三维虚拟人嘴部运动的实现方法技术

本发明专利技术公开了一种三维虚拟人嘴部运动的实现方法，用于解决现有虚拟人嘴部运动控制方法虚拟人嘴部运动粗放的技术问题。技术方案是首先获取三维人脸网格数据模型；其次根据嘴部的运动特性在模型的嘴部区域选择特征点作为运动控制点；最后采用柔性四杆机构模型，把嘴部区域的点看做从动杆上的一点，取曲柄的旋转角速度为控制参数，根据机架、曲柄、连杆、摇杆之间的位置关系和曲柄的初始安装位置，以及曲柄旋转角速度等输入参数，得到嘴部区域点的转动角度从而驱动嘴部区域网格点的运动，模拟真实的嘴部运动，并通过对顶点缓冲区域顶点的处理消除边界处的过拉伸现象。本发明专利技术通过调整柔性空间机构的位置关系，实现了更丰富的嘴部细腻运动。

【技术实现步骤摘要】
三维虚拟人嘴部运动的实现方法
本专利技术涉及一种虚拟人嘴部运动的实现方法，特别是涉及一种三维虚拟人嘴部运动的实现方法。
技术介绍
三维人脸动画是计算机三维动画
的重要研究内容，具有真实感的三维人脸动画在人机交互、视频会议等方面都有广泛的应用，而嘴部作为人类语言交流的主要器官，在传递信息和情感交流等方面起着不可替代的作用，嘴部运动是否具有真实感对人脸动画好坏有着至关重要的作用，因此对嘴部运动的研究有着重要的意义。Waters最早用肌肉模型生成了人脸表情动画，通过控制肌肉的收缩实现对嘴部运动的控制，但是由于嘴部肌肉的复杂性，该模型不能实现对嘴部运动的精确控制，在生成嘴部动画时具有较大的局限性。文献“授权公告号是CN101566828B的中国专利技术专利”公开了一种虚拟人嘴部运动控制方法，该方法采用摆动导杆机构模型模拟虚拟人嘴部运动。该方法能较好的实现正常情况下嘴部的张合运动，但是由于受到摆动导杆机构模型的限制，运动控制参数数量有限，运动规律单一，无法模拟多种嘴部的张合运动；并且人嘴部的张合也不是简单的刚性运动，该模型不能体现嘴部运动的柔性和非线性特性，无法实现细腻的嘴部运动。
技术实现思路
为了克服现有虚拟人嘴部运动控制方法虚拟人嘴部运动粗放的不足，本专利技术提供一种三维虚拟人嘴部运动的实现方法。该方法首先获取三维人脸网格数据模型；其次，根据嘴部的运动特性在模型的嘴部区域选择特征点作为运动控制点；最后采用柔性空间四杆机构模型，把嘴部区域的点看作从动杆上的一点，取曲柄的旋转角速度为控制参数，根据机架、曲柄、连杆、摇杆之间的位置关系和曲柄的初始安装位置，以及曲柄旋转角速度等输入参数，得到嘴部区域点的转动角度从而驱动嘴部区域网格点的运动，模拟真实的嘴部运动，并通过对顶点缓冲区域顶点的处理消除边界处的过拉伸现象。本专利技术数学模型简单，并且可以通过调整柔性空间机构的位置关系来实现更丰富的嘴部细腻运动，同时采用柔性空间机构模型能更加逼真的模拟嘴部的真实运动情况和非线性变形，具有较高的逼真度。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种三维虚拟人嘴部运动的实现方法，其特点是采用以下步骤：步骤一、采用Proser7.0导出三维人脸网格模型；在导出的模型中，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平面向外，三个轴方向符合右手法则。步骤二、根据嘴部的运动特性在模型的嘴部区域选择特征点作为运动控制点。在所得到的网格模型上，划分出与嘴部运动相关的区域，便于对嘴部运动控制点的选取。根据嘴部运动的实际情况，将嘴部张合运动看作是下颚围绕颧弓处进行的转动。按照MPEG-4中对嘴部区域特征点的定义，选取颧弓处的特征点FDP2.19和FDP2.20，两嘴角处的特征点FDP8.3和FDP8.4，下嘴唇上边界特征点FDP2.5、FDP2.9、FDP2.3、FDP2.8和FDP2.4及下颌边界处特征点FDP2.1、FDP2.11、FDP2.12、FDP2.13和FDP2.14作为嘴部区域的边界点，用来确定嘴部在XOY平面的区域；通过颧弓处特征点FDP2.19和FDP2.20来确定嘴部区域的侧面范围；选取人脸三维网格模型上落在嘴部区域正面范围内，并且Z值大于颧弓处特征点Z值的全部网格点作为嘴部区域的运动控制点。步骤三、采用柔性空间四杆机构模型，驱动嘴部区域网格点的运动，模拟真实的嘴部运动。