（设计艺术学专业论文）解决表情面部动画在三维动画领域中出现的问题.pdf

ijili，l 学位论文的主要创新点 i? 上、笔者通过对人物面部肌肉结构的深入分析，研究出了合理的 一三维模型面部布线方案，解决了以往的制作方法中，由于模型布线过 多而导致的模型布线不合理现象。 二、笔者通过对人物口型动画的类型分析与总结，探索出了口型 动画形态与人物声音同步的方案，在很大程度上解决了以往制作方案 ； 中的动画人物说话不生动的问题。 三、笔者通过对运用捕捉数据驱动表情动画的研究，分析了表情 ，。动画制作过程中运用捕捉数据的可能性，得出了在表情动画制作中可 ：应用捕捉数据来有效提升表情动画制作效率与生动性的结论。 中文摘要 从远古时期的甲骨图像到中国盛唐时期发明的皮影剧，是工艺美术家们把现 实图像抽象了的艺术成果，被称为动画艺术创作的起源。随着当今电子计算机技 术的飞速发展，使得在其旗帜下的高端数字新媒体技术支持的动画产业得到空前 繁荣和进展，动画技术在影视特效、网络游戏、网络博客及各种新多媒体中有了 新的立足点。 新世纪最有朝阳潜力的两个行业，是信息技术产业和文化内容产业。动画产 业作为文化内容产业中的重要支柱产业，正以席卷残云之势在全球文化产业竞争 中发挥着越来越重要的角色。其吸引了广大的全球受众和衍生产品消费者，多达 数十亿之。在三维动画领域中，三维动画电影和网络游戏片头宣传动画是其中发 展势头最为迅猛的两个闪耀恒星。 三维动画电影与系列，_ l 作为影视产业的一个分支，是建立在八大艺术和计算 机软硬件技术发展基础上而型成的一种综合性新型的艺术型式。早期主要应用于 军事领域。直到7 0 年代后期，随着p c 机的流行，计算机图型图像学才逐步拓展 到诸如广告设计、服装设计、建筑公共没计等领域。8 0 年代，随着电脑软硬件 的进一步提升，计算机图型图像处理技术的应用得到了空前的爆炸性发展，电脑 三维动画此时作为一个综合了多种学科的艺术型念真j 下走上了迅猛发展之路。 首部三维动画电影 玩具总动员的成功，引领世界动画产生了翻天覆地的 技术变革，原先传统的二维动画逐渐退出了历史，尤其以世界动画巨头迪斯尼公 司对其旗下的二维动画部门进行了大刀阔斧地解散和重组为标志，标志着三维动 画技术的应用已经成为主流。在我国的三维动画制作中，突出的问题是片中角色 的表情动画需要由制作人员逐帧调整，制作过程十分烦琐、复杂，表情动画呆板 不生动，效率很低，这极大的阻碍了我国三维动画企业的制作效率。 针对目前我国三维动画中制作面部表情时存在的问题，本课题应运而生，通 过对人物面部肌肉的深入分析，研究三维动画中的角色模型如何根据面部肌肉创 建布线，如何通过模型布线的改进方案来实现丰富生动的表情动画制作，本课题 拟出了一个可以提高三维动画片中角色面部表情生动性的方案。提出了关于解决 三维动画中表情动画过于呆板这一问题的研究目的，内容和意义重点研究了面 部模型的布线原理，及人物常见的表情特点和创建面部骨骼系统的模板方案。 关键词：三维动画、面部表情、面部肌肉、模型布线 a b s t r a c t t h eb o n e sf r o ma n c i e n tt i m e st ot h ec h i n e s et a n gd y n a s t yi n v e n t e ds h a d o wp l a y , w h a ti st h ea r t i s tg a v el i f et oas t a t i cp a i n t i n ga sr e s u l t s ，h a sb e e nh a i l e da st h eo r i g i n s o fa n i m a t i o na r t n o wm i c r o e l e c t r o n i c sd i 西t a la n dt e c h n o l o g i c a la d v a n c e s ，w h i c h m a k e si t sh i g h - e n dt e c h n i c a ls u p p o r tu n d e rt h eb a n n e ro ft h ea n i m a t i o ni n d u s t r yt ob e a nu n p r e c e d e n t e de x p a n s i o na n di m p r o v e m e n to fs p e c i a le f f e c t si nm o v i e s ，e l e c t r o n i c g a m e s ，i n t e r n e ta n dv a r i o u sm u l t i m e d i aa n da n i m a t i o nh a sa n e wf o o t h o l d i n21s tc e n t u r y , t h em o s tp r o m i s i n gs e c t o r s ，w h i c ha r et h ei n f o r m a t i o ni n d u s t