整虛擬頭部模型，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、從設計藍圖出發的紋理合成以及連續行為紋理合成。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局限性、煩瑣性，提高模型的細節與功能，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，將相關的紋理圖像貼到頭部模型的相關表面，使相關部位呈現出紋理細節的特征，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，由于人臉的結構比較的復雜，面部各種器官比較多，可采取構建特定模型與紋理坐標的點對應——頂點與計算模型坐標對應——面部模型點與坐標點匹配繪制的步驟，使紋理的貼圖與模型對應的頂點一體化，避免錯貼出現的風險。

（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，因為后腦勺結構沒有面部那么復雜，可在不考慮頭發的情況下，可以認可與后腦勺的皮膚，具有相同性質。因此，實驗研究中，截取小塊紋理將其用作貼圖紋理構建的樣本，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建出后腦勺一個完整的、有效的紋理貼圖，會呈現出一個具有真實感的頭部模型。

3.虛擬人臉部的動畫構建

（1）立足于醫學視角看，人體是具有復雜性的一個機體。尤其是人類具有639塊肌肉，這些復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上，利用肌肉在協同作用下的整體性和統一性，針對人類面部表情豐富肌肉進行人臉部動畫的虛擬構建合成。由點和三角面片虛擬人的頭部網格模型，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，既可單獨發揮也可協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

根據解剖力學知識，人的面部表情動作DV與人臉面部的相關肌肉相匹配可以產生六種基本表情。比如，要“上演”悲傷的表情可在顴主肌、降下唇肌、內外額肌、眼輪匝肌的協同作用下完成；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的協作建構而成。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）。根據調整幅度產生變化。

表1 六大基本表情的DV組合

從上述可見，根據表1中動作單元和不同表情的研究闡釋，與動作單元相應的人臉模型進行調整，使其頂點與坐標點完全重合，生成更具有生動化的六大人臉基礎表情。

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

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