柔性空间四杆机构由曲柄、连杆、摇杆、机架四个构件组成，在曲柄和摇杆上各安装一个短臂柔铰；其中，机架是机构中的固定部分，曲柄是能够作整周回转运动的原动件，它与机架相连接，摇杆作为从动杆，一端也与机架相连接，连杆是曲柄和摇杆各自不与机架相连的一端相互连接构成的杆件，摇杆只能实现往复摆动。曲柄与机架，曲柄与连杆，连杆与摇杆，摇杆与机架分别构成转动副，即组成转动副的能相对整周转动的两个转动副。在机构中能按照给定的已知运动规律独立运动的构件称为原动件，机构中其余杆件称为从动件，当满足机构中最短杆与最长杆的和小于或者等于其余两杆长度的和时，原动件能做整周的回转运动。设定曲柄为原动件，选择摇杆为从动件，则曲柄能够绕机架的固定铰链作整周转动，并将曲柄的连续转动，通过连杆带动摇杆实现往复摆动。根据嘴部张合为下颚骨围绕颧弓进行转动这一特性，把嘴部区域的点看作从动杆上的任意一点，选择曲柄的旋转角速度为控制参数，根据机架、曲柄、连杆、摇杆之间的位置关系和曲柄的初始安装位置，以及输入的曲柄转动角速度参数，计算出嘴部区域任意点在任意时刻的空间位置或者转过的角度，驱动嘴部区域网格点的运动，实现嘴部的张合运动。柔性空间机构的矢量封闭方程为：展开后，得令得asinθ4+bcosθ4+c=0（7）求解，并取θ3为锐角，得到其中，θ1=ω1t，得到从而得到控制点转过的角度为将式（1）两边对时间t求导数，得得到控制点的运动速度ω3。步骤四、使用柔性空间机构模型驱动嘴部区域转动时，上颚骨的顶点是静止的，而下颚骨关联的点是运动的，这样在两类顶点的交界处会出现纹理过拉伸现象。通过定义一个由Pa、Pb、Pc三点组成的顶点缓冲区，其中Pa为颧弓处FDP2.19或FDP2.20，Pb为FDP8.3或FDP8.4，Pc为控制点转过的角度α所在的直线与过Pb做的垂线的交点，Pm为线段PbPc的中点；在缓冲区中的任一点P与线段PaPb夹角为θ；取控制点转过的角度为消去交界处的过拉伸现象，增强对嘴部运动的控制，生成具有真实感的嘴部动画。本专利技术的有益效果是：该方法首先获取三维人脸网格数据模型；其次，根据嘴部的运动特性在模型的嘴部区域选择特征点作为运动控制点；最后采用柔性四杆机构模型，把嘴部区域的点看作从动杆上的一点，取曲柄的旋转角速度为控制参数，根据机架、曲柄、连杆、摇杆之间的位置关系和曲柄的初始安装位置，以及曲柄旋转角速度等输入参数，得到嘴部区域点的转动角度从而驱动嘴部区域网格点的运动，模拟真实的嘴部运动，并通过对顶点缓冲区域顶点的处理消除边界处的过拉伸现象。本专利技术数学模型简单，并且可以通过调整柔性空间机构的位置关系来实现更丰富的嘴部细腻运动，同时采用柔性空间机构模型能更加逼真的模拟嘴部的真实运动情况和非线性变形，具有较高的逼真度。下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作详细说明。附图说明图1是本专利技术三维虚拟人嘴部运动的实现方法的流程图；图2是本专利技术方法通过Proser7.0导出的三维人脸网格模型示意图；图3是本专利技术方法人脸FDP的示意图；图4是本专利技术方法嘴唇FDP的示意图；图5是本专利技术方法嘴部区域的示意图；图6是本专利技术方法用柔性空间四杆机构的示意图；图7是本专利技术方法柔性空间四杆机构的等效伪刚体原理图；图8是本专利技术方法顶点缓冲区域示意图。图中，1-第一短臂柔铰，2-第一刚性杆，3-连杆，4-机架，5-第二短臂柔铰，6-第二刚性杆。具体实施方式以下实施例参照图1-8。本专利技术三维虚拟人嘴部运动的实现方法具体步骤如下：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模型，或者通过3DSMAX、MAYA等三维建模软件手工建立人脸三维模型，也可以由Proser专业人体建模软件，从其模型库中直接导出所需的人头部模型。