r y a n dc u l t u r a li n d u s t r i e s a n i m a t i o ni n d u s t r ya sar i s i n gs t a r , p l a ya ni n c r e a s i n g l y i m p o r t a n tr o l ei nt h ew o r l d sc u l t u r a li n d u s t r i e s t h e ya t t r a c ta w i d e rg l o b a la u d i e n c e a n dd e r i v a t i v ep r o d u c t st oc o n s u m e r s i nt h ea n i m a t i o nf i e l d ，t h r e e - d i m e n s i o n a l a n i m a t i o na n dg a m ea n i m a t i o ni so n eo ft h em o s tr a p i d l yd e v e l o p m e n to ft h ei n d u s t r y t h r e e - d i m e n s i o n a lc o m p u t e ra n i m a t i o n ，a sab r a n c ho fa r t ，i sb a s e do na n i m a t i o n a r ta n dc o m p u t e rh a r d w a r ea n ds o f t w a r et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tb a s e do nt h e f o r m a t i o no far e l a t i v e l yn e wt y p eo fi n d e p e n d e n ta r tf o r m e a r l ym a i n l yu s e di nt h e m i l i t a r yf i e l d u n t i lt h el a t e7 0 s ，w i t ht h ep c ，t h ee m e r g e n c eo fc o m p u t e rg r a p h i c s w a sg r a d u a l l ye x p a n d e dt oa r e a ss u c ha sg r a p h i cd e s i g n ，c o s t u m ed e s i g n ，c o n s t r u c t i o n d e c o r a t i o na n do t h e rf i e l d s 8 0y e a r s ，w i t ht h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fc o m p u t e r h a r d w a r ea n ds o l , w a r e ，t h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e rg r a p h i c sp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y h a sb e e na nu n p r e c e d e n t e dd e v e l o p m e n t ，c o m p u t e ra r ta sa ni n d e p e n d e n td i s c i p l i n e r e a l l yo p e n e de m b a r k e do nar a p i dd e v e l o p m e n t f i r s t3da n i m a t e df i l m t o ys t o r y ”，i t ss u c c e s s ，l e a d i n gt h ew o d da n i m a t i o n p r o d u c e dar a d i c a lt e c h n o l o g i c a lc h a n g e ，t h eo r i g i n a lt w o d i m e n s i o n a la n i m a t i o n g r a d u a l l yw i t h d r a w i n gf r o mt h et r a d i t i o n a lh i s t o r y , e s p e c i a l l yw r o r l da n i m a t i o ng i a n t d i s n e y sa n i m a t i o nd e p a r t m e n tf o ri t st w o - d i m e n s i o n a lu n i tc a r r i e do u tab