【文章內(nèi)容簡介】 工方法測量模型上的數(shù)據(jù)，然后把臉部進行多邊形分割，把多邊形的頂點數(shù)據(jù)進行保存，根據(jù)保存的數(shù)據(jù)可以得到頭部的分片模型[[] Lanitis A, Taylor C J, Cooles T FAutomatic interpretation and coding of face images using flexible models [J]IEEE Trans on PAMI,1997,19(7).]。Parke設定人臉模型的差別可以利用拓撲幾何結(jié)構(gòu)上的變換來區(qū)分，他通過變換通用人臉模型的參數(shù)構(gòu)造幾個不同形狀的人臉模型，使用雙線性插值來構(gòu)造不同的人臉形狀。給定的構(gòu)造參數(shù)的范圍限制了Parke的參數(shù)化模型，并且在一張?zhí)囟ㄈ四樕蠀?shù)的調(diào)節(jié)是非常困難的。隨后Parke據(jù)此方法原理有創(chuàng)造性的提出一些實現(xiàn)人臉動畫的方法，下面主要介紹一些比較有代表性的建模方法及其思想原理。(1)參數(shù)化人臉模型 人臉模型參數(shù)化方法突破了簡單插值的某些局限性，面部輪廓和形狀的構(gòu)建是利用一些特殊的參數(shù)值來完成的，參數(shù)化方法只需要較少量的計算就可以精確的控制特殊人臉形狀。很多面部表情都可以由參數(shù)的組合來提供。但是參數(shù)化方法只能利用模型網(wǎng)格的拓撲幾何結(jié)構(gòu)來選取參數(shù)，所以不能實現(xiàn)完全參數(shù)化控制，并且很多參數(shù)值是通過手工調(diào)節(jié)來獲取，因而會引起外形和動作表情的失真。而且參數(shù)化方法的另一個局限是如果用兩個跟同一個頂點相關(guān)的參數(shù)去調(diào)整模型的話，無法用一個合理的方案來解決問題。所以當多個參數(shù)之間有相互沖突時，往往會導致不自然的表情[[] , facial expression [J].Computer Graphics, 1981, 15(3) : 245252.]。(2)向量肌肉方法 向量肌肉方法是在形變變量可以波及到的范圍內(nèi)，用模擬肌肉運動的方式來改變面部形狀，從而達到模型形變的目的。Waters最早提出一個非常成功的用多邊形的幾何方法來表示的肌肉模型，其基本思想是利用不同的力學約束來作用于不同的網(wǎng)格頂點，以此來描繪面部肌肉的變化，而不同的肌肉都有各自不同的作用范圍，每條肌肉對人臉不同的部位都有一定的影響區(qū)域，從而引起模型變形以實現(xiàn)人臉動畫[[] V. Vezhnevets, , , extraction of frontal facial features for 3D face modeling [C] .Proc of Sixth Asian Conference of Computer Vision, Jeju,Korea,2004:10201025.]。通過肌肉控制來實現(xiàn)模型的參數(shù)化調(diào)整，但這些參數(shù)只是一種抽象的表示方法。模型的網(wǎng)格頂點變換是通過頂點上的肌肉模型來控制完成的，而在變換過程中模型面部的幾何拓撲結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化[[] [D].:3135.]。(3)樣條偽肌肉方法 阿爾伯特多邊形人臉模型被廣泛應用在很多領域，然而它無法詳細刻畫人臉的柔韌性和光滑性，難以在任意區(qū)域內(nèi)平滑地變形具有固定拓撲結(jié)構(gòu)的人臉多邊形模型。如果不細分的話，平坦區(qū)域的頂點就不能變換成曲面，為了確保光滑性和形變的靈活性，可以用曲面來構(gòu)建一個完善的人臉模型。利用樣條肌肉模型可以據(jù)此達到建模的目的。樣條往往具有C2連續(xù)性，所以可以據(jù)此特性在模型上進行局部變換，而且利用小組控制點來控制仿射變換，因而大大簡化了算法的復雜性[[] [D].：1213.]。(4)多層彈性網(wǎng)格方法 一個多層彈性網(wǎng)格是為了達到更可靠地模擬人臉物理行為的目的而將一個質(zhì)點彈簧結(jié)構(gòu)拓展為三個緊密相連的網(wǎng)格層。Wu提出了一個能在保持視覺真實性的基礎上減少計算時間的簡化網(wǎng)格系統(tǒng)[[] PlasticViscoElastic Model for Wrinkles in Facial Animation and Skin Aging [C], Pacific Conference on Computer Graphics and Applications, Pacific Graphics,2002:201213.]。Lee等人根據(jù)Waters和Terzopoulos早期的研究成果構(gòu)建了一個基于物理的皮膚和肌肉層的綜合模型[[] , face modeling for animation [J]. Siggraph proceedings,1995:4550.]。人臉模型通常是由三個分量構(gòu)成，一個最里層的不可穿透的頭蓋骨結(jié)構(gòu)，皮膚下的肌肉層和具有非線性變形屬性的生物組織層。該綜合體造型用三棱柱體元素來實現(xiàn),它分為表皮、筋膜和顱骨曲面，影響肌肉拉力的彈簧元素連接筋膜和頭蓋骨層，皮膚的彈性是由連接表皮和筋膜的彈簧元素模擬。該模型極其逼真，但一張?zhí)囟ǖ娜四樀臉?gòu)建需要很大的計算量和很大的調(diào)節(jié)工作[[] Rolf M Koch, Markus H Gross, Fiedrich R Carls, Facial Surgery Using Finite Element Method [C].SIGGRAPH00 Conference Proceedings, ACM SIGGRAPH,2000:421428.]