数字娱乐视角下情绪化虚拟人的快速面部动画设计

张 耀

（苏州工业园区服务外包职业学院,江苏苏州 215123）

随着互联网事业的不断发展壮大，数字娱乐产业的出现已成必然。数字娱乐是指通过卡通、动画、动漫、网络游戏等运用数字技术开发，具有娱乐功能的产品。具体涉及内容包括数字移动平台、互联网、动漫、动画、网络各种类型游戏、出版制品、影音数字、数字化教育等许多行业领域。而作为数字娱乐的其中之一分支——动画领域，也在这一大背景下得到了迅速的发展。为了跟上新时代数字娱乐产业迅猛发展的步伐，本文试图以情绪化虚拟人的面部动画设计为主题，从三个方面进行探讨。

一、虚拟人头部模型的一般化设计

虚拟人头部模型的一般化设计，就是要设计一个数据量小且结构完整的三维头部模型。它经过两个发展阶段：

1.从建模软件中导出经过简化并去除了面部网格后的模型和Candide-3标准模型合成通用模型。该简化模型的眉毛、嘴巴、眼睛等细节均一一保留。然后再将简化模型的面部网格去掉，经过对来自两个模型的不同坐标系作统一处理后，将剩下部分与标准的Candide-3模型沿面部与后脑勺进行无缝隙对接。

2.在对头部的通用模型有机合成，构建具有完整性的虚拟人头部网格模型。要达到这个目标需要经过两个步骤。

（1）对面部Candide-3模型的眼睑进行重建。虽然通用头部模型的结构比较完美，但存在诸如没有眼球的眼部结构模型现象，这会给后面眼睑的动画设计带来了障碍。必须要进行重新建模。对于眼睑的重建，实际上就是按照Candide-3模型眼部周围点的坐标信息，利用Bezie曲线对眼睑进行建模。由于眼球是个不规则的球形，要想将两个半径不同的球结合在一起来完成建模，这里采用的方法是：眼球的瞳孔部分用半径较小的小球来模拟，半径较大的球体则模拟瞳孔外的其他部分。

（2）对牙齿进行建模“一.1”中的通用三维头部网格模型面部表情可以在理论上十分接近人类头部，但经过纹理处理后，却是张开嘴巴却没有牙齿，这说明该模型的结构并不完整。因此，可采用模拟真实牙齿模型解决问题。由于人类有28颗～32颗牙齿，其中，有四颗智齿不一定每个人都有。因而，本文在进行人面部的表情虚拟中，只在正前方的上下各设置八颗牙齿。经过眼睑、眼球及牙齿模块的整合，一个接近真人头部结构的、完整的虚拟人头部网格模型就形成了。

二、虚拟人头部模型的个性化设计

所谓虚拟人头部模型的个性化设计，可采用ASM算法从照片提取人脸特征信息调整，获取与照片人脸个体特征相同的头部模型。

1.人脸面部特征点的提取。采用ASM算法自动人面表情特征点，其优点是算法简单、提取效率相较高。人脸个性特征的确定是对人的外部轮廓、人脸面部不同器官进行确定，使其可以体现出人脸所具有的个性化特点。

2.虚拟人完整的头部网格模型，虽然能够比较完整地体现头部的结构，但是，它也存在着一定的局限性，因为每个人的脸型差异和每个人的、人脸的宽度、五官高低度等参考数据的不同，要想经过整合的三维头部网格模型与照片中的人脸相仿是很困难的，必需要对标准网格模型的坐标体系和图片坐标体系进行调整，并将这些图片特征点转换成模型坐标系下的点。此外还需对面部的特征点、非特征点和后脑勺点的点进行调整，才能使后脑勺模型和个性化的面部模型无缝对接。经过调整眼睑、眼球等部位点坐标，才能最终得到一个调整后的、具有个性化特征的头部三维网格模型。

三、虚拟人面部动画表情的合成设计

合成设计可以分为三部分：（1）运用板块纹理的拼接方法，截取面部的小块纹理组合成大块纹理，用于头部后脑勺的纹理图像；（2）对经“二.2”调整后的面部、眼球和后脑勺等特定模块模型纹理贴图；（3）结合MPEG-4数据调整虚拟头部模型，从而合成一个具有真情实感的人类动画面部表情。