o l dt o d i s s o l v ea n dr e - m a r k e d ，m a r k i n gt h ea p p l i c a t i o no ft h r e e - d i m e n s i o n a la n i m a t i o n t e c h n o l o g yh a sb e c o m et h em a i n s t r e a m i no u rt h r e e - d i m e n s i o n a la n i m a t i o n ，t h e o u t s t a n d i n gi s s u ei st h er o l eo faf a c i a la n i m a t i o nf i l mf r o mt h ep r o d u c t i o ns t a f fn e e d t oa d j u s tt h ef r a m eb yf r a m e ，t h ep r o d u c t i o np r o c e s si sv e r yc u m b e r s o m e ；c o m p l e x ， r i g i df a c i a la n i m a t i o ni sn o tv i v i d ，e f f i c i e n c yi sv e r yl o w , w h i c hg r e a t l yh i n d e ro u r t h r e e d i m e n s i o n a lm a i m a t i o np r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo fe n t e r p r i s e s f o rt h ep r e s e n t ， c h i n a sp r o d u c t i o no ft h r e e d i m e n s i o n a l a n i m a t i o n ， f a c i a l e x p r e s s i o n s ，h e nt h ep r o b l e m se m e r g e di n t h i ss u b j e c t ，b yc h a r a c t e r si n d e p t h a n a l y s i so ff a c i a im u s c l e st os t u d yt h er o l eo ft h r e e - d i m e n s i o n a la n i m a t e dm o d e lo f h o wt oc r e a t eal a y o u tu n d e rt h ef a c i a lm u s c l e s ，h o wt oi m p r o v et h ew i r i n gt h r o u g h t h em o d e lp r o g r a mt oa c h i e v ear i c ha n dl i v e l ye x p r e s s i o na n i m a t i o n ，t h i st o p i ch a s d r a w nu pat h r e e d i m e n s i o n a la n i m a t i o nc a ne n h a n c e t h er o l eo ff a c i a le x p r e s s i o n si n v i v i dp r o 灯a m m a d eo nt h es e t t l e m e n t o ft h r e e d i m e n s i o n a la n i m a t i o n ，f a c i a l a n i m a t i o ni st o os t i f ft h i si s s u er e s e a r c hp u r p o s e s ，c o n t e n ta n dm e a n i n g , f o c u s i n g 0 1 1 t h ef a c i a lm o d e lw i r i n gp r i n c i p l e ，a n dt h ec h a r a c t e r sf a c eac o m m o nf a c i a l f e a t u r e s a n ds k e l e t a ls y s t e mt oc r e a t eat e m p l a t ep r o g r a m k e yw o r d ：t h r e et h r e e d i m e n s i o n a l ，f a c i a l e x p r e s s i o n ，f a c e m u s c l e ，m o d e l w i r i n 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究背景和现状1 