人脸表情动画技术作为计算机图形学的一个重要分支,一直是广大研究人员竞相追逐的研究热点。当前,该领域已取得大量研究成果,且被广泛应用于影视、广告和游戏等产业。《金刚》、《指环王》、《阿凡达》等作品中使用了大量的计算机合成人脸表情,它们向观众展现了人脸表情动画的无穷魅力。人脸表情合成技术的发展已深入人心。随着技术的发展和时代的进步,人们对合成表情动画的真实感与合成速度的要求也在不断提高。广阔的应用前景与技术的可行性必将使这一领域的研究得到越来越多的投入和关注。本文综述了人脸表情合成的发展现状,对现有方法进行分类并详细分析了各自的优缺点。在此基础上,我们对真实感人脸表情合成中的几个关键问题进行了深入探讨,提出了系统的解决方案,包括人脸运动数据的采集与人脸表情的提取、真实感人脸表情的合成以及人脸表情的编辑等。具体地说,本文的工作主要包括以下几个方面：给出了一种高精度人脸表情的采集与提取方案。对于光学运动捕获系统采集的人脸运动数据,我们使用径向基函数(Radial Basis Functions, RBF)插值将其映射到中性人脸模型所在的坐标系下,以获得中性人脸模型空间的人脸运动数据。借助于数据采集时标定的与人脸表情变化无关的标记点(marker),我们从中提取表演者的脸部表情信息,同时得到相应头部刚体运动。提出了一种基于拉普拉斯的表情合成技术,在人脸变形中保留人脸模型上已有细节特征,保证了合成表情的真实感。对于给定人脸模型,我们首先计算每个顶点的拉普拉斯坐标。在表情合成时,保持所有顶点的拉普拉斯坐标不变,由表情特征点的位移以及选取的固定点,计算人脸模型上其他所有顶点的新位置,从而合成新的人脸表情。结合提取的头部刚体运动,我们可以获得和表演者表情相似、头部姿态一致的目标人脸模型。提出了一种基于测地距离与RBF插值的人脸表情合成新方法。由于人脸模型中嘴巴、眼睛等孔洞区域的存在,欧氏距离与沿着曲面表面的测地距离差异较大,直接使用传统的基于欧氏距离的RBF插值容易产生这些孔洞区域被拉伸的结果。本文引入了一种近似测地距离的计算规则,能够测量从人脸表情特征点到人脸模型上其他顶点的测地距离。使用测地距离衡量人脸模型上顶点间的相互影响,结合RBF插值,从而合成真实感人脸表情。表情编辑是真实感人脸表情动画中的重要步骤,本文提出了一种基于时空的人脸表情动画编辑方法。我们使用拉普拉斯变形技术将用户对人脸表情特征点的编辑效果在空间域上传播到整个人脸模型。与此同时,用户对某一帧的编辑效果在时间域上以高斯函数的衰减模式在给定人脸动画上的邻近表情序列间传播。在编辑过程中,允许用户指定编辑在时间域上的传播范围,这为用户提供了人脸表情动画编辑范围的局部控制。提出了一种基于二维形变的人脸表情编辑技术。在表情编辑中,我们保持人脸模型中每个三角面片的形状和比例,使得它们的变形总和达到最小。同时,根据对人脸表情变化的观察,我们约束在变形中人脸外围轮廓边长总和不变,以合成自然、真实的人脸表情。该技术还可以应用于服装设计的初期,自动地计算服装在新姿势下的形态,以获得服装在不同姿势下的效果。这可以避免设计师对类似的服装进行简单、重复绘制,为设计师的设计工作以及与他人进行交流思想提供了一种辅助手段,提高了工作效率。我们选用人体骨架作为服装变形的驱动元素,由初始状态下的骨架自动获取变形中的控制点、以新姿势下的骨架计算这些控制点的目标位置,从而驱动新姿势服装的变形。我们分别使用了多个人脸模型对上述各种方法进行测试,均取得了不错的实验结果。最后,我们对本文的研究工作进行总结,分析了存在的问题,并指出了未来可能的研究方向。
