[摘要] 计算机技术的发展, 使得计算机三维动画在电影作品中的运用越来越明显。在电影中三维动画技术主要应用于角色面部表情与肢体动画的制作、模拟运动仿真, 以及重建和后期特效等方面。三维动画丰富的表现手法, 如自由的灯光设置, 任意的夸张变形, 丰富的材质贴图以及特效的模拟运用, 增强了电影作品的艺术表现力。
　　[关键词] 人脸 表情 动画技术 三维模型重建
　　doi:10.3969/j.issn.1002-6916.2011.22.037
　　随着计算机技术的发展与革新, 三维动画技术日趋成熟, 在电影制作中逐步获得了广泛的应用, 并已成为当今电影制作的主要手段之一。日趋完善的众多三维软件给现代电影的设计制作流程带来了极大的方便, 也为设计师开拓了更广阔的创意空间。在电影中三维动画技术主要应用于角色面部表情与肢体动画的制作、模拟运动仿真, 以及重建和后期特效等方面。三维动画丰富的表现手法, 如自由的灯光设置, 任意的夸张变形, 丰富的材质贴图以及特效的模拟运用, 增强了电影作品的艺术表现力,超越了一般传统模式电影艺术的表现局限性, 充分发挥设计者的想象力和创作思维, 几乎不受到外界的任何阻挠。
　　三维表情动画技术领域中，最显著的应用是在商业影片中，例如《透明人》、《功夫熊猫》、《阿凡达》、《冰河世纪》、《哈里波特》等。这些电影的制作无不体现了三维表情技术的魅力。动画师总在不断追寻更具发展潜力的动画制作系统，希望利用最新的学术研究成果来修改和扩展当前的动画制作系统。
　　一、三维表情动画技术的原理
　　三维表情动画技术一直是计算机图形学中的一个难题，涉及人脸面部多个器官的协调运动，由于人脸肌肉结构复杂，表情非常丰富，在现有的技术水平下，唯有表演驱动的人脸动画技术能实现真实感三维人脸动画合成的目的。
　　在实际的制作中计算机扫描面部目的是为了获取几何形态，通常有两种主要的输入途径：三维输入和二维输入。
　　1．三维输入
　　几何建模器(geometric modelers)是最传统的面部造型工具。通过标准的计算机图形技术可以进行人脸面部大多数器官的几何建模，并且可以设计任意的面部模型。但由于面部结构的复杂性，该设计过程需要较多的时间和设计技巧。
　　使用三维扫描仪（3d scanner）和编码光距离传感器（coded light range sensor）是获得人脸几何形状最直接的方法。
　　2．二维输入
　　基于立体图像的照相测量术可以获得面部形状。先从不同的视点获取物体的两幅图像，运用图像处理技术得到两幅图像中的匹配点，通过三角几何学测量这些点的三维坐标。由于自动搜寻匹配点是一个难题，所以有时需要在脸部描绘网格。如果向面部投射一个规则的结构光（如线阵或方形网格），那么就可以直接从一幅二维图像中得到面部的三维形状。
　　二、动画控制驱动技术
　　首先构造一个“基于面分块的三维人脸几何模型” 。在这种模型中, 整张人脸按照一定的规律被分解成多个部分, 每个部分可以单独建模和处理, 将各个部分组合在一起又能构成一张完整的人脸。由于人脸具有许多共性, 例如面部五官的比例关系和位置关系是不会因人而异的,这是分块的基础。人脸是一个弹性体, 交互式修改一般人脸几何模型时, 移动模型上的任意一点后, 需要计算整个人脸模型顶点的位置变化。由于模型的数据量很大, 在实际计算中开销较大, 将整个人脸表面分成若干小块后, 规定各点的变动只影响该点所在块内部的其它点,而不影响其它块的点, 这样计算量就明显减小, 精度也相应有所提高。将人脸表面分块后, 必须为其设计一个良好的数据结构, 以便对人脸几何模型进行操作。其数据结构必须使每个器官或部分要求能单独存储表示, 能将它们很方便地从整张人睑中分离出来, 而其拓扑关系保持不变；同时要能访问到三维几何模型中的任一顶点；在标记出哪些点是特征点的情况下, 要能较快地查找到某个顶点的邻接顶点或与之相关联的边。