1 1 1 课题研究背景1 1 1 2 研究现状3 1 2 研究目的和意义5 1 3 研究思路及方法6 第二章人物面部模型改进方案7 2 1 分析创建合理的模型布线7 2 2 1 模型布线实施方案9 第三章人物面部表情动态分析与研究1 5 3 1 嘴型动画可行性分析1 5 3 1 1 嘴型动丽特征分析1 5 3 1 2 嘴型动画解决方案2 1 3 2 面部表情动态特征探究2 l 3 2 1 尖叫的面部表情特征2 3 3 2 2 皱眉和打哈欠的表情特征2 3 3 2 3 大笑的表情特征2 4 3 2 4 恶心的表情特征2 4 3 2 5 咆哮的表情特征2 5 3 2 6 脸红的表情特征2 5 3 3 运用捕捉数据驱动表情动画一2 6 3 4 创建表情动画3 0 3 4 编辑非线性表情动画3 4 结论4 l 参考文献j 4 2 发表论文和参加科研情况4 3 致谢4 4 第一章绪论 1 1 课题研究背景和现状 1 1 1 课题研究背景 第一章绪论 从远古时期的甲骨图像到中国盛唐时期发明的皮影剧，是工艺美术家们把现 实图像抽象了的艺术成果，被称为动画艺术创作的起源。随着当今电子计算机技 术的飞速发展，使得在其旗帜下的高端数字新媒体技术支持的动画产业得到空前 繁荣和进展，动画技术在影视特效、弘习络游戏、网络博客及各种新多媒体中有了 新的立足点。 新世纪最有朝阳潜力的两个行业，是信息技术产业和文化内容产业。动画产 业作为文化内容产业中的重要支柱产业，j 下以席卷残云之势在全球文化产业竞争 中发挥着越来越重要的角色。其吸引了广大的全球受众和衍生产品消费者，多达 数十亿之。在三维动画领域中，三维动画电影和网络游戏片头宣传动画是其中发 展势头最为迅猛的两个闪耀恒星。 三维动画电影与系列片作为影视产业的一个分支，是建立在八大艺术和计算 机软硬件技术发展基础上而型成的一种综合性新型的艺术型式。早期主要应用于 军事领域。直到7 0 年代后期，随着p c 机的流行，计算机图型图像学才逐步拓展 到诸如广告设计、服装设计、建筑公共设计等领域。8 0 年代，随着电脑软硬件 的进一步提升，计算机图型图像处理技术的应用得到了空前的爆炸性发展，电脑 三维动画此时作为一个综合了多种学科的艺术型态真正走上了迅猛发展之路。 当我国富有浓厚民族色彩的传统手工动画技术和现代计算机三维动画技术 相结合时，中国动画发展才另辟了一条有自己民族特色的道路。我国早在9 0 年 代初就独具慧眼的看到了商机，大胆地引进国外先进而成熟的理念和技术，给我 国动画的跨越式发展注入了一股新的力量，而我国的动画设计师也不负受众所 望，在多年来的摸爬滚打中逐渐的摸索出了一条具有我国文化特色的道路。在未 来动画产业的发展前景中，数字技术与电子信息技术将成为一个强有力的推进 器。 7 一 ， 在当f j 玎的圈际动画产业竞争语境下，英、美、f l 、韩等国呈争先发展念势。 英罔数字娱乐产业成为全球最具竞争力的产j i 匕之一，已成为该困第一大支柱产 天津l ：业人学硕+ 论文 业。美幽的网络游戏业已经迮续多年超过汽车、飞机等制造业，成为全美最具潜 力的娱乐产业。同本网络游戏产业每年创造着几力亿同元的利润，f 1 本动画产业 年产值在国民经济中位列前位，动画产品的出口值远远高于重工业产品。新世纪 以来，全球数字内容产业年产值高达千亿美元，与游戏和动画业相关的周边衍生 产品产值则在万亿美元以上。 新世纪以来，新媒体和创意产业在我国发展迅速，尤其“数字艺术 的诞生 和飞速发展成为了一件令世人瞩目的新鲜事。2 0 0 3 - 2 0 0 4 年间我国动画娱乐产业 总收益已经丌始超过电影、电视等传统产业。当前，香港、杭州、湖南、北京、 上海、广东等省市已经成为了我国动画产业发展相对较快的省市。与此同时，各 级政府积极筹备动漫基地的建设，国家级动漫基地相继建立。 相比国际先进国家的动画产业的发展水平和经验，我国动画产业只是刚刚起 步孩奄。我国数字娱乐产业自主创新与研发能力普遍不高，大多动画公司的基本 业务以引进、加工、代理运营圈外的动画与网络游戏项目为主。例如，在当商 国 内运营和测试的上百款网络游戏中，依靠我囤动i l 哂公司自主能力研发的比例仅占 极少数；随着移动通信技术的发展与3 g 技术的应用，国内多达2 6 亿部的手机 用户群数量已经位居世界第一，但国内增值业务的利润只占手机总业务比重的 8 ，而美国超过7 0 、日本超过5 0 、韩国在4 5 以上。国内的动画市场处于深 度饥渴状态，市场供给远远满足不了需求。到今年年底，全国有4 7 个省市少儿 频道和三个卡通卫视频道开播，动画节目的需求量一年将达到1 0 0 万分钟，而我 国2 0 0 3 年全年国产动画片的产量仅2 9 万分钟，缺口巨大，且大多数企业“一 头在外 ，以加工同、韩等国动画片为主。2 0 0 3 年，我国国内电脑游戏产业产 值不足4 0 亿元人民币，从事网络游戏开发、运营的企业不过1 0 0 来家，游戏用 户4 0 0 0 万。动画业产值3 0 0 亿元；手机短信、游戏增值业务收入1 5 6 0 亿元。】