基于弹性形变原理的人脸卡通动画系统设计

黄晓瑜

摘  要： 针对现有人脸卡通动画设计系统实现复杂度高、图像还原不精确的问题，文中设计基于弹性形变原理的人脸卡通动画系统。利用Candide?3建模平台对采集到的原始人脸图像进行建模，并根据提取到的人脸特征进行匹配，以获取相应的器官模型。在该模型的基础上，基于弹性形变原理实现人脸卡通图像的生成以及表情的变化。测试和实现结果表明，文中所设计的系统利用OpenGL平台对人脸图像进行图像渲染，生成具有高还原度的人脸卡通动画，且系统对硬件要求较低，适用于大多数应用场景。

关键词： 人脸卡通动画系统; 弹性形变; 人脸图像建模; Candide?3建模平台; 特征匹配; 系统测试

中图分类号： TN911.73?34                          文献标识码： A                     文章编号： 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

人脸卡通动画技术在虚拟现实技术、刑事案件追踪、医学辅助治疗等方面均具有重要的意义[1?2]，因此近年来得到了广泛的应用。人脸卡通动画技术主要涉及两方面，即人脸建模和模拟人脸动画。人脸建模要考虑人脸各个器官的形状和搭配，而模拟人脸动画更要结合人脸的动作表情，难度较大。因此，成为研究的热点[3?4]。

在现有的人脸建模研究成果中，基于几何建模和图像处理的方法得到了广泛的研究。基于几何建模的方法主要是为了对人脸进行建模[5?6]。利用参数化的人脸建模方法，可以实现人脸的二维以及三维建模处理，常用的人脸建模模型主要是Candide人脸模型[7]。在人脸建模的基础上，可以集合线性形变方法实现人脸表情的变换，从而获得更为精确的人脸模型[8]。基于图像学的方法主要利用参数化方法，通过表情匹配、颜色选择、图像渲染等方法实现人脸图像到卡通动画的转变。常用的人脸图像处理方法有：Morphing方法、表情编码方法等[9]。结合几何建模以及图像处理方法，可以有效实现人脸卡通动画的设计。

考虑到人脸卡通动画设计的实际需求，本文设计了基于弹性形变原理的人脸卡通动画设计系统。利用Candide?3模型对人脸进行建模，通过图像采集和特征提取，将人脸数据库与形变模型进行匹配以生成卡通人脸。结合弹性形变原理与图像处理技术，对卡通人脸进行表情变换和图像渲染，可以得到较高真实度的人脸卡通动画，可以有效应用于各个领域，所设计系统实现简单，具有一定的工程应用价值。

1  技术基础

1.1  系统原理

人脸卡通动画系统原理结构如图1所示。将人脸采集数据进行特征检测和特征提取，并在人脸图像库中进行匹配，获得相应的人脸器官数据，生成初始的卡通人脸[10]。在此基础上，将弹性形变模型与人脸图像库进行匹配，以对生成的卡通人脸进行变形处理，并经过图像处理模型，生成最终的人脸卡通动画。

根据人脸图像特征提取结果进行匹配，选择相应的卡通器官数据并进行组合。卡通人脸模型主要包括头型和人脸两个部分，其中人脸又可细分为眉毛、眼睛、鼻子、嘴巴以及脸型等部分，每一个部分又包含若干细节。定义人脸动画参数单位 （Facial Animation Parameter Units，FAPU），则人脸器官包含的动画参数如表1所示。

1.2  人脸图像弹性形变原理

对人脸图像进行变形，以生成各种卡通表情。本文采用弹性形变方法对人脸数据进行处理，利用BFM人脸库可以生成新的人脸表情向量，如下：

式中：[Xid]是人脸训练结果;[αid]是弹性形变系数。利用弹性形变方法，构建的人脸模型偏移量的主成分可以表示为：

式中：[Xexp]是带表情的人脸模型偏移量;[αexp]是人脸表情偏移系数。将式（1）和式（2）合并，可以获得基于弹性形变模型的人脸卡通模型，如下：

利用弹性形变方法可以实现无约束条件下的人脸表情变化，生成更为精确的人脸模型。此外，还可以对表情进行定量控制。

根据弹性形变方法生成人脸模型，需要计算相应的形变系数。而模型匹配就是求解系数的过程，可以利用人脸图像与二维图像对象的颜色信息误差来进行模型匹配，最优化模型可以表示为：

