專利名稱：一種虛擬人眼部運動控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計算機三維動畫技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種虛擬人眼部運動控制方法。
背景技術(shù)：
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(chǔ)。具有真實感的三維人臉動畫有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，可以用來模擬虛擬環(huán)境中的虛擬人物，如影視劇中的虛擬人物，還可以應(yīng)用于計算機仿真、視頻會議、遠程醫(yī)療等許多領(lǐng)域，而眼睛作為人類面部情感表現(xiàn)的關(guān)鍵載體，對人類情感交流有著重要作用，眼部運動控制及表情仿真直接影響著虛擬人物面部表情合成的真實性，因此，對于人眼模型的運動仿真具有重要意義。
目前人臉面部表情動畫仿真方法主要有基于MPEG-4的人臉表情動畫和基于肌肉模型的表情動畫兩種。
MPEG-4的人臉表情模擬方法是一整套人臉模型化描述方法，包括用于定義人臉模型的面部定義參數(shù)FDP (facial define parameters)和一組用于定義人臉部動作的人臉動畫參數(shù)FAP(facial animation parameters)。 FDP共包括了 84個特征點的位置信息來定義人臉模型，這些點不僅包括外表看得見的人臉特征點，還包括了舌頭、牙齒等口腔內(nèi)器官的特征點。FDP參數(shù)包括特征點坐標、紋理坐標、網(wǎng)格的標度、紋理面部、動畫定義表等臉部的特征參數(shù)。與靜態(tài)的FDP參數(shù)相對應(yīng)的是動態(tài)的FAP參數(shù)，它分為10組，分別描述人面部的68種基本運動和6種基本表情。FAP是一個完整的臉部運動的集合，每種FAP描述人臉某一塊區(qū)域在某方向上的運動，左眼和右眼上眼皮的上下運動則分別通過FAP19和FAP20描述，通過將所有FAP結(jié)合起來可以表示人臉復(fù)雜的表情。
肌肉模型是以人臉的解剖學為基礎(chǔ)開發(fā)的，既考慮了臉部的肌肉活動，也考慮了臉部的結(jié)締組織層對肌肉運動的影響。這種模型將人臉描述為一種層狀結(jié)構(gòu)的實體，層與層之間由許多彈簧相連，采用跟蹤非剛性的面部肌肉特征運動，以達到合成瞬間表情的目的。Waters模型包括兩類肌肉，產(chǎn)生拉伸的線性肌肉，產(chǎn)生擠壓的括約肌，肌肉擁有向量屬性，獨立與基本的骨骼結(jié)構(gòu)。這使得肌肉模型獨立于特定的臉部拓撲。每塊肌肉都有一個影響區(qū)域。特定肌肉的影響隨著肌肉向量點的徑向距離而減小。根
據(jù)專利檢索，申請?zhí)枮?00610153032.0，名稱為"一種復(fù)雜表情仿真系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法"的發(fā)明專利申請中就是采用先根據(jù)解剖學結(jié)構(gòu)定位出眼皮的控制對象，再通過肌肉模型控制眼部網(wǎng)格點運動的方法實現(xiàn)眼部表情動作仿真。
上述兩種人臉動畫方法主要是先根據(jù)一定的規(guī)則在三維人臉網(wǎng)格模型上選定控制點，再由控制點的運動位移和它對非控制點的影響因子，計算出非控制點的運動位移，最后根據(jù)計算結(jié)果移動非控制點，從而驅(qū)動三維網(wǎng)格模型運動，實現(xiàn)各種表情。在這兩種方法中都沒有專門針對人眼閉合運動給出具體的網(wǎng)格點運動控制方法。同時，由于受到所選取的控制點位置和數(shù)目的限制，大量對眼部運動效果起到重要作用但沒有被選作控制點的其他網(wǎng)格點則只能通過某種控制算法在控制點的驅(qū)動下進行位移，實現(xiàn)網(wǎng)格變形，其運動規(guī)律不明確，對人眼閉合過程的模擬效果不理想，仿真結(jié)果的真實性較差。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)在模擬人眼閉合運動時對網(wǎng)格點的控制不夠精確，仿真結(jié)果真實性不強這一缺點，本發(fā)明提出了一種新的人眼運動控制方法，以彌補上述兩種方法在網(wǎng)格點運動速度及程度控制方面的不足，提高人眼動畫的真實感。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟-