( 1 庞大的国内市场和孱弱分散的动画原创力量致使中国动画市场8 0 以上的盈 利流向了日本、美国等动画产业发达国家，而且中国已成为全球动画衍生产品的 最大输入国。据统计，仅史努比、米老鼠、k i t t y 猫、皮卡丘和机器猫等动漫角 色，每年就从中国动画市场吸金上亿元。 国务院办公厅、国家广播电影电视管理总局等相关部门也就此在多个层面 上给予了政策上的支持。“加大投入力度、重点支持原创行为、推动型成熟的产 业链、增强动画企业的核心竞争能力”已经成为各级政府部门的共识。2 数字 媒体与新兴的娱乐互动媒体作为我国创意内容产业中的重要分支，文化创意产业 的整体发展规模很大程度上取决于他们的发展水平。然而，我国动画产业发展面 临成本回收难、厕面质量差的棘手难题：与此同时，国内的大量中小舰模制作公 司正遭遇着d 订期软硬件的投入费用使他们难以承受的内伤，苦于无法搭建一个真 第一章绪论 j 下有实力与国外其他动域强国竞争的舞台。然而，这些需要庞大的资会建立的动 画平台需要国家财政强有力的支持。要想提高我国动画产业的竞争力，国家强有 力的政策支持是必可少的一个重要环节。 在高科技同新月异高速发展的今天，美国三维动画片玩具总动员作为全 球首部全电脑制作动画，由于片中采用了火焰、水等流体特效，所以每一帧制作 时1 1 自j 都耗时好几个小时。该片的渲染机群由多达8 7 台双c p u 和3 0 台4 c p 的项级 电脑工作站组成。三维动画片玩具总动员的成功，引领世界动画进行了翻天 覆地的技术变革，原先的二维动丽i 逐渐地退出了历史，尤其以t h = 界动丽i 巨头迪斯 尼公司对他的二维动画部门进行了大刀阔斧地解散和重组为标志，标志着三维动 丽技术的广泛应用已经成为动丽制作的主流。 三维动画制作的步骤分为前期策划、角色和场景设计、分镜头故事板设计、 三维模型的创建、三维材质的绘制、角色模型骨骼绑定、调节角色行体动画、调 节角色表情动两、灯光、渲染、后期特效、合成，最后输出动硒成品。表情动厕 这一制作坏常虽然只是动画制作流程单的一小部分，但是它的成败对于一部三维 动画片的成功至关重要。 随着科学技术的进步，为了制作出非常栩栩如生的型体动画和表情动画，动 作捕捉技术应运而生，m o ti o nc a p t u r e ( 动作捕捉技术) 是通过在演员的关节处 安装粘贴跟踪器，由m o t i o nc a p t u r e 系统捕捉跟踪器位置，再经过计算机处理 后向动画师提供可以在动画制作中使用的数据。通过运用这一技术，使得三维动 画更为生动逼真，极大的提高了三维动画的制作效率。在传统的动画制作中，每 个人物的动作和表情都是由动画师一帧帧手动调整的，这样就导致了动画的制作 过程变得十分烦琐、复杂，且极易出现误差，效率很低。所以一般使用三维动画 制作软件制作出来的动作时间都不会很长，而且有些动作制作得十分拙劣。这套 设备的本质是在动画制作中角色的动画不需要制作人员手工调节，而是用专业的 红外摄像头捕捉表演演员的运动轨迹来合成最终逼真的画面，从而产生与表演者 一模一样的动画数据，这样就使得制作出的动画非常地生动逼真。但是，这套运 动捕捉系统价格昂贵，在我国也只有屈指可数的几个大型动画游戏公司可以承 受，例如：我国游戏企业的老大，盛大公司在开发神迹游戏时，斥千万巨资， 从美国引进全套m o t i o nc a p t u r e 设备。仅为了解决动画游戏制作中的一个制作 流程而斥资购买这套高昂的运动捕捉设备让很多中小企业望而生畏，而大量的中 小动画企业才是我国动画产业的中坚力量，这极大的阻碍了我国动画产量的提 高，遏制了我国动画产业的发展。 一 1 1 2 研究现状 天津i ：业人学硕十论文 从现实人脸表情的研究分析中概括表情动画特征并应用于三维动画片的制 作是一个具有较大难度且又有实际意义的研究课题。我国三维动画片中的表情动 画一直让3 d 动画师头疼不已，制作出的面部表情不生动有以下几方面原因：动 画最大的特点就是对真实世界动作的夸张，然而很多动画制作人员对真实世界的 人物面部表情的观察都不深入，更别提在制作过程中有意图地夸张面部表情了， 最终使得表情平板不生动；其次是动画制作人员制作技术的欠缺，使得制作效率 低下，不能很好的进行随心所欲的工作，俗话说“工欲利其器，必先善其技。 传统的表情动画制作方法有两种，一种方法是在m a y a 软件当中，将面部分 解成百上千个控制点，利用改变点的位置来调节虚拟人物的面部表情。由于要表 现的表情越多，控制点的个数也越多，可以试想一下，当动画人物要说话时，就 要在数千个控制点中，选取合适的点，把它们移动到合适的位置；在下一个口型 动画中，再重复以上操作，直至调整到正确的表情和嘴型；而且如果在动画预览 的阶段发现口型快了或慢了，只好重新调整人物表情，让他在证确的时间罩张证 确的口型，这种方法的操作非常繁琐。另一种方法是3 d s v t a x 软件当中，利用软 件自身所携带的b o n e 骨骼工具，按照面部肌肉走向，在每一组肌肉的位置加入 骨骼，并进行蒙皮和添加控制器。这种制作方法的缺点是完成面部骨骼创建后， 面部蒙皮操作非常繁琐，需耗费大量的时间和精力，并不适用于大型的动画片项 目制作，只适用于个人动画短片的研究。