游戏引擎中三维人脸造型与表情动画的研究与实现

论文摘要

具有高度真实感的三维人脸动画技术被越来越多地应用于电影制作、面部手术、远程会议等系统中,通过加入人脸表情以及对话过程中的脸部肌肉动作等细节表现,可以大大提高视频游戏中虚拟场景的逼真度。另一方面人脸动画与传统人体动画中的骨骼蒙皮技术之间存在着很大的差异,特别是在面貌造型、表情造型、纹理创作、动画生成等方面。针对这些差异,已有不少专家学者开展了相关的工作,但目前研究还不是很充分,特别是在结合游戏引擎进行游戏中三维人脸造型与动画生成方面。本文首先系统地分析和总结了目前人脸造型与表情动画方面的相关技术,在此基础之上,结合图形渲染引擎的实现,设计并实现了人脸造型与表情动画系统,并从中完善了人脸动画的一系列方法。本文针对用户创作的灵活性需求,从总体角度提出了合理的系统架构和处理流程,给予用户创作的最大自由度。在面貌造型方面,基于已有的空间变形算法,提出了一种更为简单高效的算法,通过MPEG-4 FDP所构成的控制网格,利用表面细分的连续性和一致性,产生平滑的变形空间,使得控制网格的变形能够通过该空间传递到人脸网格上。在表情造型方面,本文提出了利用MPEG-4 FAP与基于距离衰减函数计算特征点和非特征点位移量的方法,实现了支持6种基本表情造型的子系统。在面部纹理创作方面,针对传统纹理制作的缺点,提出了直接在三维模型上进行纹理绘制的方法,采用基于GPU加速的层次数据结构,实现了三维可视化面部纹理创作子系统,满足了创作的交互性、直观性和实时性。在表情动画生成方面,提出了基于表情快照的表情动画产生方法,实现了与OGRE中Pose Animation的兼容,使系统输出的动画文件能够直接应用于引擎。实验结果表明,面貌与表情造型中所使用的算法能够满足人脸造型在实时性、交互性以及效果上的要求,三维可视化纹理创作方法能够直观且高效地产生面部纹理,表情动画生成的结果也能够直接应用到引擎中。最后,本文对目前的工作进行了总结,并提出了改进的方向以及将来的工作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 研究意义
• 1.3 研究现状
• 1.3.1 人脸造型技术
• 1.3.2 表情动画技术
• 1.4 论文的主要工作与创新点
• 1.5 论文的章节安排
• 第二章 相关技术
• 2.1 DMF 引擎简介
• 2.2 OGRE 图形引擎
• 2.2.1 主要技术特性
• 2.2.2 架构分析
• 2.3 OGRE 中的人脸动画
• 2.3.1 变形动画
• 2.3.2 姿态动画
• 2.3.3 Pose Animation XML 结构
• 2.3.4 人脸实时动画的GPU 加速
• 2.4 MPEG-4 人脸动画标准
• 2.4.1 人脸定义参数
• 2.4.2 人脸动画参数
• 2.4.3 动画原理
• 2.5 本章小结
• 第三章 系统的架构设计
• 3.1 子系统划分
• 3.1.1 图形用户界面
• 3.1.2 I/O 管理器
• 3.1.3 几何数据管理器
• 3.1.4 人脸造型子系统
• 3.1.5 纹理创作子系统
• 3.1.6 动画产生子系统
• 3.2 处理流程
• 3.3 本章小结
• 第四章 利用空间变形和MPEG-4 实现个性人脸造型
• 4.1 基于空间变形方法的面貌造型
• 4.1.1 算法概述
• 4.1.2 表面细分
• 4.1.3 产生控制网格与变形空间
• 4.1.4 参数化
• 4.1.5 变形
• 4.1.6 速度优化
• 4.2 基于MPEG-4 FAP 的表情造型
• 4.2.1 算法概述
• 4.2.2 特征点位移的计算
• 4.2.3 非特征点位移的计算
• 4.3 实验结果分析与改进
• 4.4 本章小结
• 第五章 三维可视化的面部纹理创作方法与实现
• 5.1 GPGPU 概述
• 5.2 基于GPU 层次数据结构的存储与访问
• 5.2.1 数据结构的存储
• 5.2.2 数据结构的访问
• 5.3 三维可视化纹理创作的实现
• 5.3.1 模型的八叉分割
• 5.3.2 交互式纹理创作
• 5.3.3 2D 标准纹理的产生
• 5.4 实验结果分析与改进
• 5.5 本章小结
• 第六章 表情动画的生成及引擎中的应用
• 6.1 表情快照
• 6.2 表情快照插值
• 6.3 实现
• 6.4 实验结果与分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历及硕士期间发表的论文