动漫人物头部插件研究与浅析

朱弘

摘要：随着电脑互联网技术、数字电视和移动通信等技术的日益成熟，我国的动漫游戏产业，迎来了快速发展的春天。动漫和游戏行业的迅猛发展，带来的是对于精英从业人员的大量需求，因此人物基本建模也就成了该行业的敲门砖。本文对动漫人物头部插件进行了研究与探讨。

关键词：MAX Script  动漫建模  运动单元（AU）  人物头部

随着电脑互联网技术、数字电视和移动通信等技术日益成熟，极大地推动了以动漫、游戏和电影为代表的数字化动画产业的蓬勃发展。据统计，在2010年全球数字化动画类相关产业的总产值已达4228亿美元，而与动漫产业相关的其它周边衍生的产品总产值在7000多亿美元以上，从全球动漫产业发展的比较好得国家（如美国、日本、法国等）来看，动漫及其相关产业已经发展成为庞大产业群。

我国的动漫游戏产业，已经迎来了快速发展的春天，国家政府机关也在大力推进动漫游戏产业的发展：文化部、国家广电总局和新闻出版总署已经下发了《关于国家动漫精品工程申报工作的通知》，财政部、海关总署、国家税务总局印发了《动漫企业进口动漫开发生产用品免征进口税收的暂行规定》，文化部继续开展动漫企业认定工作。近年来，文化部先后实施了“原创动漫扶持计划”和“原创动漫推广计划”，对经认定的动漫企业实施减免税收等优惠政策，这些政策的发布持续发挥着政策的推动效应和扶持作用。文化部文化产业司司长刘玉珠表示，政府部门要通过制定国家统一的、长远的发展规划和配套的扶持政策，来确保整个动漫产业健康有序的发展。动漫和游戏行业的迅猛发展，带来的是对于精英从业人员的大量需求，动画角色设计师、3D设计师、平面设计师都已成为现今的职场新贵，但因相关技术的要求能达这一水平的仅仅是很少的一部分人，其中人物基本建模也就成了该行业的敲门砖。

这里针对数字动画产业动漫制作行业中的职业角色建模师而言，优秀的三维建模设计结合高效率的制作水准已经成为提高动漫企业运营利润最大的因素。在动漫三维模型中人物建模占据了近一半的份额，其中动漫人物头部的制作是整个模型的重点和难点，它的好坏直接影响到整个作品后期的动画制作，模型师在建模工程中大部分时间都浪费在塑造人物头部特征上。如何快速地完成并设计出具有人物个性和特征的头部模型已成为制约动漫制作产业效率的瓶颈，严重影响了模型建立的速度和效率，加大了企业的运营成本。

1 研究现状

当今行业与市场上最流行也使用最广的人物建模软件，主要是以Facegen和Poser、ZBrush三大软件为主，还有面像一般群体的带有个人娱乐性质的Matic.Facial.Studio插件和Designer建模软件。

1.1 Poser软件

Poser Pro又俗称“人物造型大师”，它的内容库和pre-rigged characters可为专业艺术家和制作团队节省许多的创作时间和资源[1]。Poser为用户提供了大量的人体三维模型，并在其官方网站上还提供人体库的下载支持，用户使用人体模型可轻松快捷地设计人体造型和动作，免去了人体建模中的繁琐工作。Poser的人物模型纹理和相关的动画，可以将它们导出到其它三维制作与设计软件中，如Maya和3ds Max等。软件如图1所示。

1.2 Facegen软件

Facegen软件是一个独立的软件，操作简单能够实时交互调整：有着数百个头可调参数，在60多个子模块[4]，包括种族、性别、年龄、善恶调整模块等，还可以调整眼睛与嘴等其它脸部器官地表情，直接输出标准格式的多边形模型、纹理坐标和纹理贴图，其结果也可以直接使用三维软件，包括3ds Max、Maya、Softimage的XSI等软件。但其有明显不足，如设置的参数太多，表情相关复杂，参数值的定义与其它三维软件有偏差。如图2所示。

1.3 ZBrush软件

ZBrush是现今最新三维软件，它让设计师自由的制作角色模型，如我们小时候玩陶土一样可以随心所欲的捏出各种造型，它让设计师可以将重心转移到设计上而不是三维制作上，而且ZBrush提供了很多细腻的笔刷，可以用来塑造出很多以前对于其它三维软件很难做到的效果，如皱纹、发丝、青春痘等。但ZBrush对于制作者的艺术水准要求很高，不适合大型公司与批量化地制作。（图3）

2 当前研究存在的主要问题及设计构想

现今动漫中人的头部特征模块数据过于详细，无法满足越来越快的市场需求，也是现在动漫制作人现实中遇到的主要问题，它制约模型构建速度，增加了调整过程中的工作量，增加了企业负担。现在市场与行业中需要一种能够以精简的头模块集成，可以快速创建、灵活调整动漫人物模型软件或插件，本文就是从这个大需求入手，提出一种人物头部快速建模的解方案。