如下图1 - 0 ： 图1 - 0 第一章绪论 1 2 研究目的和意义 动画产业是新世纪的朝阳产业。追溯其发展史，动画发展不超过一百年。但 是就在这短暂的百年间，动画产业发生了翻天覆地的变化。三维动画作为近年来 迅猛发展的综合影视艺术，发展势头强劲，应用领域广泛。鸟瞰全球数字娱乐市 场，三维动画蓬勃兴旺。计算机三维动画( 含影视特技、网络游戏、虚拟现实等) 在全球已经型成每年数百亿美元的巨大市场，并呈不断递增的趋势。以下这些是 笔肯收集自不同渠道的信息和数掘，在全球动砸面蒸蒸几上迅猛发展的语境下，计 算机三维动画创造的梦幻视觉奇观不仅赢得了世界上亿万观众的欢呼和期待，它 创造的令人难以置信的高额利润h - n 更是i 吸引了大量“风投的投资欲望。三维 动画片的娱乐性与趣味性，不但吸引了大量的优秀青年才俊投身于动画领域，也 吸引了越来越多的动画粉丝，成为数字艺术与计算机技术相结合的完美杰作。现 在，你可以在电视栏目包装制作、魔幻电影、产品广告、房地产宣传片中看到大 量三维动画的身影，“只有想不到的，没有做不到的。”三维动画独有的无所不 能的超儿魅力正震撼着人们的心灵，改变着人们的传统观念。正由于三维动画的 如此魅力与市场无限的需求，所以一些年轻人开始涉足这一行业，以开三维工作 室、办三维动画公司为手段来实现自己的动画梦想。他们以三维动画作为自己创 业的起点，用自己的实干牵引梦想之舟，走向创富彼岸。 我国三维动画片中，较突出的问题就是片中动画角色的面部表情过于呆板， 就像“死鱼眼睛 一样毫无生机。而人的面部可以表现出成千上万、不计其数的 微妙表情。其表情的变化十分迅速、敏捷和细致，能够真实准确地反映情感，传 递信息，吸引对方的注意。在你未开口之前对方就从你的面部表情上获得了一定 的信息，对你的气质、情绪、性格、态度等有所了解了。所以有句话说得好，看 人先看脸，脸是人的价值与性格的外观。所谓脸面不仅是指人的长相，主要是指 面部表情。为了解决“面部表情不生动这一难题，我国屈指可数的几个资金雄 厚的大公司可以花千万巨资引进国外的先进设备改进制作流程，提高制作水平。 而我国大部分的中小动画企业财力不充足，不可能引进那样的先进设备，只能在 这个问题上挣扎。针对这种情况，利用计算机图型学和人机交互学，笔者拟研究 一种新的表情动画制作方案，通过这个方案可以方便快捷地制作出生动逼真的表 情动画，即优化了三维动画片的制作流程又加快了整个动画片项目的制作进度和 成片质量，还为我国的中小型动画企业解决了“如何在模型上真实地模拟面部表 情运动，产生具有真实感的表情动画”的这一制作难题。 具有真实感的三维面部模型的构造和表情动画模拟一直是计算机图型学和 人机交互学中的个重要研究领域。面部表情动画的研究可以拓展到制作虚拟环 天津ji ：业人学硕十论文 境中的虚拟人物，如虚拟播音员、虚拟导游等：还可以应用在电影制作、广告、人 物动画及游戏等许多领域。 1 3 研究思路及方法 ( 1 ) 在研发制作表情动画方案亩仃，首先要研究出标准的合理的人物面部模型。 一般来说，计算机人物面部建模工作包括以下两个过程：构造面部模型和纹理的 处理( 生成真实感的人脸) 。而构造人物面部模型过程又包括面部数据的获取和 面部模型的表示等两项工作。对纹理的处理的目的是为了增强模型的真实感，它 包括纹理的生成，光照的处理和脸部细节的处理等工作。 ( 2 ) 接着深入的分析面部肌肉的走向、分布和收缩方式，这一步骤是创建面 部模型布线时必不可少的步骤。由于一般三维动画中模型的面数是有一定的限制 的，布线过多会拖慢计算机的运行速度，但是布线不够的话又不能很好的表现想 要的表情动画，因此“合理和足够的布线”是三维动厕项目中人物面部表情动画 的重要标准。 ( 3 ) 研究解决三维动画中的面部表情问题时，还需要对整个面部肌肉进行综 合分析。单纯只有某一部分的肌肉运动不能够准确表达体现人物内心活动的表 情。 ( 4 ) 在三维动硒中视觉美学的研究也是不可缺少的。视觉美学伴随着新媒体 的出现而诞生，它的出现是因为新媒体艺术中产生了一些新的美学现象和美学概 念，真性视觉美学( 恐怖谷定律) 就是新兴诞生的美学理论中的一个分支。人们 对艺术作品所呈现出的艺术形象产生的认同感取决于一条原则，即一种视觉造 型如果不够拟人( 或动物) ，那么它的类人特征就成为突出的关注点，产生心理 认同的移情；但是，当到达一定程度，该造型接近“非常拟人，则它的非类人 特征就成为显眼的部分并引起了主要的关注，导致心理上的厌恶和恐惧感，使好 感度掉入深谷。这就是我们称之为“恐怖谷定律”视觉美学现象。恐怖谷理论由 闩本机器人专家森昌弘提出，当机器人与人物相像超过9 5 的时候，哪怕它与人 物有一点点的差别，都会显得非常显眼刺目，让整个机器人显得非常僵硬恐怖， i l = 人有面对行尸走肉的感觉。也许正因为如此，许多机器人专家在制造机器人 时，都尽量避免“机器人 外表太过人格化，以求避免跌入“恐怖谷陷阱 。恐 怖谷定律是c g 视觉美学的一条普遍性规律，它揭示了数字技术的可能性和受众 心理可接受度的内在关系，反映了从物理真实过渡到虚拟真实的客观要求。这也 是为什么美圈优秀的动画片中大多以夸张的造型作为主要角色的原因。