專利名稱：基于測地距的徑向基函數人臉表情重定向與動畫方法
技術領域：
本發明涉及基于測地距的徑向基函數人臉表情重定向與動畫方法，屬于圖像處理技術領域。
背景技術：
近年來，隨著動漫產業、三維游戲及三維影視制作等領域的發展，計算機人臉表情動畫技術得到了廣泛的關注。人臉表情動畫主要研究如何在計算機中真實地模擬人臉表情變化。面部表情是人們之間信息交流的ー種方式，通過表情的變化也可以判斷出人們的感情狀態。在數字娛樂領域，特別是 在影視和游戲制作中，人臉表情動畫發揮著舉足輕重的作用。此外，在視頻會議、計算機輔助教學、虛擬現實、人機交互界面設計及心理學等領域，人臉表情動畫的相關研究和應用也越來越吸引人們的注意。因此，提高人臉表情動畫制作的效率，增強動畫的真實感，降低動畫制作的成本，對于推動整個數字娛樂產業的發展，促進國家文化產業的進步和國民經濟增長具有現實意義。人臉是ー個生理結構及其精細的組織，復雜的肌肉收縮可以產生細微的表情變化。同時，人們很容易感知到不自然的表情。這樣，要制作真實感的人臉表情動畫常常需要技術嫻熟的專業動畫制作人員花費大量的時間。運動捕捉技木通過粘貼在表演者體表或面部的標記點來記錄其相應位置的運動信息，這些運動信息可以被用于驅動其他的計算機合成的虛擬模型產生類似的動作或者表情變化。基于運動捕捉的人臉表情動畫通過重用表演者的表情運動數據，使其他的虛擬模型產生真實感的表情。數據的重用節約了動畫制作的成本,而且數據是來自真實的表情運動,也增加了動畫的真實感。為了使計算機合成的虛擬模型利用捕捉的表情運動數據產生表情，需要解決兩個方面的問題首先，由于捕捉模型和最終的目標動畫模型不是同一個模型，相應的表情運動也不屬于同一個坐標空間，為了使目標模型產生相似的表情，需要對原始的運動空間進行轉換，即將原始表情重定向到目標模型，實現從原始人臉模型的運動空間到目標人臉模型的運動空間的轉換。很多學者就該問題也提出了許多解決辦法，其中比較常用的是徑向基函數(Radical basis functions,徑向基函數)方法。徑向基函數方法是ー種全局的插值方法，但是人臉是ー個具有開放區域的特殊結構，特別是在眼睛和嘴部區域，運動存在不連續的情況。這樣，在使用全局的徑向基函數方法將原始模型的運動重定向到目標模型時，忽略了人臉特殊的網格結構，使得求解出的目標模型的運動產生錯誤，利用這樣的運動信息驅動目標人臉必然使模型的運動失真，產生不自然的表情。其次，使用運動捕捉技術得到的只是原始人臉模型上稀疏的標記點的運動信息，通過重定向方法得到是目標人臉模型上相應標記點的運動情況，而計算機合成的目標人臉模型上至少有上千個頂點，如何利用少量的標記點運動變形整個人臉模型產生表情動畫是ー個重要的問題。不少學者也提出了各種動畫方案，其中，基于物理模型的方法，通過建立一個人臉的仿生模型，利用動力學方程使得人臉模型產生動畫，但是由于人臉結構的復雜性，該方法的建模難度比較大，并且很難實現表情的重定向。形狀融合方法，將人臉表情看作是關鍵表情的加權和，只要找到關鍵表情和表情融合的權重就可使目標ホ旲型廣生表情動畫。這種方法可以產生真實的人臉動畫，但是需要大量的表情來構建關鍵表情，而且動畫的質量依賴于融合權重的求解。此外，使用徑向基函數方法對標記點進行插值求解其余頂點的運動也比較常見，徑向基函數方法的優點是運算量比較小，能夠滿足實時動畫的效率要求。徑向基函數方法通過標記點和頂點之間的關聯求解頂點運動，這種關聯是通過它們之間的歐式距離來反應的，一般距離越小，頂點受到標記點的影響就越大。但是，在實際的人臉表情運動中，并不是所有頂點都是這樣，特別是在嘴唇張開時，上下嘴唇上的運動是沒有關聯的。這樣，僅僅根據歐式距建立 的這種關聯是不正確的，最終得到的動畫質量也難以保證。