本实施中采用Proser7.0专业人体建模软件，直接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维虚拟人嘴部运动的实现方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、采用Proser7.0导出三维人脸网格模型；在导出的模型中，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平面向外，三个轴方向符合右手法则；步骤二、根据嘴部的运动特性在模型的嘴部区域选择特征点作为运动控制点；在所得到的网格模型上，划分出与嘴部运动相关的区域，便于对嘴部运动控制点的选取；根据嘴部运动的实际情况，将嘴部张合运动看作是下颚围绕颧弓处进行的转动；按照MPEG‑4中对嘴部区域特征点的定义，选取颧弓处的特征点FDP2.19和FDP2.20，两嘴角处的特征点FDP8.3和FDP8.4，下嘴唇上边界特征点FDP2.5、FDP2.9、FDP2.3、FDP2.8和FDP2.4及下颌边界处特征点FDP2.1、FDP2.11、FDP2.12、FDP2.13和FDP2.14作为嘴部区域的边界点，用来确定嘴部在XOY平面的区域；通过颧弓处特征点FDP2.19和FDP2.20来确定嘴部区域的侧面范围；选取人脸三维网格模型上落在嘴部区域正面范围内，并且Z值大于颧弓处特征点Z值的全部网格点作为嘴部区域的运动控制点；步骤三、采用柔性空间四杆机构模型，驱动嘴部区域网格点的运动，模拟真实的嘴部运动；柔性空间四杆机构由曲柄、连杆、摇杆、机架四个构件组成，在曲柄和摇杆上各安装一个短臂柔铰；其中，机架是机构中的固定部分，曲柄是能够作整周回转运动的原动件，它与机架相连接，摇杆作为从动杆，一端也与机架相连接，连杆是曲柄和摇杆各自不与机架相连的一端相互连接构成的杆件，摇杆只能实现往复摆动；曲柄与机架，曲柄与连杆，连杆与摇杆，摇杆与机架分别构成转动副，即组成转动副的能相对整周转动的两个转动副；在机构中能按照给定的已知运动规律独立运动的构件称为原动件，机构中其余杆件称为从动件，当满足机构中最短杆与最长杆的和小于或者等于其余两杆长度的和时，原动件能做整周的回转运动；设定曲柄为原动件，选择摇杆为从动件，则曲柄能够绕机架的固定铰链作整周转动，并将曲柄的连续转动，通过连杆带动摇杆实现往复摆动；根据嘴部张合为下颚骨围绕颧弓进行转动这一特性，把嘴部区域的点看作从动杆上的任意一点，选择曲柄的旋转角速度为控制参数，根据机架、曲柄、连杆、摇杆之间的位置关系和曲柄的初始安装位置，以及输入的曲柄转动角速度参数，计算出嘴部区域任意点在任意时刻的空间位置或者转过的角度，驱动嘴部区域网格点的运动，实现嘴部的张合运动；柔性空间机构的矢量封闭方程为：(L1+l12)eiθ1+L2eiθ2=(L3+l22)eiθ4+L4---(1)]]>展开后，得(L1+l12)cosθ1+L2cosθ2=(L3+l22)cosθ4+L4---(2)]]>(L1+l12)sinθ1+L2sinθ2=(L3+l22)sinθ4---(3)]]>令a=2(L1+l12)(L3+l22)sinθ1---(4)]]>b=2(L3+l22)[(L1+l12)cosθ1-L4]---(5)]]>c=l22-(L1+l12)2-(L3+l22)2-L42+2(L1+l12)L4cosθ1---(6)]]>得asinθ4+bcosθ4+c=0（7）求解，并取θ3为锐角，得到θ4=2·arctan((a+a2+b2-c2)/(b-c))---(8)]]>其中，θ1=ω1t，得到θ3=cosθ4|cosθ4|(θ4-π2)---(9)]]>从而得到控制点转过的角度为α=αmax2+cosθ4|cosθ4|θ3---(10)]]>将式（1）两边对时间t求导数，得ω3=ω1(L1+l12)sin(θ1-θ2)(L3+l22)sin(θ4-θ2)---(11)]]>得到控制点的运动速度ω3；步骤四、使用柔性空间机构模型驱动嘴部区域转动时，上颚骨的顶点是静止的，而下颚骨关联的点是运动的，这样在两类顶点的交界处会出现纹理过拉伸现象；通过定义一个由Pa、Pb、Pc三点组成的顶点缓冲区，其中Pa为颧弓处FDP2.19或FDP2.20，Pb为FDP8.3或FDP8.4，Pc为控制点转过的角度α所在的直线与过Pb做的垂线的交点，Pm为线段PbPc的中点；在缓冲区中的任一点P与线段PaPb夹角为θ；取控制点转过的角度为消去交界处的过拉伸现象，增强对嘴部运动的控制，生成具有真实感的...

