[发明专利]基于测地距的径向基函数人脸表情重定向与动画方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于测地距的径向基函数人脸表情重定向与动画方法，属于图像处理技术领域。

背景技术

近年来，随着动漫产业、三维游戏及三维影视制作等领域的发展，计算机人脸表情动画技术得到了广泛的关注。人脸表情动画主要研究如何在计算机中真实地模拟人脸表情变化。面部表情是人们之间信息交流的一种方式，通过表情的变化也可以判断出人们的感情状态。在数字娱乐领域，特别是在影视和游戏制作中，人脸表情动画发挥着举足轻重的作用。此外，在视频会议、计算机辅助教学、虚拟现实、人机交互界面设计及心理学等领域，人脸表情动画的相关研究和应用也越来越吸引人们的注意。因此，提高人脸表情动画制作的效率，增强动画的真实感，降低动画制作的成本，对于推动整个数字娱乐产业的发展，促进国家文化产业的进步和国民经济增长具有现实意义。

人脸是一个生理结构及其精细的组织，复杂的肌肉收缩可以产生细微的表情变化。同时，人们很容易感知到不自然的表情。这样，要制作真实感的人脸表情动画常常需要技术娴熟的专业动画制作人员花费大量的时间。运动捕捉技术通过粘贴在表演者体表或面部的标记点来记录其相应位置的运动信息，这些运动信息可以被用于驱动其他的计算机合成的虚拟模型产生类似的动作或者表情变化。基于运动捕捉的人脸表情动画通过重用表演者的表情运动数据，使其他的虚拟模型产生真实感的表情。数据的重用节约了动画制作的成本，而且数据是来自真实的表情运动，也增加了动画的真实感。

为了使计算机合成的虚拟模型利用捕捉的表情运动数据产生表情，需要解决两个方面的问题：

首先，由于捕捉模型和最终的目标动画模型不是同一个模型，相应的表情运动也不属于同一个坐标空间，为了使目标模型产生相似的表情，需要对原始的运动空间进行转换，即将原始表情重定向到目标模型，实现从原始人脸模型的运动空间到目标人脸模型的运动空间的转换。很多学者就该问题也提出了许多解决办法，其中比较常用的是径向基函数(Radical basis functions,径向基函数)方法。径向基函数方法是一种全局的插值方法，但是人脸是一个具有开放区域的特殊结构，特别是在眼睛和嘴部区域，运动存在不连续的情况。这样，在使用全局的径向基函数方法将原始模型的运动重定向到目标模型时，忽略了人脸特殊的网格结构，使得求解出的目标模型的运动产生错误，利用这样的运动信息驱动目标人脸必然使模型的运动失真，产生不自然的表情。

其次，使用运动捕捉技术得到的只是原始人脸模型上稀疏的标记点的运动信息，通过重定向方法得到是目标人脸模型上相应标记点的运动情况，而计算机合成的目标人脸模型上至少有上千个顶点，如何利用少量的标记点运动变形整个人脸模型产生表情动画是一个重要的问题。不少学者也提出了各种动画方案，其中，基于物理模型的方法，通过建立一个人脸的仿生模型，利用动力学方程使得人脸模型产生动画，但是由于人脸结构的复杂性，该方法的建模难度比较大，并且很难实现表情的重定向。形状融合方法，将人脸表情看作是关键表情的加权和，只要找到关键表情和表情融合的权重就可使目标模型产生表情动画。这种方法可以产生真实的人脸动画，但是需要大量的表情来构建关键表情，而且动画的质量依赖于融合权重的求解。此外,使用径向基函数方法对标记点进行插值求解其余顶点的运动也比较常见，径向基函数方法的优点是运算量比较小，能够满足实时动画的效率要求。径向基函数方法通过标记点和顶点之间的关联求解顶点运动，这种关联是通过它们之间的欧式距离来反应的，一般距离越小，顶点受到标记点的影响就越大。但是，在实际的人脸表情运动中，并不是所有顶点都是这样，特别是在嘴唇张开时，上下嘴唇上的运动是没有关联的。这样，仅仅根据欧式距建立的这种关联是不正确的，最终得到的动画质量也难以保证。

发明内容

为了克服上述的不足，本发明的目的在于提供Equation Chapter 1Section 1基于测地距的径向基函数人脸表情重定向与动画方法，该方法通过使用基于测地距的径向基函数方法，着重解决人脸表情重定向过程中的空间转换问题和动画过程中的变形问题，从而有效避免了动画过程中的失真情况，并且该方法相对简单，计算量较小，可以有效地保证动画的效率。

本发明采取的技术方案如下：

第一步：首帧运动捕捉数据的预处理，其包括以下3个步骤：

步骤1：导入一个表情运动捕捉序列，提取首帧运动捕捉序列，对首帧序列中的标记点位置进行三角剖分，形成一个首帧序列的三角网格；

步骤2：根据人脸的语义特征，在首帧序列的三角网格中，去除眼睛及嘴部区域的伪关联；