h 神 第二章模型布线可行性分析 第二章模型布线可行性分析 2 1 创建合理的模型布线 人物内心的喜、怒、哀、乐及语言都是通过面部肌肉的运动所表现出来的， 而这些表情的变化都是通过面部肌肉的运动所产生的，所以要了解表情的变化， 首先有必要了解一下面部的肌肉的构成，明白哪些面部肌肉的运动会产生我们常 见的各种表情。在头部肌肉中，有超过二十入块以上的肌肉对人物的面部表情产 生影响。熟悉这些，可以掌握表情肌的运动方向，对后面在做表情动画时相当重 要。实际上，面部任何一种表情的产生并不仅是某一块肌肉的作用，而是由多块 表情肌共同作用的效果。人物表情是受内心的心理活动支配的，不同性格、不同 外貌特征的人物表情都存在着差异，所以并不能以一定的模式来表达。另外，还 需注意的是，人物表情的描绘，不仅只有面部表情的变化，往往还需附加上身体 其它部位的动作语言才能表现出人物的丰富内心世界。 国外动画大师对面部表情进行研究时与心理学家联系密切。例如，在2 0 世 纪6 0 年代，一位心理学家获得了美国国防部给他的巨额研究经费，这笔经费用 于研究人类共有的常见表情和常见体态，分析基于地区文化的差异所表现出来的 表情类型有哪些。这位心理学家深知在这个项目的研究过程中会出现的无比困 难。他脑海中立刻浮现出了前一段时间报道的上个世纪著名的几位心理学家所做 的一项关于表情的研究因遇到困难半途而废了。 当时主流专家的观点认为，地域文化决定了人物的表情和姿势，但这一观点 缺乏实验证明和理论支撑。因此，美国国防部投入了大量的经费用于研究这一领 域。 1 9 7 8 年这位心理学家发布了面部动作编码系统( f a c s ) ，这花费了他8 年的 时间。这项研究指出，人脸部的肌肉有4 3 块，可以组合出l 万多种表情，其中 3 0 0 0 种具有情感意义。根据人脸解剖学特点，将其划分成若干相互独立又相互 联系的运动单元( a u ) ，比如第1 2 号a u 包括两块颧肌，第6 号a u 则是眼外侧的 轮匝肌。分析这些运动单元的运动特征及其所控制的主要区域以及与之相关的表 情，就能得出面部表情的标准运动。2 0 0 2 年，面部动作编码系统进行了一次升 级，对表情的捕捉准确率达到了9 0 。如今这些面部表情的肌肉运动成了动画片 制笔者们的参考标准，埃克曼是皮克斯和工业光魔等动画工作室的情绪表情顾 问。】3 7 天津ji ：业人学硕+ 论文 在进行面部表情动画的研究时，前期创建的头部模型合格与否决定了后期动 画制作时的逼真与否。因此，创建头部模型首先要依据面部肌肉的走向绘制拓扑 网格，接着根据拓扑网格图在三维软件中制作三维立体模型，最后根据拓扑网格 行精确的合理的布线，为以后的表情动画调节作准备。如图2 一o 为绘制的面部 扑网格线，图2 - 1 为依照拓扑网格线制作的三维模型。 图2 一o 第二章模型布线可行性分析 2 2 1 模型布线的实施方案 以下案例是对人物的面部肌肉经过研究总结后绘制的标准布线模型。布线的 密集区域分布主要集中在面部表情活动较多的嘴唇四周和眼部。布线构建遵循面 部肌肉的走向，特别是人类的五官周围要仔细研究。如图2 2 幽2 - 2 首先分析一下如何根据人物的面部肌肉走向来创建三维模型，在制作角色面 部表情动画时，人物头部模型的创建是首要的步骤。构建模型布线走向，最重要 的目的是为了让表情动画生动逼真。创建模型之前，首先要对面部肌肉的结构进 行细致的研究。表情肌肉：面部表情肌属于皮肤，是一些薄而纤细的肌纤维。一 般起于骨或筋膜，止于皮肤。收缩时牵动皮肤，使面部呈现出各种表情。如图 2 - 3 立鲨坠燮堂堡笙窒 图2 - 3 眼睛周围的肌肉和嘴部周围的肌肉是面部肌肉最丰富的区域，其它部位会相 应的会受这些肌肉的影响而产生运动。所有我们重点研究眼睛和嘴部的肌肉分稚 第二章模璎布线可行性分析 降眉间肌与降眉肌位于鼻根上部的皱眉机内侧，它的收缩运动会产生皱眉与 舒展眉头的表情，伴随着这些表情的变化在鼻根处会产生皱纹。通常，这两块肌 肉共同的运动表现出了人物内心情绪的变化，这些情绪变化包括：愁闷、质疑、 赞赏、自豪等。 环状的口轮匝肌和放射状的提肌相互运动可以实现很多表情，因此嘴部周围 的布线相对聚集。口轮匝肌内圈在收缩时，能紧闭口裂呈抿嘴的表情，外圈收缩， 鬻并在颏肌的作用下产生撅嘴的表情。 嘴角的布线构建特别要留心上嘴唇和下嘴唇的相互关系。笑肌和颧肌肉的起 点是靠近下嘴唇的嘴角部。笑的时候牵动的是下嘴唇的末端，上唇是被动牵引。 在布线过程中务必要有一条完整的环状线确定鼻唇沟，这点尤为重要。鼻唇 沟和颏唇沟这两条曲线分布在口部周围，他们对面部表情的变化影响较大。由上 唇方肌和颧骨的上颌突共同构成的鼻唇沟，位于鼻翼两侧一直延伸至嘴角两侧。 由下唇方肌和颏隆凸构成的颏唇沟，位于下唇边缘同时消失于颏结节。如图2 6 臻 - i 繁 图2 - 6 鼻唇沟位于面颊中下部的嘴唇上部，它产生的原因是面部活跃的肌肉组织与 静止的肌肉组织共同作用的结果。常见的如微笑、哭泣等表情在一定程度受到了 鼻唇沟形态改变的影响，当一个人表现出过于夸张表情时，他的鼻唇沟由于肌肉 的相互作用会加深。 