首先獲取三維人臉網(wǎng)格模型，即采集三維人臉網(wǎng)格模型數(shù)據(jù)，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(wǎng)格模型，應(yīng)用此方法可以同時獲得大量的三維數(shù)據(jù)和紋理信息，或是通過3DSMAX或者MAYA等三維建模軟件，由設(shè)計人員手工建立人臉三維模型，也可以是通過Poser等專業(yè)人體建模軟件，從其模型庫中直接導(dǎo)出所需的人頭模型及相應(yīng)的紋理信息。
然后根據(jù)眼部的運動特性設(shè)計運動控制點，使用計算機的輸入設(shè)備，如鼠標拾取、或者鍵盤輸入，按如下方式指定已有的網(wǎng)格點作為運動控制點通過對人眼閉合動作的特征進行分析，可將眼皮的閉合運動看做是在上眼瞼邊緣點的帶動下所做的彈性弧形拉伸，因此，參照MPEG-4中對眼部FDP控制點的定義(如圖l所示)，選取上眼皮邊緣處的所有網(wǎng)格點作為運動控制點。
在本發(fā)明中，根據(jù)MEPG-4中對人眼FDP的定義，在網(wǎng)格模型中選出上眼皮邊緣的最高點及兩個眼角點，以兩個眼角點的連線為一條邊，以平行于該邊并經(jīng)過最高點的直線作為另一條邊限定出一個矩形區(qū)域，并在此區(qū)域中進行邊緣控制點的選取。設(shè)定XO^坐標系，x軸平行于兩個眼角點的連線，通過矩形區(qū)域邊界條件的限制，統(tǒng)計出落在此區(qū)域中的全部網(wǎng)格點，共W個，將矩形區(qū)域沿^軸向劃分為W個子區(qū)間，在落入每個子區(qū)間的所有網(wǎng)格點中求出^坐標值最小的點，即該區(qū)域中的最低點，作為候選邊界點。從左端眼角點開始隨著^坐標值的增大，邊緣控制點的^坐標值也應(yīng)先逐漸增至最高點而后又逐漸減小到右端眼角點，從而根據(jù)這一條件從候選點中確定出邊界點，剔除其他非邊界點。
最后采用擺動導(dǎo)桿機構(gòu)模型驅(qū)動邊界控制點的運動，模擬真實的眼部運動。根據(jù)擺動導(dǎo)桿機構(gòu)的運動原理，曲柄能夠繞機架的固定鉸鏈做整周轉(zhuǎn)動，并帶動導(dǎo)桿在一定的范圍內(nèi)進行往復(fù)運動。同樣，利用人的眼球近似為球體這一特性，將人眼眼皮邊界點的運動軌跡看做是一段圓弧，假設(shè)眼皮邊界點位于擺桿機構(gòu)中導(dǎo)桿上的某一點，取曲柄的旋轉(zhuǎn)角速度為控制參數(shù)，根據(jù)機架、曲柄、導(dǎo)桿之間的位置關(guān)系，以及輸入的曲柄轉(zhuǎn)動角速度參數(shù)等已知信息，計算出眼皮邊界點在任意時刻的空間位置或轉(zhuǎn)過的角度，并以此驅(qū)動三維網(wǎng)格點運動，從而模擬出眼皮的閉合運動，生成具有真實感的三維人眼動畫。
本發(fā)明的有益效果是根據(jù)實際的眼部閉合運動特征，并參照MPEG-4標準中對上眼瞼特征點的定義，增加了上眼皮處控制點的個數(shù)，細化了網(wǎng)格點的運動，能夠更精確的控制上瞼緣處網(wǎng)格點的運動，增強了模擬效果的逼真性；結(jié)合機構(gòu)學原理進行運動控制，根據(jù)擺桿機構(gòu)的運動特性，導(dǎo)桿可在曲柄的帶動下在一定范圍內(nèi)做往復(fù)運動，因此可以采用同一個數(shù)學模型實現(xiàn)連續(xù)時間情況下眼睛張開與閉合這樣相反的運動過程，其數(shù)學模型簡單，物理意義明確，控制簡單，容易實現(xiàn)且逼真度高。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。


圖1為MPEG-4中眼部FDP的定義；
圖2為MPEG-4中眼部FDP定義的右眼放大圖3為本發(fā)明所述的人眼運動控制操作流程圖4為通過人體建模軟件導(dǎo)出的三維人臉網(wǎng)格模型示意圖；圖5為本發(fā)明實施例的一種對圖3人臉網(wǎng)格模型中人眼部分的控制點設(shè)計方式示例圖6為擺桿機構(gòu)運動原理簡圖；圖7為最大旋轉(zhuǎn)角度計算方法示意圖。