發明內容
為了克服上述的不足，本發明的目的在于提供Equation Chapter ISection I基于測地距的徑向基函數人臉表情重定向與動畫方法，該方法通過使用基于測地距的徑向基函數方法，著重解決人臉表情重定向過程中的空間轉換問題和動畫過程中的變形問題，從而有效避免了動畫過程中的失真情況，并且該方法相對簡單，計算量較小，可以有效地保證動畫的效率。本發明采取的技術方案如下第一歩首幀運動捕捉數據的預處理，其包括以下3個步驟步驟I :導入ー個表情運動捕捉序列，提取首幀運動捕捉序列，對首幀序列中的標記點位置進行三角剖分，形成一個首幀序列的三角網格；步驟2 :根據人臉的語義特征，在首幀序列的三角網格中，去除眼睛及嘴部區域的偽關聯；步驟3 :依據去除偽關聯后的首幀序列的三角網格中標記點之間的關聯，求解標記點之間的測地距；第二步構建表情運動重定向模型；建立首幀運動捕捉數據與目標人臉模型標記點之間的映射關系，其可以表示如下
m, = Σ wZザ(I I Pf — P0J I Igeo ) + iIiP0i ),所述ズ是首巾貞運動捕捉序列中的標記點的空間坐標(X^ypZi);所述Xi, Yi和Zi的単位均為毫米；Ilズ-パIU是首幀序列中兩個標記點之間的測地距，所述測地距單位是毫米％是待求的權值系數；n是標記點的個數，所述η是ー個整數，根據初始設置的標記點個數其值為60 是目標人臉模型上第i個標記點的空間坐標(Xi^pZi);所述Xi，Yi和Zi的単位均為毫米，I彡i，j彡n;g(/)是ー個多項式，其是ー個仿射變換，在求解公式
η
=2>,#(|| pf -p] IU) + 9(ズ)組成的線性系統時，同時計算該多項式項
權利要求
1.基于測地距的徑向基函數人臉表情重定向與動畫方法，其特征在于 第一歩首幀運動捕捉數據的預處理，其包括以下3個步驟 步驟I :導入一個表情運動摘捉序列，提取首巾貞運動摘捉序列，對首巾貞序列中的標記點位置進行三角剖分，形成一個首幀序列的三角網格； 步驟2:根據人臉的語義特征，在首幀序列的三角網格中，去除眼睛及嘴部區域的偽關聯； 步驟3 :依據去除偽關聯后的首幀序列的三角網格中標記點之間的關聯，求解標記點之間的測地距； 第二步構建表情運動重定向模型； 建立首幀運動捕捉數據與目標人臉模型標記點之間的映射關系，其可以表示如下
全文摘要
本發明公開了一種基于運動捕捉數據的人臉表情重定向和動畫算法。通過建立一個基于測地距的徑向基函數人臉表情的重定向模型，實現了從運動捕捉數據空間到目標人臉模型運動空間的轉換，在轉換的過程中考慮了人臉網格的結構，著重解決了使用徑向基函數進行空間轉換過程中全局性問題。在人臉表情動畫階段，利用了空間轉換的結果，使用基于測地距徑向基函數的人臉變形模型，對運動數據進行插值，獲取整個模型的變形結果。本發明可將同一個捕捉序列應用到不同的人臉模型，模型轉換比較容易，同時針對不同的捕捉序列也可用于同一個目標模型，實現了運動捕捉數據的重用，同時也具有較強的動畫真實感。
文檔編號G06T13/40GK102855652SQ20121028473
公開日2013年1月2日 申請日期2012年8月10日 優先權日2012年8月10日
發明者魏小鵬, 張強, 李蓓蓓 申請人:大連大學