試析表演驅(qū)動(dòng)的矢量化二維表情動(dòng)畫

摘 要：本文主要研究了如何快速制作生動(dòng)的二維表情動(dòng)畫，利用算法將表情數(shù)據(jù)進(jìn)行重新定向，將表情數(shù)據(jù)融入卡通形象上。首先需要對(duì)卡通形象進(jìn)行標(biāo)記，確定出能夠?qū)?yīng)表型信息的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制點(diǎn)，將確定出的控制點(diǎn)對(duì)應(yīng)上表情信息的第一幀的控制點(diǎn)。然后通過(guò)上述對(duì)應(yīng)過(guò)程，對(duì)比得出兩者的比例關(guān)系，把采集到的表情信息搭建在卡通形象上，最終得到卡通形象的表情。本文所闡述的方法，經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，可以有效地利用表演來(lái)驅(qū)動(dòng)矢量化二維表情動(dòng)畫。

關(guān)鍵詞：二維表情動(dòng)畫；矢量化；表演驅(qū)動(dòng)

如何在卡通動(dòng)畫中制作出生動(dòng)有趣的人物表情，是卡通動(dòng)畫制作研究的一個(gè)重點(diǎn)。如果在制作動(dòng)畫時(shí)，人物的表情單單依靠畫師手繪來(lái)完成，會(huì)消耗大量的時(shí)間，增大制作成本，而且手繪不能完全保證所有的表情都能繪制的十分生動(dòng)，這個(gè)過(guò)程很能考驗(yàn)畫師的繪畫技術(shù)以及制作經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于動(dòng)畫制作的學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界以及CAD領(lǐng)域，通過(guò)自動(dòng)或者半自動(dòng)的方法進(jìn)行卡通動(dòng)畫任務(wù)表情的制作是一個(gè)重要且亟待研究提高的話題。

1 靜態(tài)卡通人物面部表情生成研究概述

在進(jìn)行動(dòng)畫制作的過(guò)程中，目前的技術(shù)可以輕松并高質(zhì)量的繪制靜態(tài)二維動(dòng)畫人物的面部特征。目前，通過(guò)利用光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕獲系統(tǒng)，可以更加方便快捷的進(jìn)行人物面部表情信息的捕捉。所以，本文的觀點(diǎn)認(rèn)為，可以將真實(shí)人物表情信息輸入二維動(dòng)畫人物中，以此進(jìn)行動(dòng)畫人物面部表情的生成。

本文的研究中，通過(guò)使用動(dòng)作捕獲儀器，捕捉真實(shí)的人的面部表情特征，然后將捕捉到的數(shù)據(jù)融合進(jìn)靜態(tài)二維動(dòng)畫人物中，轉(zhuǎn)化為動(dòng)畫人物的表情。其工作過(guò)程，首先將人的面部細(xì)節(jié)信息掃描輸入，儀器獲取面部信息后將其信息矢量化，然后系統(tǒng)劃分人的面部五官，將其劃分為幾個(gè)區(qū)域。然后系統(tǒng)采集二維卡通人像的面部特征，將真實(shí)人物的表情的矢量信息定向到二維卡通人物的面部矢量圖中。[1]然后運(yùn)用最小二乘法，將矢量人臉五官進(jìn)行變形處理，然后便可以自動(dòng)進(jìn)行生成，所生成的可同人物的面部五官及表情，是與原始人物表情相契合的。

2 人臉表情動(dòng)畫制作技術(shù)主要分類

（1）基于關(guān)鍵幀插值的動(dòng)畫制作。關(guān)鍵幀插值法，就是先進(jìn)行關(guān)鍵幀中人物表情的繪制，然后使用軟件通過(guò)插值自動(dòng)進(jìn)行兩個(gè)幀之間的過(guò)渡幀的生成。以往在進(jìn)行二維動(dòng)畫的制作時(shí)，通常使用這種關(guān)鍵幀插值法，這種制作方法較為方便簡(jiǎn)易，進(jìn)行關(guān)鍵幀的繪制，然后通過(guò)關(guān)鍵幀生成過(guò)渡幀，就可以制作出生動(dòng)的動(dòng)畫作品，很多資深動(dòng)畫制作師都是采用的這種方法。關(guān)鍵幀插值法的兼容性非常好，所以被很多動(dòng)畫制作公司廣泛應(yīng)用，作為諸多前沿動(dòng)畫制作技術(shù)的基本框架使用。

