[发明专利]一种三维人脸动画的制作方法

说明书

本发明属于计算机三维动画技术领域。

三维人脸动画技术起步于70年代。其后，很多研究人员在这个领域做了大量的研究工作，以期能够产生具有真实感的人脸动画，并能够实时的模拟真实人脸的各种表情和动作。但由于人脸生理结构本身的复杂性，以及人们对人脸外观的敏感性，使得达到这一目标较为困难。目前这方面的工作取得了一些进展，但是，作为实际运用的系统，它们还存在某些不足。

《美国计算机学会计算机图形专业组’95年会论文集》(ACM SIGGRAPH ’95Conference Proceedings，pp.55-62)公布的一种基于三维人脸分层模型的动画系统，其系统模型的设计十分复杂，需要大量的手工工作；在模拟人脸运动过程中，所需的计算量也非常大，难以实现实时性；且由于计算量随网格模型规模(即网格模型中网格点的数量)非线性加速增长，使得该技术的可扩放性较差。

《美国计算机学会计算机图形专业组’98年会论文集》(ACM SIGGRAPH ’98Conference Proceedings，pp.55-66)公开了一种先实时跟踪预先标记在真实人脸上的大量的标志点，然后通过这些标志点的线性组合来计算三维人脸网格模型上网格点的运动的系统；该论文集的第75-84页描述了一种通过对大量手工标记的对应特征点进行线性插值来计算运动过程中网格点位置的系统。这两种系统中，运动数据的采集(跟踪标志点或标记特征点)需要耗费大量的计算或手工工作，运动的控制复杂；由于这两种系统采用的插值方法，人脸动画要获得较高的真实感，需要设置大量的标志点或特征点，工作繁重。

《美国计算机学会数学软件学报》(ACM Transactions on Mathematical Software，vol.22，col.4，pp.469-483，December 1996)提到的狄里克利自由变形算法(DFFD-Dirichlet Free-Form Deformation)在模拟三维曲面变形方面具有较好的性能。目前，这种算法主要用于三维几何实体的整体造型，尚未见被用于模拟三维人脸的运动。

本发明的目的是提出一种三维人脸动画的制作方法，在保证三维人脸动画具有较高真实感的前提下，减小系统的计算量，提高系统的实时性；减轻模型设计的工作量；简化三维人脸运动的控制；提高系统的可扩放性。

这种三维人脸动画的制作方法，其特征在于：首先获取三维人脸网格模型；然后对三维人脸网格模型进行功能区划分；根据各功能区的运动特性、以及功能区之间运动的相互影响，设计运动控制点；运用DFFD算法，计算控制点对网格模型运动的影响；最后通过驱动控制点的运动，来驱动三维人脸网格模型的运动，模拟真实的脸部运动；

所述三维人脸网格模型的获取，即采集三维人脸网格模型的数据，包括采用三维激光扫描仪扫描真实的人脸生成三维人脸网格模型、或从计算机存储设备中读取已有的三维人脸网格模型，然后用三维绘图软件包将三维人脸模型绘制在显示器上；

所述三维人脸网格模型功能区的划分，是对应于人脸主要运动器官，如鼻子、嘴巴、眼球、脸颊、额头等等，将绘制在显示器上的整个三维人脸模型划分成若干个功能区；划分时，使用计算机输入设备如鼠标拾取、或键盘输入，指定各个功能区包含的网格点和面片(即网格模型上由网格点间连线围成的多边形)；还可以对各功能区进一步的细分；

所述根据各功能区的运动特性以及功能区之间运动的相互影响设计运动控制点，是使用计算机输入设备，如鼠标拾取和拖动或键盘输入，按如下方法指定已有的网格点，或添加新的三维空间点，作为运动控制点：

根据人们对人脸运动特性的视觉直观认识，在功能区运动幅度较大的区域或几乎不发生运动的区域，设计控制该功能区运动的控制点即主动控制点；根据人脸器官之间运动的相互影响关系即器官之间的连带运动，在网格模型上对应的区域，设计控制相应功能区之间连带运动的控制点即被动控制点，作为施加这种运动影响的功能区的受控点，并作为接受这种运动影响的功能区的控制点；

所述运用DFFD算法计算控制点对网格模型运动的影响，是使用计算机计算控制点对受控点的控制系数：除眼球、牙齿功能区的运动可以用简单的刚体运动来模拟外，各个功能区分别采用DFFD算法计算功能区中每一个控制点对受控点的控制系数，这种计算可采取(1)非实时计算：预先计算各控制点对受控点的控制系数，然后在三维人脸网格模型的运动过程中，保持控制系数不变；或(2)实时计算：实时计算各控制点对受控点的控制系数，即在三维人脸网格模型的运动过程中，当某功能区中控制点与受控点的空间位置发生变化后，重新计算控制点对受控点的控制系数；