通过最小化式（4）中的优化模型，可以实现模型匹配，确定人脸卡通模型中的弹性形变系数与人脸表情偏移系数，生成人脸卡通图像数据。

2  系统总体架构及模块设计

2.1  系统架构

本文所设计的基于弹性形變原理的人脸卡通动画设计系统，主要分为3个部分：人脸采集、形变模型处理以及图像处理，具体如图2所示。

1） 人脸采集。人脸采集模块主要负责原始人脸数据的收集及预处理，包括图像采集和特征点检测。通过对采集的原始人脸数据的特征定位，实现人脸器官的识别与匹配，根据需要生成二维或三维的人脸图像数据。

2） 形变模型处理。形变模型处理模块包括形变模型和模型匹配两部分，基于弹性形变原理对人脸图像数据进行形变处理，生成卡通表情，将根据形变模型与人脸图像数据进行模型匹配。

3） 图像处理。图像处理模块包括动画设计和图像渲染，主要负责实现人脸图像数据到卡通动画数据的转变。并对动画进行图像渲染，增强图像效果。

2.2  卡通动画处理

在弹性形变生成人脸模型之后，需要利用图像处理技术生成动画，具体过程如图3所示。

图像载入模块利用摄像头拍摄或者从本地图片导入获得原始的人脸图像数据，并利用Candide?3对图像数据进行建模，将建模后的图像进行图像渲染出来。图像渲染利用OpenGL平台实现，并将渲染后的图像经过I/O处理传递给动画生成模块。根据前期提取的人脸特征，匹配相应的表情动画库，并利用FreeImage平台实现关键帧的插入。最后，将生成的人脸动画以工程文件或者GIF动画的形式进行存储。

在图3中的图像渲染部分，利用OpenGL平台实现，其具体的模型如图4所示。

图像渲染主要是对图像的配色进行处理，首先对载入的原始人脸图像数据进行颜色匹配，确定初始颜色。在初始配色后，利用图像回旋技术，实现颜色第一次重构处理。并对颜色矩阵进行操作，查找相应的颜色，实现有颜色的第二次调整。在颜色选择结束后，通过柱状图计算以及最大最小计算方法，实现颜色边界的处理，从而实现最终的人脸图像渲染。

3  系统实现

人脸卡通动画设计系统主要采用Visual 2010和Matlab 2015b工具以及OpenGL进行开发，对软硬件没有特殊的要求。由于OpenGL可以跨平台提供程序图像接口，因此具有较好的可移植性，且支持多种语言。系统实现界面如图5所示。

在将人脸图像数据加入系统后，需要进行人脸特征检测。并将检测后的结果展示在界面中，以便于更直观地检查特征检测结果，图6为人脸特征检测系统界面。

4  系统测试与数据分析

图7为人脸数据原图，在对其进行人脸特征检测之后，通过弹性形变原理进行变形处理，生成的人脸动画表情如图8所示，可以明显改变人脸的表情。

在产生人脸数据形变图后，可以利用人像投影技术进一步生成卡通人脸数据。利用本系统生成的人脸卡通数据的投影误差如表2所示。

由表2中可以看出，本文所设计系统生成的人脸数据投影误差比现有算法要低，且针对不同人脸数据均有较好的适用性。通过人脸表情形变处理结果和人脸卡通投影测试的结果，证明了本文所设计系统的有效性。

5  结  语

为满足人脸卡通动画设计系统的研究需求，本文设计了基于弹性形变原理的人脸卡通动画设计系统。整个系统划分为3个模块，分别从人脸数据采集、弹性形变算法设计和卡通动画图像处理3个方面对系统进行设计。利用Candide?3模型对人脸进行建模，获取原始的人脸采集数据，并基于弹性形变原理对人脸采集数据进行变形，得到卡通人脸图像，最终利用OpenGL平台实现图像渲染，生成人脸卡通动画。本文所设计的人脸卡通动画设计系统可以得到较高还原度的人脸卡通动画，且对硬件支持要求较低，具有良好的工程应用价值。

参考文献

[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] 靳宏伟.基于形变模型的多视图人脸图像的三维重建[D].西安：西北大学，2018.

[5] 伍菲.结合人脸表情和变形技术的人脸卡通动画系统设计与实现[J].现代电子技术，2018，41（12）：64?66.

[6] 王娟.基于形变模型的人脸三维重构与表情传递的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2018.

[7] 雷腾，侯进，王献.基于改进 Candide?3模型的眼部动画建模[J].哈尔滨工程大学学报，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.针对视频的人脸卡通化方法研究[D].成都：电子科技大学，2016.

[11] 王丽娜.实时分布式三维卡通动画智能播放控制研究[J].自动化与仪器仪表，2018（8）：14?16.