[发明专利]一种三维人脸动画模型自动构造方法及系统

说明书

技术领域

本发明属于计算机技术领域，尤其涉及一种三维人脸动画模型自动构造方法及系统。

背景技术

随着人脸动画的研究的深入，其应用领域越来越广泛，人脸配合运动能够帮助用户理解噪声环境下的讲话内容，使用户更加集中注意力，使服务对用户更具有吸引力，提高硬件设备与用户的交互能力，人脸动画还可以应用于虚拟现实、动漫和游戏等领域。随着图形处理技术的发展，用户对人物的表情的真实性和丰富性提出了更高的要求，同时也对人脸表情动画的生成效率提出了更高的要求，然而现有的三维人脸动画的构造和生成方法过程需要手工进行特征点和运动控制区域内顶点的标定和参数的调整，导致生成的人脸动画效果差，三维人脸动画模型的可移植性较差。现有代表性的三维人脸构造方法主要有：

(1)基于几何插值的方法

基于几何插值的方法通过在人脸形状的关键帧之间进行某种形式的加权插值，生成中间状态的插值图像形状，由于基于几何插值的方法依赖于关键帧，因此生成的人脸表情也受到了关键帧表情的限制，不可能生成关键帧插值范围之外的人脸动作，因此基于几何插值的方法只适用于少量表情的人脸动画需求。

(2)基于变形的方法

基于变形的方法能较好地模拟人脸形状的变化，代表性工作有：Sederberg等人提出的free form deformation(FFD)、Kalra等人提出的rational free from deformation(RFED)，以及Noh等人提出的基于径向基函数(radial basis function，RBF)变形的方法。但由于没有考虑人脸的特殊纹理，难以生成逼真的人脸动画纹理，或者是基于曲面的变形，不能保证人脸体积不变。

(3)基于参数的方法

基于参数的方法是指用一组参数来定义人脸表情，通过设置参数值来模拟人脸表情，通过参数的不同组合能够产生不同的表情动作，实现在低比特率的条件下的人脸动画。参数被划分为特定人标识参数和人脸表情控制参数。由于人脸的复杂性，很难设计完全相互独立的参数，当用对同一个顶点都起作用但有冲突的两个参数去生成表情时，缺乏仲裁和控制机制。参数化方法的另一个缺陷是，必须根据具体的人脸网格的拓扑结构来选择参数集，难以做到完全通用的参数化。

(4)基于生理模型的人脸动画方法。将人脸组织简化成皮肤、肌肉和骨骼三个层次，表情运动主要通过肌肉层的弹性作用控制，通过皮肤层来表现。代表性工作有：Platt和Badler的质点弹簧系统，采用38条肌肉块作用于人脸的弹性网格结构使之产生变形，生成人脸动作。Waters通过肌肉向量域的方向、原点和插入点的位置来定义人脸肌肉，将其嵌入在三维网格模型的特定位置，构造圆锥形类似于高度场的空间。然而目前这类方法还不能定量地给出人脸的准确构造和运动方式，所采用的生理模型难以移植到不同人的脸部进行建模，且需要进行精确的肌肉定位和参数调节，需要花费大量的手工操作。

上述方法中，Waters的肌模型实现的人脸表情及口型动画实时性好，真实感较高，应用得较普遍。Waters肌模型定义了线性肌和括约肌的拓扑结构和计算参数，见Waters K于1987年公开发表在SIGGRAPH年会的论文A muscle model for animating three dimensional facial expressions(ACM SIGGRAPH，1987，21(4)：17-24)。但是Waters肌肉模型方法的缺点是需要实现进行精确的肌肉定位和参数调节，这部分工作目前都是由美工设计人员手工进行，需要花费大量的人力和时间，且精确度不高，另外，肌肉模型由骨骼结点、作用起点、作用终点和作用夹角确定，并不反映作用区域表面网格的特征，影响了三维人脸的动画效果。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种三维人脸动画模型自动构造方法，旨在解决由于现有的三维人脸动画的构造需要手工进行特征点及运动控制区域内顶点的标定、建模和计算参数的调整，导致工作量巨大，生成的人脸动画效果不佳，三维人脸动画模型的可移植性较差的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种三维人脸动画模型自动构造方法，所述方法包括下述步骤：

根据预设的三维人脸模型的种子点以及所述种子点的搜索区域，通过邻域生长及特征判别算法搜索出所述搜索区域内的几何特征候选点和纹理特征候选点；

对所述几何特征候选点进行聚类分析，识别出所述三维人脸模型的几何特征点；

对所述纹理特征候选点进行聚类分析和端点检测，识别出所述三维人脸模型的纹理特征点；