1.纹理图像的合成

纹理合成由映射、从设计蓝图出发的纹理合成以及连续行为纹理合成。处理过程中，难点在于特定模型纹理后脑勺部分的纹理贴图。因此，采取先把面部小块的皮肤纹理进行大块拼接，将其作为后脑勺部位的皮肤纹理。这种方法可有效避免拼接过程出现局限性、烦琐性，提高模型的细节与功能，由此可见，采用拼接法合成纹理不仅合成速度快，而且合成质量也很好。

2.虚拟头部纹理贴图

虚拟人头部的纹理贴图主要是指，将相关的纹理图像贴到头部模型的相关表面，使相关部位呈现出纹理细节的特征，这里主要是给“2”中得到的和输入照片上的人脸，使头部模型个体特性和纹理贴图更具有真实感。

（1）虚拟人面部的纹理贴图

选择输入图片的人脸部分作为网格模型的面部纹理图像，是对虚拟人的面部进行纹理贴图的先决条件，由于人脸的结构比较的复杂，面部各种器官比较多，可采取构建特定模型与纹理坐标的点对应——顶点与计算模型坐标对应——面部模型点与坐标点匹配绘制的步骤，使纹理的贴图与模型对应的顶点一体化，避免错贴出现的风险。

（2）虚拟人后脑勺的纹理贴图

在给虚拟人的面部贴纹理时，头部模型的面部纹理图像可以从输入的二维照片上截取。而在对后脑勺部分贴纹理时，纹理图像的选择相对来说就比较简单，因为后脑勺结构没有面部那么复杂，可在不考虑头发的情况下，可以认可与后脑勺的皮肤，具有相同性质。因此，实验研究中，截取小块纹理将其用作贴图纹理构建的样本，进行后脑勺皮肤的纹理合成。在获取后脑勺纹理图像后，运用自动纹理映射进行模型构建出后脑勺一个完整的、有效的纹理贴图，会呈现出一个具有真实感的头部模型。

3.虚拟人脸部的动画构建

（1）立足于医学视角看，人体是具有复杂性的一个机体。尤其是人类具有639块肌肉，这些复杂的肌肉通过机体合作，可以完成人类各项运动，如：走、跑、跳、蹲、蹦、工作、踢球、讲话等行为运动。因此，本文在进行研究时，是立足于面部表情的基础上，利用肌肉在协同作用下的整体性和统一性，针对人类面部表情丰富肌肉进行人脸部动画的虚拟构建合成。由点和三角面片虚拟人的头部网格模型，采取运用大量的人脸面部动作进行单元DV肌肉的模拟运动，以真实化、表情化来解决问题。这些面部肌肉丰富表情，既可单独发挥也可协同作用即可合成人脸的各种表情。主要是愤怒(Angry)、恐惧(Scared)厌恶(Disgusted)、喜悦(Happy)、悲伤(Sad)和惊奇(Surprised)，六种基本表情,从而使虚拟人的面部表情变化达到了栩栩如生的地步。

（2）面部表情的合成

根据解剖力学知识，人的面部表情动作DV与人脸面部的相关肌肉相匹配可以产生六种基本表情。比如，要“上演”悲伤的表情可在颧主肌、降下唇肌、内外额肌、眼轮匝肌的协同作用下完成；要完成高兴表情的动作，可通过模拟这些肌肉的动作单元DV1、DV2、DV5、DV10、DV11的协作建构而成。基于此，其他单元的表情动作处理也可以参照下面表格完成（表1）。根据调整幅度产生变化。

表1 六大基本表情的DV组合

从上述可见，根据表1中动作单元和不同表情的研究阐释，与动作单元相应的人脸模型进行调整，使其顶点与坐标点完全重合，生成更具有生动化的六大人脸基础表情。

本文以一个标准的头部模型为基础，通过对虚拟人头部一般网格模型的设计、个性化虚拟人头部模型的设计、虚拟人面部动画表情的设计，合成了真实的虚拟人六大基本表情。通过调整真实纹理贴图的三维头部模型，以真情实感实现了虚拟面部动画的情绪化。

综上所述，在数字娱乐视角下构建真实头部模型，不断深入的以人脸动画为最终研究目标，才能将情绪化虚拟人的快速面部动画设计进行深度挖掘，更好地服务于大众。