具體實施例方式
方法實施例本實施例是根據(jù)附圖2所示的操作流程，并基于附圖5的一個簡單實施方案。
首先可以通過三維激光掃描儀掃描真實人臉得到原始的三維人臉網(wǎng)格點模型，或是通過3DSMAX或者MAYA等三維建模軟件，由設(shè)計人員手工建立人臉三維模型，也可以是通過Poser等專業(yè)人體建模軟件，從其模型庫中直接導(dǎo)出所需的人頭部模型，得到附圖4。
然后通過計算機輸入設(shè)備對原始三維網(wǎng)格模型中的人眼部分進行控制點設(shè)計。為了獲得更精細的眼部運動模擬效果，根據(jù)人們對人眼閉合運動特征的視覺直觀認識，并參照MPEG-4標準中對眼部FDP控制點的定義，增加上瞼緣處控制點的個數(shù)，選取上眼瞼邊緣曲線上的全部網(wǎng)格點作為運動控制點，如附圖5中上眼瞼邊緣處采用黑色實心圓點表示的網(wǎng)格點。在本發(fā)明中，根據(jù)MEPG-4中對人眼FDP的定義，在網(wǎng)格模型中選出上眼皮邊緣的最高點(FDP 3.2)及兩個眼角點(FDP 3.8,3.12)，以兩個眼角點(FDP3.8,3. 12)的連線為一條邊，以平行于該邊并經(jīng)過最高點(FDP3.2)的直線作為另一條邊限定出一個矩形區(qū)域，如圖2所示，并在此區(qū)域中進行邊緣控制點的選取。設(shè)定xoy坐標系，x軸平行于兩個眼角點的連線，通過矩形區(qū)域邊界條件的限制，統(tǒng)
計出落在此區(qū)域中的全部網(wǎng)格點，共W個，將矩形區(qū)域沿x軸向劃分為^個子區(qū)間，在落入每個子區(qū)間的所有網(wǎng)格點中求出y坐標值最小的點，即該區(qū)域中的最低點，作
為候選邊界點。從左端眼角點(FDP3.12)開始隨著x坐標值的增大，邊緣控制點的7坐標值也應(yīng)先逐漸增至最高點(FDP 3.2)而后又逐漸減小到右端眼角點(FDP 3.8)，即其y坐標值應(yīng)滿足關(guān)系力D""〈乂〈h〈…力D".2〉^^…^^3.8，從而根據(jù)這一條
件從候選點中確定出邊界點，剔除其他非邊界點。
得到了眼部運動控制點之后，采用擺動導(dǎo)桿機構(gòu)模型對控制點進行驅(qū)動。機構(gòu)模型運動簡圖如圖6所示。所采用的擺桿機構(gòu)模型由3個構(gòu)件組成，其中構(gòu)件3為機架，屬于機構(gòu)中的固定部分；構(gòu)件1為原動件(曲柄)；構(gòu)件2為從動件(導(dǎo)桿)。構(gòu)件1與機架3和構(gòu)件2分別在接合處O'點和M點構(gòu)成轉(zhuǎn)動副和移動副；構(gòu)件2還與機架3在接合處O點構(gòu)成轉(zhuǎn)動副。在模擬眼瞼運動時取O點為眼球中心，OO'的長度"等于眼
球半徑；桿l繞O'點以角速度w做圓周運動，桿長為、桿2與桿1通過滑塊M相連，在桿l的帶動下，桿2也將做繞0點旋轉(zhuǎn)的圓周運動。假設(shè)上眼瞼邊緣上的任一控制點iV位于桿2上某固定點處，就可以通過上述機構(gòu)模型模擬出邊界控制點的運動軌跡。
取《，為眼瞼由正常睜眼狀態(tài)至完全閉合狀態(tài)邊界控制點繞以左右眼球中心連線為旋轉(zhuǎn)軸所轉(zhuǎn)過的角度，具體計算方法為
參照MPEG-4中眼部FDP的定義，取上眼瞼邊緣的最高網(wǎng)格點(FDP 3.1/3.2)，下眼瞼邊緣的最低網(wǎng)格點(FDP 3.3/3.4)及眼球中心點O作為三角形的三個頂點，如附圖7，根據(jù)網(wǎng)格點在三維空間的位置坐標計算出三角形的三邊長度，再應(yīng)用余弦定
理即可求出眼睛由正常狀態(tài)至完全閉合時網(wǎng)格點轉(zhuǎn)過的角度《皿；
參見附圖6，由機構(gòu)運動原理可知，當主動桿1與從動桿2處于相互垂直的狀態(tài)
時，從動桿與機架之間的夾角(2 )最大，通過改變外部控制參數(shù)《的初始值
(G<《《《max)，可以有效地控制眼睛的閉合程度，實現(xiàn)半閉、全閉或其它任意位置
閉合，模擬各種不同的閉眼動作狀態(tài)。
下面結(jié)合附圖6，通過數(shù)學模型具體闡述閉合過程的運動控制原理
,《、^ = r sin(J)
對于直角三角形，有 2 ;
再根據(jù)余弦定理，可得