　　在分块完成后, 需要根据特征点标注的人脸动作形成模型的数据库, 由优选的算法将数据整合重建, 形成面部表情动画。面部表情动画的计算机生成是面部塑造的最后也是最关键的一步, 需要借助于计算机图形学的前沿理论。需要开发建立有针对性的HDFACE 系统,对人脸的弹性形变进行分析处理。由于当人脸出现某种特定表情时, 整个人脸面部的形状与中性人脸表情状态的形状相比有所不同, 具体到每一个子块后, 其块内的形变就比较小, 当两种表情间的帧数大于5时, 各帧间每一子块内的形变和位移就更小。因此可以采用弹性形变模型来模拟脸部表情, 达到实时动态生成的效果。特别是可以根据其弹性形变的数据建立特定表情库。以“眼睛睁开”这个特定脸部表情动作的实现为例,核心思想是：在将人脸几何模型进行分块的基础上, 针对参与运动的各子块进行弹性形变, 也就是形变参数随时间变化而改变,其结果是分块后的几何模型随时间变化而变化, 经过光滑与光顺处理、纹理映射后, 最终获得特定人脸的某些表情动画“眼睛睁开” 。
　　分析表情“眼睛睁开” , 可以看到眼睛有眼球上下左右转动、上下眼皮张开等动作。同时, 眼睛和眉毛是邻接区域, 眼睛的运动肯定要影响眉毛区域, 从而带动眉毛的运动。对眼球的转动比较容易模拟, 只须将表示眼球的三角形集合在X,Y,Z 方向进行移动和旋转即可。但对眼皮动作的模拟就比较复杂, 上眼皮的运动比较剧烈, 它不但有特别明显的上下运动, 还有不太显著的左右运动, 而下眼皮的运动幅值相比之下较小。为此, 在定义眼部特征时需要应用四个特征点,这四个点分别位于眼角、眼皮最高和眼皮最低处。同时, 眼睛的外形近似于一个椭圆, 椭圆和抛物线在空间曲线的统一表示中其形状因子最相近, 所以可以用两段抛物线来模拟一个眼睛的外形,通过对形变过程中的拓扑分析可以建立弹性形变的动态模型, 从而实现“眼睛睁开”这一动作的再现。
　　在三维人脸造型的基础上,根据人脸表情的特征,建立五官的基本动作模型,利用弹性形变原理产生一系列表情动作,从而生成人脸表情动画。特定表情动作生成可以用以下模块流程图简单表示:动作、表情分解、调用动作库中相应功能单元的变形模型、变动各变形模型的形变系数、真实感处理—合成动画帧。在三维动画绘制技术在电影艺术的中的发展应用过程里, 人脸三维动态模型的真实感图形绘制和非真实感图形绘制是关键性环节, 对于一部电影的后期制作和最后视觉效果的形成,具有极其重要的意义。在三维场景动画制作时, 适当利用模型技术进行系统数据处理及采用群体动画技术等,用计算机生成各种以假乱真的动态虚拟场景画面和特技效果已成为可能, 三维计算机动画技术将为大众带来更多超乎想象的视觉体验。我们的世界发生了翻天覆地变化。在电影银幕上，当恐龙以不可思议地真实地朝我们走来时，很少有观众会感到惊讶。这充分说明，计算机动画所制作的电影作品已经深入人心，在《侏罗纪公园》、《骇客帝国》、《蜘蛛侠》、《2012》等电影中都得到了淋漓尽致的展现。观众难以区分哪些是计算机动画生成的画面，哪些是拍摄的结果，三维计算机动画是计算机图形学和艺术相结合的产物, 综合利用计算机科学、艺术、数学、物理学和其他相关学科的知识, 用计算机生成绚丽多彩连续的虚拟真实画面, 给人们提供了一个充分展示个人想象力和艺术才能的新天地。如 1993年, 电影《侏罗纪公园》采用动画特技制作的恐龙片段获得了该年度的奥斯卡最佳视觉效果奖。其后的《怪物史莱克》以精美的画面和故事情节给观众留下了深刻的印象, 同时也取得了商业上的巨大成功, 仅在美国就有两亿六千万美元的收人。三维动画一方面推动着电影艺术的进步,另一方面也在促进着电影产业的繁荣, 学界应当进一步加深对三维计算机动画的研究, 推动三维计算机动画技术的升级。
　　参考文献
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　　作者简介
　　刘勃宏，男，陕西西安人，讲师，西安理工大学在读硕士。西安文理学院在职教师，研究方向：视觉传达与多媒体。
　　王家民，男，教授，西安理工大学博士生导师。