专利名称：虚拟人脸部颜色变化控制方法
技术领域：
本发明涉及一种人脸部颜色变化控制方法，特别涉及虚拟人脸部颜色变化控制方法。
技术背景三维人脸动画是计算机动画研究的一个重要内容，主要研究如何真实地模仿人的面部表 情及动作。人脸模型表现情感的方式是多方面的。除了面部表情、局部肢体动作之外，面部 的颜色变化也是表现情绪的一个重要方面。而对情感的计算机表达研究，即某种情感到底应 该用什么样的脸部颜色来表示、颜色会不会还要变化等方面研究还非常少见。但虚拟人情感 表达中脸部色彩变化是必不可少的研究内容，这将使虚拟人的情感表达更为逼真，符合现在 对虚拟人真实感表现不断提高的要求。文献"Modeling of Vascular Expressions in Facial Animation,Computer Animation,1994,:50 58."公开了一种面色变化的表情模型。该模型定义了最小可察觉的颜色运动来控制人脸不同 部分的血液循环，进而产生面部颜色的变化。该方法在纹理图上定义了一些Be2ier平面片形 状的MPCA区域，通过象素估值计算每个象素的参数变化，该象素参数可改变纹理图象的颜 色属性。虽然用这种技术，可以实现脸色苍白和面红耳赤的效果。但是该模型建立的过程非 常复杂，运算量大，不易实现。同时人脸面部的血管分布和流量规律存在很大的差别，缺乏 通用性。当参数变化过大时，颜色在面部无法均匀变化，真实感降低。 发明内容为了克服现有技术建模过程繁琐，运算量大，通用性差和颜色变化不均匀导致的 真实感降低的不足，本发明提供一种虚拟人脸部颜色变化控制方法，通过人脸面部颜色 随情感的变化规律，统计了不同情绪下人脸颜色的变化值，进一步提出了一种新的基 于GPU的人脸颜色参数模型。该参数模型通过控制面部特征点的颜色值来达到改变面 部颜色的目的。对不同特征点的作用范围使用不同的区域划分规则，目的是使颜色变 化的范围更加真实可信。同时采用帧间插值算法，使得每一个动画帧中的颜色值能够 平缓自然的变化，可以增强虚拟人脸部颜色变化的真实感。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 一种虚拟人脸部颜色变化控制方法，其特点是包括下述步骤首先通过三维激光扫描仪、3DSMAX三维建模软件、MAYA三维建模软件或者Poser专 业人体建模软件，获取三维人脸网格模型，模型以人物的鼻尖为基准，建立坐标系I，水平向右方向为X轴正向，垂直向上方向为Y轴正向，Z轴垂直于XOY平面向3，三个轴方 向符合左手法则；然后将不同情感的脸部颜色变化以MPEG4的划分为基准分类，针对面部不同部位在同 一情感状态下颜色的变化规律，将这些颜色分解为R、 G、 B三基色，建立颜色变化的数学模 型；将人脸面部分为额头、左颊、右颊、鼻尖、下颏五部位，结合MPEG-4标准中定义的人脸 定义参数将人脸面部做进一步的区域划分，确定面部特征点控制的区域范围，选取脸部颜色 变化明显的区域中心点作为特征点，围绕特征点划分颜色变化的区域范围，以不同模型的脸 型为准，选用圆形或者椭圆形，进行区域叠加；在两个给定帧之间进行参数的插值计算，生成中间帧的参数值。本发明的有益效果是由于使用了MEPG-4中定义的人脸特征点，划分了每个特征点 的作用范围，提高了模型的通用性；通过改变特征点的颜色值，带动该点周边影响范 围内点的颜色改变，简化了数序模型，大大降低了运算量。采用帧间插值算法，实现 颜色变化的平滑过渡，提高了虚拟人脸部颜色变化的真实感。下面结合附图和具体实施方式
对本发明作详细说明。
图1是本发明虚拟人脸部颜色变化控制方法流程图。 图2是本发明虚拟人脸部颜色变化控制方法中人脸定义参数示意图。 图3是本发明虛拟人脸部颜色变化控制方法中三维人脸网格模型示意图。
具体实施方式
参照图1~3，本发明首先通过三维激光扫描仪扫描真实人脸得到原始的三维人脸网格点 模型，或是通过3DS MAX或者MAYA等三维建模软件，建立人脸三维模型，也可以是通过 Poser等专业人体建模软件，从其模型库中直接导出所需的三维人脸网格模型(见图3)。通过视频资料、图片资料，将不同情感的脸部颜色变化分类。激动时人脸颜色变化归为 一类，羞愧时人脸颜色变化归为另一类。针对同一种情感，以MPEG4的划分为基准，以统 计的方法，研究面部不同部位在同一情感状态下颜色的变化规律，并将这些颜色分解为R、 G、 B三基色，研究三基色的比例，建立颜色变化的数学模型，为主动合成某一情感的颜色变化 提供依据。人的面部颜色随情绪变化分为两种红色或者白色。改变的方式也分为渐变和瞬变两种。 因此，将颜色模型的主要变化参数设置为颜色和时间。将人脸面部大致分为额头、左颊、右颊、鼻尖、下颏五部位。同时'结合MPEG-4标准中定义的人脸定义参数(FacialDefinitionParameter,FDP)将人脸面部做进一步的区域划分， 确定面部特征点控制的区域范围。人脸定义参数FDP提供人脸特征点、网格、纹理、人脸动 画定义表等数据。