/。 = QM = V尸2 +。2 -2cos(《為從動桿2和機架((90')之間的夾角，
fl -^《=arccos、|- 丄
2
通過&可獲得眼瞼邊界控制點繞以兩眼球連線為旋轉(zhuǎn)軸所轉(zhuǎn)過的角度^ ，
g—《,sin(《+0卞p
2 Isin(《+w/)14，進而根據(jù)^值驅(qū)動三維網(wǎng)格點進行旋轉(zhuǎn)運動，模擬真的人眼閉合過程動作動畫。
由上述分析可知，改變角速度參數(shù)"可以控制眼皮的閉合速度，改變角度參數(shù)《 (0<《^《_)，可以控制眼睛閉合的程度，實現(xiàn)半閉、全閉等不同程度的閉眼動作， 從而模擬出真實的人眼閉合動作動畫。
本發(fā)明實施例最終獲得的人眼運動控制效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過增加控制點的 個數(shù)，細化控制對象，并引入機構(gòu)學模型，有效地增強了虛擬人眼部運動的仿真效果， 能夠逼真的模擬人眼閉合動作過程，運動控制的數(shù)學模型簡單，物理意義明確，易于 實現(xiàn)，效果逼真。
權(quán)利要求
1、一種虛擬人眼部運動控制方法，其特征在于包括下述步驟(a)獲取三維人臉網(wǎng)格模型，即采集三維人臉網(wǎng)格模型數(shù)據(jù)；(b)參照MPEG-4中對眼部FDP控制點的定義，選取上眼皮邊緣處的所有網(wǎng)格點作為運動控制點；(c)將人眼眼皮邊界點的運動軌跡看做是一段圓弧，假設(shè)眼皮邊界點位于擺桿機構(gòu)中導(dǎo)桿上的一點，取曲柄的旋轉(zhuǎn)角速度為控制參數(shù)，根據(jù)機架、曲柄、導(dǎo)桿之間的位置關(guān)系，以及輸入的曲柄轉(zhuǎn)動角速度參數(shù)，計算出眼皮邊界點在任意時刻的空間位置或轉(zhuǎn)過的角度，并以此驅(qū)動三維網(wǎng)格點運動，從而模擬出眼皮的閉合運動。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種虛擬人眼部運動控制方法，其特征在于所述的步驟(b)根據(jù)MEPG-4中對人眼FDP的定義，在網(wǎng)格模型中選出上眼皮邊緣的最高點及兩個眼角點，以兩個眼角點的連線為一條邊，以平行于該邊并經(jīng)過最高點的直線作為另一條邊限定出一個矩形區(qū)域，并在此區(qū)域中進行邊緣控制點的選??；設(shè)定^0^坐標系，^軸平行于兩個眼角點的連線，通過矩形區(qū)域邊界條件的限制，統(tǒng)計出落在此區(qū)域中的全部網(wǎng)格點，共W個，將矩形區(qū)域沿x軸向劃分為^個子區(qū)間，在落入每個子區(qū)間的所有網(wǎng)格點中求出7坐標值最小的點，即該區(qū)域中的最低點，作為候選邊界點；從左端眼角點開始隨著夂坐標值的增大，邊緣控制點的^坐標值也應(yīng)先逐漸增至最高點而后又逐漸減小到右端眼角點，從而根據(jù)這一條件從候選點中確定出邊界點，剔除其他非邊界點。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種虛擬人眼部運動控制方法，獲取三維人臉網(wǎng)格模型，參照MPEG-4中對眼部FDP控制點的定義，選取上眼皮邊緣處的所有網(wǎng)格點作為運動控制點，將人眼眼皮邊界點的運動軌跡看做是一段圓弧，假設(shè)眼皮邊界點位于擺桿機構(gòu)中導(dǎo)桿上的一點，取曲柄的旋轉(zhuǎn)角速度為控制參數(shù)，根據(jù)機架、曲柄、導(dǎo)桿之間的位置關(guān)系，以及輸入的曲柄轉(zhuǎn)動角速度參數(shù)，計算出眼皮邊界點在任意時刻的空間位置或轉(zhuǎn)過的角度，并以此驅(qū)動三維網(wǎng)格點運動，從而模擬出眼皮的閉合運動。本發(fā)明更精確，增強了模擬效果的逼真性；其數(shù)學模型簡單，物理意義明確，控制簡單，容易實現(xiàn)且逼真度高。
文檔編號G06T15/70GK101533523SQ20091002132
公開日2009年9月16日 申請日期2009年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月27日
發(fā)明者呂國云, 樊養(yǎng)余, 毅 王, 馬元媛, 敏 齊 申請人:西北工業(yè)大學