（2）基于參數(shù)化的表情動(dòng)畫制作?；趨?shù)化的表情制作，是將人物的面部表情進(jìn)行抽象并且參數(shù)化，需要表現(xiàn)某一種表情時(shí)，只要對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置即可。例如，面部動(dòng)作編碼系統(tǒng)，以及MPEG-4人臉動(dòng)畫驅(qū)動(dòng)，都是常見的參數(shù)化方式。但是，參數(shù)化表情制作法，有時(shí)其參數(shù)在進(jìn)行組合的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生不協(xié)調(diào)的情況，若沒(méi)有調(diào)度機(jī)制及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，便會(huì)生成不自然的人物表情。若動(dòng)畫中人物所需的表情較為復(fù)雜時(shí)，就需要進(jìn)行多個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)，這個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程就會(huì)非常復(fù)雜，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

（3）基于混合模型的表情動(dòng)畫制作?；诨旌夏Ｐ偷谋砬閯?dòng)畫制作常用于三維動(dòng)畫的制作中，它的制作原理拋開實(shí)際人物面部的物理屬性，利用計(jì)算機(jī)建立三維表情模型，通過(guò)建模進(jìn)行線性空間的定義。然后由線性組合來(lái)生成動(dòng)畫人物的面部表情。這種基于混合模型的制作方法相對(duì)其他方法較為直觀且簡(jiǎn)單易懂，但是在進(jìn)行三維模型的創(chuàng)建時(shí)，工作量很大，非常困難，創(chuàng)建過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力。線性組合的系數(shù)很難進(jìn)行調(diào)整，煩瑣的調(diào)整過(guò)程會(huì)導(dǎo)致動(dòng)畫制作人員難以將希望表現(xiàn)的畫面表現(xiàn)出來(lái)。

（4）基于表演驅(qū)動(dòng)的表情動(dòng)畫制作?；诒硌蒡?qū)動(dòng)的表情動(dòng)畫制作方法首先要采集真人的表情動(dòng)作，然后通過(guò)真人表情數(shù)據(jù)，定義二維卡通人物的面部表情。進(jìn)行表情采集的工作有兩種采集類型，一種是利用動(dòng)作捕獲裝置來(lái)采集真人表情；另一種是通過(guò)普通表情視頻驅(qū)動(dòng)來(lái)進(jìn)行表情的采集。這兩種表情采集方式各有千秋，第一種方法制作出的動(dòng)畫人物表情更加生動(dòng)精彩，而第二種采集方法的采集過(guò)程更加方便快捷?；诒硌蒡?qū)動(dòng)的表情動(dòng)畫制作過(guò)程效率更高，而且這種方法制作出的卡通動(dòng)畫，人物表情更加豐滿生動(dòng)。表演驅(qū)動(dòng)發(fā)在動(dòng)畫制作中的應(yīng)用越來(lái)越廣，受到一致的認(rèn)可。但是這種方式的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和人臉模型在融合的過(guò)程中無(wú)法完全自動(dòng)進(jìn)行，需要很多人工的操作才能完成。

（5）表演驅(qū)動(dòng)的矢量化二維表情動(dòng)畫制作。表演驅(qū)動(dòng)的矢量化制作方法，在高效的基礎(chǔ)上，具有易用的特點(diǎn)，是本文主要研究的方法。大部分步驟可以自動(dòng)進(jìn)行，只有在動(dòng)畫人物面部設(shè)置特征點(diǎn)，以及指派輪廓線到特定的面部器官需要用戶交互。這種制作方法，僅僅需要?jiǎng)赢嬛谱鲙熇L制一張二維靜態(tài)卡通人物圖像即可，然后由拍攝真人的面部表情，系統(tǒng)就可以自動(dòng)生成動(dòng)畫人物的面部表情。