何为快速的头部建模，笔者认为它主要表现在以下三个方面：

①如何精简动漫中的人物头部依赖于数据源模块的设计应用到模块，这些模块形成头部的表情。

从不同人种对象表象特征和快速建模的要求，依照面部动作编码系统（Facial Action Coding System，FACS）的相关理论将人头部分分为44个基本控制点[5]，结合肌肉运动可以将基本控制参数有机分到头部的各个构造部分上并每个部分设定具体可调节子系统。具体上来分，我们将动漫人物头部分为前额、头下半部分、眼睛、鼻子、嘴巴、耳朵六个子系统组成。其中额头系统包括总参数、额头的大小、角度和X轴Y轴的方向;头下半部分子系统包括脸颊、下巴、额头、颈部子系统;眼部子系统设置了位置、尺寸、隆起、形状参数;耳朵子系统主要反映在高低位置，与角度的变化;鼻子的子系统中更多强调作鼻子形状、大小、位置;嘴巴部分子系统设置了位置和尺寸、上嘴唇与下嘴唇部分。如图4所示。

②肌肉头部模块的移动方向与人物划分，使用多边形建模理论，按照肌肉运动的方向，模型的拓扑结构，合理安排。

头部建模可以依据肌肉群与肌肉群的运动单元来将头部分成几个相互关联的子系统，每个子系统又可以分成相关的功能模块。但相对于这些模块进行的调整参数要如何获取，这就依靠到头部特征点提取来获取相关调整参数。头部特征点是指在人的头部中最能体现头部特征的某些位置，包括了头部轮廓点和人脸的器官点（眼睛、鼻子、嘴巴、脸颊等器官）。所以说，特征点是我们进行人物头部建模的关键信息。在国际标准（MPEG-4）中，定义了FDP（Facial Definition Parameters）和FAP（Facial Animation Parameters）[6]两套基本参数，其中FDP定义的是头部的形状、纹理等特征，而FAP定义的是相关运动。FDP 84个基本特征点，如图5和图6所示。

通过图5，我们可以了解到在FDP的国际标准中，头上部分定义了6个点、眼睛部分定义了22个点、鼻子部分定义了8个点、嘴巴部分定义了9个点、耳朵部分定义了10个点、其它部分定义了2个点。通过这些特征点就可以建立一个基本意思上的人的头部，但在我们现实的运用中是远远不够的。如何才能准确地获取更多的特征点，是三维图像学中一直在讨论的问题。

③MAXScript语言，即结合以上两点的理论，导出设计好的特征化人物模型数据，通过该语言设计出符合人物表情适度夸张的肌肉运动，并实现多模块化的人物头部子模块，组成特征模块化插件。

具体通过三维软件将特征点读入进行重组：

第一步：将处理好的数据直接分层读入3DMAX;

第二步：在3DMAX根据两两切片之间的位置点建立所需的立方体，通过比较每个顶点的值，并将检查顶点的值和取定的等值面地阚值来判定切片是否相交;

第三步：决定各边与相等面相关交点;

第四步：在三维修改面板修改顶点坐标和法向量后，画出相关的面。

不同种族特色的头部数据源的不同要求，本文将重点放在研究模块，以适应动漫人物头部，通过MAXScript语言编写，将每个子模块系统参数化，并能在3DMAX实现和应用，最后实现根据实际使用情况的优化和调整。

3 小结

总之，如何快速地完成并设计出具有人物个性和特征的头部模型，行之有效的办法就是进行动漫人头系统插件集成，模块集成化的信息系统是设计者和制作者的需要，是实现模型设计与制作效率化的目标。根据基于美国心理学家保罗·埃克曼（Paul Ekman）和弗里森（Friesen）对脸部肌肉群的运动及其对表情[1]的控制作用的研究，利用面部动作编码系统（Facial Action Coding System，FACS），结合人脸的解剖学特点[7]，将动漫人物头部划分成若干既相互独立而又能够相互联系的运动单元（AU），然后分析了相关运动单元，根据AU的运动特征及其所控制的主要区域，定义相关的人物头部的表情和姿态。

从模块集成方面而言，该插件系统集成了人物头部特征数据，或者说该系统集成的实质就是人头特征数据的集成，是标准化、规范化的信息资源管理，只有在这个基础上才能建立和运行模块集成化的插件系统。通过人头特征数据集成可以较好地协调和解决各子系统间的联系问题，提高模块数据的通用性，从而提高人头插件系统的扩展性、伸缩性，便于插件系统分担3DMAX系统负载，提高模型师的设计与制作效率。因此，为了完成该插件系统，必须首先进行人物头部数据采集分析，而且在设计该插件系统过程中，人物头部特征数据集成的完成情况将直接关系着整个插件系统的模块集成化质量。

参考文献：

[1]李会云.面部表情皱纹的力学模型[D].保定：河北大学，2005.

[2]程日彬.真实感三维人脸合成技术研究[D].西安：西北大学，2006.

[3]丁宾，王阳生，杨明浩，等.从多张非标定图像重建三维人脸[J].计算机辅助设计与图形学学报，2010，22（2）：210-215.

[4]胡勇，王国胤，杨勇，等.人脸特征约束点的三维表情合成[J].计算机应用研究，2012，29（2）：754-756.

[5]潘松钦.网络游戏角色模型设计方法研究[D].西安：西北工业大学，2007.

[6]曹佳.运用DFFD与刚体运动的三维人脸造型及动画技术研究[D].广东：中山大学，2005.

[7]王奎武，董兰芳，王洵，等.基于MPEG-4的人脸变形算法的研究[J].计算机辅助设计与图形学学报，2002，14（1）：21-25.