虚拟角色脸部模型的构建方法

金 益

(苏州市职业大学 计算机工程系，江苏 苏州 215104)

虚拟角色是虚拟场景中非常重要的组成部分，逼真的虚拟角色可广泛应用于人机交互、游戏、影视制作、军事训练等领域.虚拟角色建模技术涉及计算机图形学、虚拟现实、人工智能、运动学与动力学、认知心理学等多个交叉应用学科，是一个综合性的新的研究领域[1].虚拟角色建模包括建立角色的表面模型和骨骼模型，虚拟角色的构建包括角色外观、角色表情、角色动作的构建.角色外观可通过MAYA、3DMAX等软件来制作，角色外观设置完成后便可创建角色表情库和角色动作库.角色的表情制作是依据剧本和角色性格来构建不同的表情以使动画角色活灵活现、充满生机.

首先介绍基于传统经验的虚拟角色脸部模型构建方法，而后介绍了一种基于样本插值的角色脸部模型的构建方法，最后在视觉可信度和生成人物表情两个方面进行比对研究，在比较两种方法的差异后，得出后者更适合应用于虚拟角色表情建设中.

1 基于传统经验的虚拟角色脸部模型构建

20世纪90年代以来 ，基于传统经验的虚拟角色脸部建模技术成为角色脸部建模与表情生成的主要研究方向，代表技术有基于多角度脸部图像建模技术，如Pighin[2]提出的基于图像建模与绘制技术.基于图像的方法首先需要对真实人脸进行不同角度的拍照，最简单的是采用人脸的正面和侧面图像.Pighin方法根据事先选定的人脸特征点，用手工方式在人脸图像上标注特征点，然后以匹配特征点和特征线的方式变形一张三维人脸网格模板以获得特定人脸[2].在获得同一人脸不同表情的图像前提下，Morphing方法利用全局和局部人脸区域(网格顶点和纹理同时)方法，生成可信度较高的各种表情.

另外一种传统方法是基于多边形表示给出了一种参数化的人脸模型[3].基于一组参数值，该模型可以变形产生各种脸部表情，即实现了脸部表情的参数化生成.根据简化的解剖学知识，提出了一种基于肌肉物理特性的人脸模型，通过设定一组肌肉的拉伸和收缩系数，控制脸部顶点位移生成人脸表情.

2 基于样本插值的虚拟角色脸部模型构建

因为基于多张不同侧面图像的人脸建模方法人工干预较多，同时对人脸模型缺乏有效的参数化控制手段，为此Blanz[4]提出了基于三维人脸样本数据库生成三维人脸模型的方法.该方法使用三维激光扫描仪采集并建立三维人脸样本数据库.为能在各样本间实现插值运算，该方法将三维人脸模型柱面展开成二维图像，然后基于2D光流运算建立一致性对应关系.所谓样本间的一致性对应关系是指插值运算的各样本具有相同的顶点数量和相同的顶点连接关系.经PCA数据降维后，基于线性插值即可生成新的虚拟人脸.为生成真人人脸模型，对于输入的一张二维人脸图像，通过最小化公式(1)可以实现基于二维图像重建三维人脸几何与纹理信息.

式中:Input是给定的二维人脸图像，Imodel是根据phone光照模型计算产生的二维图像.相对传统的基于人脸图像建模技术，基于样本插值的人脸建模方法自动化程度高且视觉效果好.在模型的直观控制和参数化修改方面，基于样本插值的虚拟人脸建模方法可以根据每个样本事先标注的某一社会学属性值 如年龄、胖瘦等，生成该属性的特征向量.以后对一给定的虚拟人模型，只需线性增减该特征向量，即可得到根据该属性调整后的高可信度虚拟人模型[5].

3 两种方法比较

在视觉可信度方面，基于传统经验的方法主要是通过视觉方法计算和恢复人脸特征点的三维信息，并修改一般三维人脸模型建立特定三维人脸.其优势在于建模过程相对简单，人脸数据容易获得，真实感好.缺点在于人工介入程度较高，特征点指定误差大.基于样本插值方法优势是明显的，因为数据来源于大量真实模型的测量采样结果，显得更为真实可靠，但是缺点在于工作量大，速度相对较慢.

图1 基础造型

在生成各种人物表情方面，基于传统经验的方法创新之处在于提供了一种简便易行的方法用于获取真实人脸的三维网格模型.因为人脸表情生成的复杂性，基于传统经验的方法使用的是简化人脸解剖模型，所以产生的表情呆板生硬，与真实感的要求相差甚远.相比之下，基于样本插值方法的关键是能建立三维人脸样本数据库.人类所能产生的所有面部表情怒、厌、怕、喜、哀、惊可以被归纳为6个“基础造型”(basic poses and shapes).这6个基础造型连同三维人脸样本数据库能组合出任何一种人类表情(见图1).这对建立“虚拟角色特征库”也是一个重大的启发.所以，基于样本插值的方法在获取逼真的人脸表情上更具有优势.

但是后一种方法的缺点是无法生成类似皱纹的脸部细节，而突破就在于建立的三维人脸样本数据库采用全新的面部信息记录系统.系统由数个摄像机组成，专门拍摄人脸.两个摄像机能得到立体信息，而数个摄像机加在一起则能得到更为精确的空间信息.通过库中的基础表情，能够组合演变出任何可能产生的表情，这种技术被称为“情绪捕捉”(emotion capture)[6].

4 结 论

虚拟角色建模技术是一门综合性强、充满挑战的前沿学科，是一门把科学与艺术、现实与抽象融为一体的技术.其中获取虚拟角色逼真的面部表情更具有广泛的应用前景和商业价值，特别是在计算机动画电影的制作中.

从上述两种技术路线的比较中，可以得出基于样本插值的方法在获取逼真的人脸表情上更具有优势的结论.目前，由于人体本身的复杂性以及计算资源的有限性，受各个相关学科研究发展状况的制约，虚拟角色建模技术仍然存在许多需要解决而亟待解决的问题.相信在不久的将来，随着各学科研究工作的不断深人和人类对自身认识的不断完善，虚拟角色建模技术一定会取得飞跃的发展.

[1] 武春友,王士同. 软计算在虚拟角色面部表情建模中的应用[J]. 计算机工程与设计,2007,12(6):2914-2917.

[2] PIGHIN F, AUSLANDER J, LISCHINSKI D, et al. Realistic facial animation using image-based 3D morphing[R]. Technical Report UW-CSF-97-01-03,1997.

[3] 王军华,吕克志. 面向艺术与设计虚拟人技术比较研究[J]. 计算机系统应用,2009(5):125-127.

[4] BLANZ V, VETTER T. A morphable model for the synthesis of 3D faces[C]//In Computer Graphics Proc. SIGGAPH’ 99, Los Angeles, California: IEEE Computer Society Press, 1999:187-194.

[5] 武春友,王士同. 交互式进化计算在虚拟角色表情建模中的应用[J]. 计算机应用,2007,27(3):724-725.

[6] 薛为民. 基于Agent的虚拟人情感交互建模技术研究[J]. 北京联合大学学报,2005,19(2):66-69.