3 表演驅(qū)動(dòng)的矢量化二維表情動(dòng)畫制作過(guò)程

（1）算法流程概述。首先需要收集原始數(shù)據(jù)，即為真人面部表情信息，對(duì)其進(jìn)行特征點(diǎn)的跟蹤，生成他定的表情序列。人工對(duì)二維卡通人物的面部進(jìn)行標(biāo)注，將卡通人的人臉特征點(diǎn)分布與前面生成的表情序列相結(jié)合，進(jìn)行表情重新定向，生成卡通人物的面部表情序列。再對(duì)卡通人臉進(jìn)行矢量化，劃分五官區(qū)域，生成二維矢量卡通人臉，與卡通人臉的表情序列進(jìn)行人臉驅(qū)動(dòng)，最終生成卡通人物面部表情的動(dòng)畫。

（2）卡通人臉矢量化?？ㄍㄈ四樖噶炕倪^(guò)程，首先需要進(jìn)行輪廓抽取。卡通人物的五官輪廓繪制通常較為清晰，圖像由明顯的色塊構(gòu)成，輪廓提取較為簡(jiǎn)單，僅需要將圖像轉(zhuǎn)化為灰度模式，運(yùn)用邊緣檢測(cè)算法，將面部輪廓提取出來(lái)，將面部輪廓?jiǎng)澐謪^(qū)域，分別保存。手動(dòng)選取真實(shí)人臉的五官，將每條輪廓指派給特定的面部器官。然后對(duì)輪廓特征點(diǎn)進(jìn)行抽取，得到一個(gè)邊界點(diǎn)列。再抽取點(diǎn)列中的特征點(diǎn)，對(duì)這些特征點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，得到與原始圖像近似的矢量化結(jié)果。

（3）表情重定向和驅(qū)動(dòng)。首先通過(guò)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)對(duì)二維圖像面部表情進(jìn)行采集，這個(gè)過(guò)程，先將易于被攝像機(jī)捕捉的反光材質(zhì)固定于人面部的重點(diǎn)標(biāo)記部位，然后使用攝像機(jī)拍攝，捕捉表情關(guān)鍵點(diǎn)，得到二維面部表情信息。捕捉到二維人臉表情之后，需要綜合考慮真人的人臉與動(dòng)畫人物人臉的差別，進(jìn)行表情的重新定向。首先在人臉選擇一個(gè)點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，然后分別計(jì)算真人人臉和卡通人臉上每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)距離的比例，根據(jù)這個(gè)比例對(duì)表情信息進(jìn)行重定位，確定卡通人臉中五官的位置。[2]確定出五官位置后，便可以進(jìn)行卡通人臉的表情驅(qū)動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了通過(guò)采集真人面部表情，對(duì)真實(shí)表情進(jìn)行矢量化來(lái)驅(qū)動(dòng)二維卡通人物的表情過(guò)程。這種動(dòng)畫制作方法的優(yōu)點(diǎn)在于大部分環(huán)節(jié)都可以自動(dòng)進(jìn)行，操作簡(jiǎn)易，制作高效。普通的動(dòng)畫制作中，可以運(yùn)用這種制作方法，效率高，且制作精良。對(duì)于更高要求的動(dòng)畫，可以適當(dāng)增加真人面部的標(biāo)記點(diǎn)，采集表情更為細(xì)致，使得動(dòng)畫的制作更加生動(dòng)。表演驅(qū)動(dòng)的矢量化二維表情動(dòng)畫有著很廣闊的應(yīng)用以及很好的發(fā)展前景，還有著很大的進(jìn)取空間。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王玉順，肖俊，莊越挺，等.基于運(yùn)動(dòng)傳播和Isomap分析的三維人臉動(dòng)畫編輯與合成[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2009（12）.

[2] 嚴(yán)素蓉，朱桂林，徐從富.一種位圖矢量化新方法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2010（14）.

作者簡(jiǎn)介：丁艷（1976—），女，新疆石河子人，長(zhǎng)江大學(xué)藝術(shù)學(xué)院講師，研究方向：動(dòng)畫和電影。endprint