在1 3 - 1 8 岁的年龄段，肌肉运动产生的各种面部表情变化给人一种自然平和 的感觉。当成年时，面部肌肉逐渐出现衰老，特别是鼻唇沟的加深成为突出特征， 这是由于面部逐渐干瘪的皮肤松垂堆积于鼻唇沟的颊侧，以及鼻子周围肌肉的频 天津：l ：业人学硕+ 论文 繁活动，因此人们在没有表情的静止状态下，鼻唇沟呈现逐渐加深、变宽及伸长 的型体变化。如图2 7 一 笙三童塑型塑垡里堑丝坌堑 之能被动画控制器完美调节。鼻唇沟部位的布线合理与否，决定着面部表情动画 丰富逼真的程度。 模型布线时要尤其注意嘴角的御线走向，由于嘴角部周围肌肉的活动范围较 大，很多表情需要嘴角部肌肉的运动表现出来。所以嘴角部周围需要足够的布线 敞j t 密集度来构建，才能满足模型布线的需要。如图2 9 图2 9 一 模型布线时要注意调节脸部布线的交叉点，交叉点是眼轮匝肌和环状的口警 匝肌布线过程中产生的交会点。在检查模型和线合理性时把这个点放在不宜于动 画控制器操作的范围内。如图2 1 0 图2 1 0 ，模型柿线时要注意面部后下方的布线，应该按照下颚骨和咬肌的运动方向进 行合理布线。如图2 1 1 二莶望些人堂堡笙窒 第三章人物面部表情分析 第三章人物面部表情分析 3 1 人物嘴型动画实施方案 3 1 1 嘴型动画特征分析 一个三维动画中的人物角色具有了丰富的肢体动作，还不能看作是一个完整 的人物已经制作完成，还需要使他能够表达话语和发出各种声音。这就需要对人 物嘴部的各种运动状态进行深入研究。 在表情动画研究过程中，对嘴部运动状念的研究至关重要。嘴唇闭拢表示 一一一一和谐宁静、端庄自然；嘴唇半丌表示疑问、奇怪、有点惊讶，如果全开就表示惊一 骇；嘴唇向上表示善意、礼貌、喜悦；嘴唇向下表示痛苦悲伤、无可奈何；嘴唇 撅着表示生气、不满意；嘴唇绷紧表示愤怒、对抗或决心已定。1 上述是嘴部 常见的可以表达的表情，当人们在研究表情动画时，通常专注于眼睛表情达意的 探索，常常忽略了对嘴部的详实研究。一位心理学家为了比较眼睛和嘴部对表情 产生的不同影响，于是他将许多表现某种表情的照片排列开来并重新配对，例如 当他把表现郁闷表情的眼睛和一张表现高兴表情的嘴组合在一起时，产生了某种 奇妙的表情效果，高兴表情的嘴对表情的影响力大大超过了郁闷表情的眼睛，这 张奇怪的照片呈现了奇妙的微笑表情，这个实验结果证明了嘴比眼对表情的影响 力更大。问题倒不在于嘴与眼相比，谁的表情表现力更强，而在于我们的嘴部即 使不发出任何声音也会让人感觉到嘴部表现出了丰富的表情。可见，面部表情能 够传达多么复杂而且无比微妙的感情信息。 因此，要实现人物面部表情生动逼真的动画效果，嘴型动画的生动性至关重 要，首先分析现实中的人物是如何通过嘴部的运动说话的。人们之间要从事各种 各样的交流活动，语言表达是主要手段。而语言的表达，是依靠嘴部的肌肉运动 实现的。人物在经过几千年的进化后，不同民族之间已经发展出各种不同的语言 型式，例如汉语、英语、德语等不同语言，这些语言在发音上有一定的区别，但 相同的是，这些语言的不同发音，实际是由一些基本音素构成的。所谓音素就是 在语言系统中最小的部分，是构与语言或语调的最基本单位。这有点类似于辅助 发音的汉语拼音或者英语音标等，通过这些基本音素即可组成一段对话的发音。 这里以荚困英语发音为例，如g o o d ，其中“0 0 ”发音为 o u ： ，属于一个基本的 “( ) ( ) o ”元音音素“g 和“d 分属于浊辅音和清辅音，所以整个单词发音就 天津ji ：业人学硕+ 论文 是“g o o o _ d ，共有三个口型构成。这看上去很简单，但在三维动画中能够成 功做到唇型同步却是相当困难的。这晕所说的唇型同步是指在做面部的口型动画 中，需要同步调整嘴部的口型以匹配所记录的对话发音。 正确合理的口型对于制作面部口型动画是至关重要的。在英语发音中，大约 有四十种基本的音素。根据这些音素发音口型的共同性，可将它们归类成八种口 型或者更细至十六种口型。这些口型分析是做口型同步动画的基础。如图3 - 1 所 示的是单词l o n g 和与之匹配的发音口型。 幽3 1 根据这些基本音素，以及实际发音时口型的情况，可以知道，在英语发音的 口型变化中，单词发音时的口型以元音音素的口型为主，其它音素如滑音、爆破 音等在口型保留的时间上很短，基本上都是朝着元音口型上变化。明白这点非常 重要，因为如果在说话速度较快的时候，差不多主要见到的都是各个单词的元音 音素的发音，而其它的则是一带而过或者根本就没有显示出口型。如图3 - 2 所示 的是英语单词h a r d 的发音口型，其中主要发元音a 的音。 图3 2 依据单词元音发音的规律习惯，可以确定出各个音素发音的位置。如图3 - 3 所示，高点部分描绘的是重读单词的发音，而低点则是单词之问发音的过渡部分。 例如图中的a 点是单词“g o o d ，在b 点是“t o ，而c 点则是“i t 。一 第二章人物面部表情分析 图3 - 3 以下笔者详细的划分了这些音素发音时口型的变化及分类。这里把这些音素 发音分成a h a 、e e e 、w o u 、b m p 、s h h 、f f v 、g n k 、s z z 等八种基本口型， 为的是在的口型分类较少的