[發明專利]一種虛擬人嘴部運動控制方法

無效

• 申請號: 200910022099.4
• 申請日: 2009-04-20
• 公開（公告）號: CN101566828A
• 公開（公告）日: 2009-10-28
• 發明（設計）人: 樊養余;張抗;呂國云;王毅;齊敏
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 西北工業大學專利中心
• 代理人: 顧潮琪

技術領域

本發明涉及虛擬現實領域，尤其涉及一種虛擬人嘴部運動控制方法。

背景技術

人臉表情是人類情感傳遞的一個重要途徑，是人類進行相互交流的基礎。三維人臉動畫技術起步于70年代，其后，很多研究人員在該領域做了大量的研究工作，以期獲得具有真實感的三維人臉動畫。真實感人臉動畫有廣泛的應用領域，可以用來模擬虛擬環境中的虛擬人物，如影視劇中的虛擬人物，還可以應用于電子游戲、視頻會議、人機交互等許多領域，而嘴部作為人類語言交流的主要器官，對人類的情感交流起到關鍵的作用，嘴部動畫效果真實與否對整個虛擬人面部感情表達有著重要的影響。因此，對虛擬人嘴部的運動仿真具有重要意義。

Waters在1987年提出了一種基于解剖學的肌肉模型，用于表現質點在肌肉力的作用下產生的位移。然而，該模型在模擬嘴部動畫時具有比較大的局限性。在該模型中，輪匝肌被描述為一個具有徑向收縮功能的肌肉單元，通過肌肉的收縮產生嘴部表情動畫。但在語音動畫設計等實際應用中，由于嘴唇運動往往比較復雜，使用上述簡單的輪匝肌模型不能達到精確描述說話人口型的目的，從而也不能獲得逼真地刻畫唇區運動的動畫效果。

中國圖象圖形學報(2008，13(11)：2238-2243)公開了一種用于高真實感口型合成的唇區肌肉模型，該模型在Waters肌肉模型的基礎上，提出了一種新的唇區肌肉模型。利用該模型，并通過各肌肉參數的調節和不同肌肉群的組合運動合成了說話時的各種可能口型，并由這些合成的口型，通過幀間插值的方法生成了連續語流條件下的口型動畫。雖然建立的模型可以合成普通說話時的各種口型，但所合成口型的幅度對整體自然度的影響還是很大的。當口型幅度系數很大，使嘴唇動作非常夸張時，自然度會有一定的降低。

發明內容

為了克服現有技術在模擬人嘴部張合運動過程中口型幅度受到限制，仿真效果真實感不強的不足，本發明提出了一種新的嘴部張合運動控制方法，能夠增強在模擬人嘴部張合過程中對運動速度和程度的控制，提高嘴部動畫的真實感。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案包括以下步驟：

首先獲取三維人臉網格模型，即采集三維人臉網格模型數據，可以是采用三維激光掃描儀掃描真實人頭生成人臉的三維網格模型，應用此方法可以同時獲得大量的三維數據和紋理信息，或是通過3DS?MAX或者MAYA等三維建模軟件，由設計人員手工建立人臉三維模型，也可以是通過Poser等專業人體建模軟件，從其模型庫中直接導出所需的人頭模型及相應的紋理信息。模型以人物的鼻尖為基準，建立坐標系XYZ，水平向右方向為X軸正向，垂直向上方向為Y軸正向，Z軸垂直于XOY平面向外，三個軸方向符合右手法則。

然后根據嘴部張合特性劃分出嘴部功能區。所劃分嘴部功能區，是指在所獲取的三維網格模型上，根據嘴部開合運動特征，劃分出與張合運動相關的下頜部網格點。通過對人嘴張合動作的特征進行分析，可將嘴部張合看作是下顎圍繞顴弓進行的轉動動作，因此參照MPEG-4中對嘴部區域FDP特征點的定義，如圖1所示，選取顴弓處的特征點(FDP2.19和FDP2.20)，兩嘴角處的特征點(FDP8.3和FDP8.4)，下嘴唇上邊界特征點(FDP?2.5，FDP?2.9，FDP2.3，FDP2.8，FDP2.4)及下頜邊界處特征點(FDP2.1，FDP2.11，FDP?2.12，FDP?2.13，FDP?2.14)作為嘴部功能區邊界點，由這些邊界點劃分出人臉在正面(XOY平面)的嘴部功能區范圍。嘴部功能區的側面范圍由顴弓處的特征點(FDP2.19和FDP2.20)確定，人臉三維網格模型上落在功能區正面范圍內，并且z值大于顴弓處特征點z值的全部網格點最終確定出了三維網格模型中的嘴部功能區。

采用擺動導桿機構模型驅動嘴部功能區網格點運動，模擬真實的嘴部張合過程。根據人嘴部張合為下顎骨圍繞顴弓進行轉動這一特性，又由擺動導桿機構的運動原理可知，曲柄能夠繞機架的固定鉸鏈做整周轉動，并帶動導桿在一定的范圍內進行往復運動，從而，可以將機構模型引入嘴部張合運動的控制過程，取曲柄的旋轉角速度為控制參數，根據機架、曲柄、導桿之間的位置關系，以及輸入的曲柄轉動角速度參數這些已知信息，計算出嘴部功能區網格點在任意時刻的空間位置或轉過的角度，并以此驅動三維網格點運動，從而模擬出嘴部的張合運動。