【技术特征摘要】
1.一种三维虚拟人嘴部运动的实现方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、采用Proser7.0导出三维人脸网格模型；在导出的模型中，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平面向外，三个轴方向符合右手法则；步骤二、根据嘴部的运动特性在模型的嘴部区域选择特征点作为运动控制点；在所得到的网格模型上，划分出与嘴部运动相关的区域，便于对嘴部运动控制点的选取；根据嘴部运动的实际情况，将嘴部张合运动看作是下颚围绕颧弓处进行的转动；按照MPEG-4中对嘴部区域特征点的定义，选取颧弓处的特征点FDP2.19和FDP2.20，两嘴角处的特征点FDP8.3和FDP8.4，下嘴唇上边界特征点FDP2.5、FDP2.9、FDP2.3、FDP2.8和FDP2.4及下颌边界处特征点FDP2.1、FDP2.11、FDP2.12、FDP2.13和FDP2.14作为嘴部区域的边界点，用来确定嘴部在XOY平面的区域；通过颧弓处特征点FDP2.19和FDP2.20来确定嘴部区域的侧面范围；选取人脸三维网格模型上落在嘴部区域正面范围内，并且Z值大于颧弓处特征点Z值的全部网格点作为嘴部区域的运动控制点；步骤三、采用柔性空间四杆机构模型，驱动嘴部区域网格点的运动，模拟真实的嘴部运动；柔性空间四杆机构由曲柄、连杆、摇杆、机架四个构件组成，在曲柄和摇杆上各安装一个短臂柔铰；其中，机架是机构中的固定部分，曲柄是能够作整周回转运动的原动件，它与机架相连接，摇杆作为从动杆，一端也与机架相连接，连杆是曲柄和摇杆各自不与机架相连的一端相互连接构成的杆件，摇杆只能实现往复摆动；曲柄与机架，曲柄与连杆，连杆与摇杆，摇杆与机架分别构成转动副，即组成转动副的能相对整周转动的两个转动副；其中曲柄与机架构成周转幅；在机构中能按照给定的已知运动规律独立运动的构件称为原动件，机构中其余杆件称为从动件，当满足机构中最短杆与最长杆的和小于或者等于其余两杆长度的和并且组成周转副的两杆中必须有一杆是最短杆时，原动件能做整周的回转运动；设定曲柄为原动件，选择摇杆为从动件，则曲柄能够绕机架的固定铰链作整周转动，并将曲柄的连续转动，通过连杆带动摇杆实现往复摆动；根据嘴部张合为下颚骨围绕颧弓进行转动这一特性，把嘴部区域的点看作从动杆上的任意一点，选择曲柄的旋转角速度为控制参数，根据机架、曲柄、连杆、摇杆之间的位置关系和曲柄的初始安装位置，以及输入的曲柄转动角速度参数，计算出嘴部区域任意点在任意时刻的空间位置或者转过的角度，驱动嘴部区域网格点的运动，实现嘴部的张合运动；柔性空间机构的矢量封闭方程为：

【专利技术属性】
技术研发人员：吴坚坚，吕国云，樊养余，郭哲，王毅，齐敏，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61