在一个FDP域中包含以下五方面内容(1) FeaturePointsCoord，指定网格中所有特征点的坐标。(2) TextureCoords，指定所有特征点在纹理上的坐标。(3) UserOrthoTexture，指定纹理的类型。如果UserOrthoTexture值为FAI^SE,则纹理采 用圆柱投影，如果UseorthoTexture值为TRUE，则纹理采用正投影，计算非特征点在纹理上 的坐标。(4) FaceDefTables,即人脸动画定义表，描述人脸网格变形的控制方法和参数。(5) FaceSceneGraph,包含一张纹理图像。 参数模型算法充分利用图形处理单元(Graphics Processing Unit, GPU)提供的可编程特性及强大的计算能力，绘制出具有真实感的面部颜色，同时满足实时绘制的速度要求。 为了提高脸部颜色变化的真实度，需要注意三个方面 (1 )特征点的颜色随时间变化的规律；(2) 特征点影响区域中的颜色随时间变化的规律；(3) 颜色变化区域中渐变的平滑度。 所选取的特征点是脸部颜色变化较为明显的区域的中心点，如图2中的5.3、 5.4、 11.1特征点。围绕特征点划分颜色变化的区域范围，划分原则是以不同模型的脸型为准，选用圆 形、椭圆形等二维图形，可做适当的区域叠加，以弥补单一图形造成的覆盖范围不严密等问 题。也可使用三条以上的线段来圈画出不规则二维图形，用以贴合不同的脸型，提高逼真度。 从视频资料中提取出每一帧的人脸特征点颜色值，对数据做差值处理Af; (r, g， W = ^ (r, g， 6) - & (r， g, 6) (1)其中,'表示特征点的序列号，/表示视频帧的序列号，^(r,g,&)为起始帧中第!'个特征点的颜 色值。利用A^.(/",g,6)的变化规律，拟合出每个特征点R、 G、 B值的变化曲线函数G,,=2> (2) G,g=2>x" (3)(4)其中x为时间值，G,.r、 、C^分别为第z'个特征点的R、 G、 B变化曲线函数。 特征点影响区域中点的颜色值随时间和距离变化的规律可由下面的式子表示-W'-l-《/《狀 (6)《H尸d (7)其中w,为第/个特征点的影响权值，《为影响区域内点的坐标值，包括x、 y两个分量，f为 第Z个特征点的坐标值。《max =加狀 )为第/个特征点所影响区域的最大半径。 将所有特征点影响区域中点的颜色的变化值叠加在原始的纹理图片上r = (r0 + J z (8)其中r。表示为原始纹理图片的颜色值矩阵，丄为光照模型，r表示变化后纹理图片颜色值矩 阵。在动画播放时，为了保证动画效果的逼真性和播放的连续性，可以在两个给定帧之间进 行参数的插值计算，生成中间帧的参数值。其算法如下Fmw=&,xi^+G — A)xi^ (9) /fc,=/〃^ (10)其中/,为第/帧目前剩下的时间，/,为第/帧所需的总时间，t为当前已用的总时间，i^,表示 当前帧即第/帧，尸_表示下一帧即第/+1帧，F^表示中间帧。逐帧渲染，即可得到逼真的 虚拟人面部颜色变化动画。
权利要求
1、一种虚拟人脸部颜色变化控制方法，其特征在于包括下述步骤首先通过三维激光扫描仪、3DS MAX三维建模软件、MAYA三维建模软件或者Poser专业人体建模软件，获取三维人脸网格模型，模型以人物的鼻尖为基准，建立坐标系XYZ，水平向右方向为X轴正向，垂直向上方向为Y轴正向，Z轴垂直于XOY平面向内，三个轴方向符合左手法则；然后将不同情感的脸部颜色变化以MPEG4的划分为基准分类，针对面部不同部位在同一情感状态下颜色的变化规律，将这些颜色分解为R、G、B三基色，建立颜色变化的数学模型；将人脸面部分为额头、左颊、右颊、鼻尖、下颏五部位，结合MPEG-4标准中定义的人脸定义参数将人脸面部做进一步的区域划分，确定面部特征点控制的区域范围，选取脸部颜色变化明显的区域中心点作为特征点，围绕特征点划分颜色变化的区域范围，以不同模型的脸型为准，选用圆形或者椭圆形，进行区域叠加；在两个给定帧之间进行参数的插值计算，生成中间帧的参数值。
全文摘要
本发明公开了一种虚拟人脸部颜色变化控制方法，首先获取三维人脸网格模型；然后建立面部颜色变化的数学模型；将人脸面部分为额头、左颊、右颊、鼻尖、下颏五部位，确定面部特征点控制的区域范围，选取脸部颜色变化明显的区域中心点作为特征点，围绕特征点划分颜色变化的区域范围，以不同模型的脸型为准，选用圆形或者椭圆形，进行区域叠加；在两个给定帧之间进行参数的插值计算，生成中间帧的参数值。由于使用了MEPG-4中定义的人脸特征点，划分了每个特征点的作用范围，提高了模型的通用性；通过改变特征点的颜色值，带动该点周边影响范围内点的颜色改变，简化了数序模型，大大降低了运算量。采用帧间插值算法，实现颜色变化的平滑过渡，提高了虚拟人脸部颜色变化的真实感。
文档编号G06T15/70GK101593363SQ20091002303
公开日2009年12月2日 申请日期2009年6月24日 优先权日2009年6月24日
发明者吕国云, 樊养余, 毅 王, 燕 王, 敏 齐 申请人:西北工业大学