基于卷积曲面脸部皱纹生成.pdfVIP

基于卷积曲面的人脸皱纹生成1 何青，刘允才 上海交通大学模式识别与智能系统研究所，上海（200240 ） 摘 要：本文将卷积曲面应用于人脸建模，提出了在个性化人脸模型上生成皱纹的新方法。 运用基于图像的建模方法将通用人脸网格变形并计算出纹理图像，变形后的网格再与一个核 函数卷积生成卷积曲面，通过轮廓函数调整曲面的形状而产生皱纹。将纹理图像映射到卷积 曲面上使皱纹具有真实感。实验结果表明本文的方法可以通过控制轮廓函数的参数生成不同 外观的皱纹。 关键词：卷积曲面；人脸建模；脸部皱纹生成 中图法分类号：TP391 文献标识码: A 0. 引言 人脸建模与动画一直是计算机图形学中具有挑战性的一个课题。脸部皱纹是随着人的年 龄或表情的变化而出现的细节特征。由于皱纹的精细结构，模拟出具有真实感的皱纹是一项 十分困难的工作。目前建模皱纹的方法主要有两类：几何方法和物理方法，分别对应于人脸 的几何模型和物理模型。几何方法不考虑人脸的解剖学结构，按照某一形状函数计算出人脸 相应位置的皱纹幅值并以此来调整人脸网格顶点的位置[1,2,3]。这种方法计算简单，但需要 十分细致的三角网格模型，通常要对一个稀疏网格模型进行多次细分。物理方法按照解剖学 原理将人脸建模为皮肤、肌肉、骨骼三层结构，通过模拟肌肉伸缩对皮肤产生的变形来生成 皱纹[4,5,6]。这种方法能够取得很好的真实感，但算法复杂且计算量特别大。 本文以稀疏的人脸网格为骨架建立了卷积曲面人脸模型，通过轮廓函数隐式地控制卷积 曲面的形状。卷积曲面的概念最早由Jules Bloomenthal 和Ken Shoemake[7]提出，之后有许 多人用卷积曲面建模各种自然景物[8,9,10]。由于很难找到卷积之后能够得出解析表达式的 核函数，卷积曲面的几何骨架多局限于点骨架和线骨架。J.McCormack 和 A.Sherstyuk [11] 提出了一种新的核函数，能够求出点、直线、圆弧、三角面等多种几何骨架的解析解，从而 极大地增强了卷积曲面的建模功能。但是，用卷积曲面建模人脸的应用仍然比较少见。 本文将卷积曲面的建模技术与传统的人脸建模方法相结合。首先采用由正交图像建立人 脸模型的方法[12,13]，将通用人脸网格变形成某个特定人脸的网格并计算出纹理展开图像。 然后将变形后的人脸网格作为三角面骨架与[11]中的核函数进行卷积，生成卷积曲面人脸模 型。最后本文提出了一种轮廓函数用来调整曲面某些部位的形状，从而产生额头上的皱纹， 并将纹理展开图像映射到卷积曲面上。本文的方法通过轮廓函数间接地控制脸部皱纹的形 状，与前人的方法有显著的区别。实验表明用卷积曲面的建模方法能够生成具有真实感的脸 部皱纹，并且这种方法有着很大的潜力，可以实现多种细微的脸部变形。 1. 通用人脸网格变形 1.1 通用人脸模型 本文采用经过改进的Candide3 模型[14]作为通用人脸模型。原始的Candide3 模型只覆 盖了人脸的表面，如图 1 所示。本文在原模型上添加了头后部的9 个顶点和32 个面片，形 成了完整的人头模型，如图2 。 1本课题得到国家自然基金(No和博士点基金(“连接体模型人体运动分析”, 20050248052) 的资助。 -1- 图1 Candide3 模型的侧面、正面 图2 本文中模型的侧面，背面 1.2 个性化人脸网格模型的建立 本文采用[13]的方法进行通用人脸网格的变形。首先在正面和侧面图像上对人脸的关键 特征点进行标注。记被标注的一个特征点在正面和侧面图像上的二维坐标分别是 (x ,y ),(x ,y ) ，则这个点在三维网格模型中的坐标(x,y,z)=(x , (y +y )/2, x ) 。然后根据被标注的 f f s s f f s s 特征点与通用模型的特征点的坐标差异求出其它顶点的位移，求解方法使用径向基函数进行 插值。按所求的位移量调整所有顶点，就得到了与照片相对应的个性化人脸网格，如图3 (c)。