虚拟人的脸部建模与运动插值研究与实现

摘要

虚拟人动画是当前计算机图形学领域的一个研究热点，在游戏影视、体育仿真和可视通信等产业都得到了广泛的应用。本文针对虚拟人的脸部建模与动画、人体运动合成等环节开展研究工作。
　　 在虚拟人的脸部建模与动画方面，本文实现了基于单幅正面人脸图像的人脸建模、脸部运动模拟和基于MPEG-4的人脸动画合成系统。系统采用主动形状模型算法检测出正面人脸图像上的77个特征点，根据特征点的位置使用径向基函数插值算法对三维中性人脸模型进行空间网格变形，并进行纹理映射以生成真实感的三维人脸模型。三维人脸模型生成后，通过实时地检测视频序列中头部、眼部和唇部等的运动信息，实时地驱动人脸模型以模拟人脸的动作。最后通过在人脸标准模型上标定MPEG-4标准人脸定义参数中的特征点，定义人脸动画参数单元，计算出网格顶点的运动因子构建人脸动画定义表来生成人脸动画。实验结果表明，我们的系统可以快速、自动地生成真实感的三维人脸模型，实时地模拟人脸运动，对输入自定义的动画文件生成了流畅的人脸表情动画。
　　 在虚拟人的人体运动合成方面，本文实现了基于地质统计学模型的运动插值以及基于该插值算法的交互式人体运动合成。本文首先对常用的人体运动插值算法，包括线性运动插值、基于径向基函数的运动插值和基于地质统计学模型的运动插值算法等，从计算效率、数据集依赖性和结果误差等方面进行了介绍和比较。基于地质统计学模型的运动插值算法将运动插值看作是对任意参数空间中遗失数据的预测问题，并使用基于地质统计学的插值模型来估计运动的相似度与其在对应参数空间中和采样点距离之间的关系。实验结果表明该插值算法能够实时地生成满足用户约束的逼真的人体动画。