。(5)人類學方法 在構(gòu)造特定的人臉模型時，立體圖像和激光掃描被用于獲取全視角紋理和幾何細節(jié)。但這些方法也有缺陷，立體圖像或掃描數(shù)據(jù)經(jīng)常由于被遮擋而遺漏區(qū)域，錯誤的數(shù)據(jù)和噪聲必須通過手工才能校正。并且由于現(xiàn)在還沒有完全有效的對應點自動匹配方法，如果在得到的數(shù)據(jù)上特征點信息比較隱蔽，就需要人工干預調(diào)節(jié)[[] ., Kalra,P., MagnenatThalmann, with the Ballamp。Mouse39。 Metaphor, Proc [C]. Graphics Interface’,Canada,2003:152159.]。Kuo等人根據(jù)人類學的基本定義構(gòu)建了一個由正面二維人臉圖像估計出側(cè)面圖像的信息，從而得到特定人臉模型的方法[[] , , . Synthesizing Lateral Face from Frontal Facial Image Using Anthropometric Estimation [C],proceedings of International Conference on Image Processing,1997,1(1):133136.]。該算法首先需要構(gòu)建一個包含測試人臉參數(shù)數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)庫，并此作為先驗知識；然后，通過將最小中值二次誤差估計的原理算法應用于數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)正面的人臉參數(shù)信息估計出側(cè)面人臉的參數(shù)信息，通常通過幾個正面的人臉參數(shù)線性組合可以得到側(cè)面人臉的深度參數(shù)；最終通過自適應得到三維人臉模型，并進行紋理映射，得到具有真實感的三維人臉模型[[] , and . An Anthropometric Face Model using Variational Technique [J].’98,1998:6774.]。(6)散亂數(shù)據(jù)插值 基于徑向基函數(shù)的散亂數(shù)據(jù)插值技術(shù)可以簡便地將一個一般網(wǎng)格變換成特定形狀，而且它可以充分逼近像人臉那樣光滑的曲面。這種變形方法的實現(xiàn)需要的頂點數(shù)遠遠少于目標網(wǎng)格的頂點數(shù)，因為可以利用散亂數(shù)據(jù)插值算法得到其余頂點[[] 王剛,高新波, [J].計算機輔助設計與圖形學學報,2003,15(8):10121015.]。Wang采用morphing技術(shù)實現(xiàn)了從通用人臉模型到特定人臉模型的轉(zhuǎn)換。該算法首先在人臉外部輪廓、嘴巴、眉毛、鼻子和眼睛上選取一些特征點標識，特征點的個數(shù)和位置選擇決定了一般網(wǎng)格變形的效果 。然后由這些特征點計算出插值函數(shù)，其中的基函數(shù)采用了Hardy multiquadric徑向基函數(shù)，最后一般網(wǎng)格的變形通過插值函數(shù)來實現(xiàn)[[] Lifeng Wang, Lin S,Seungyong Lee, field morphing using 2D Features. Visualization and Computer Graphics[C]. TVCG,2005:2534.]。(7)臉部動作編碼系統(tǒng) 臉部動作編碼系統(tǒng)(FACS)是根據(jù)人臉的生理結(jié)構(gòu)特征來描述眼睛、嘴巴和面部肌肉等動作。人臉上發(fā)現(xiàn)43種動作單元，每種動作都由一塊或好幾塊肌肉的運動構(gòu)成，各種動作單元之間可以相互自由組合。Essa等人利用Modular Eigenspace方法來處理適配方面的問題。該方法可以在圖像上自動選取面部器官特征點的位置。利用這些特征點可以控制圖像變形，通過變形，可以使個性化的人臉圖像與通用人臉模型相匹配[[] White , Omlin . Hear features for FACS AU recognition [C]. International Conference on Automatic Face and Gesture :26.]。能夠進行形變的頂點從圖像中提取出來，進行保存，進而為進一步的細化工作做準備。通過用自由變形、隨機噪聲變形、定點編輯、或者數(shù)字化生物體來控制已有的模型產(chǎn)生新的特定人臉模型[[] Aleksic,Katsaggelos, facial expression recognition using facial animation parameters and multistream HMMs[C].IEEE Transactions on Information Forensics and Security,2006,1(1):311.]。(8)其它的方法 DiPaola的人臉動畫系統(tǒng)(FAS)是在Parke建模方法的基礎上進行了更深層次的擴展。通過利用數(shù)字化生物體或雕塑工藝品，或用自由變形技術(shù)、隨機噪聲變形、或定點編輯等方法來操作已有的模型產(chǎn)生新的人臉模型[[]龔勛，[J].，21(14): 43564361.]。 基于圖像的人臉建模方法近些年隨著計算機視覺技術(shù)的發(fā)展，基于圖像建模的方法成為人們的關(guān)注的熱點，應用這些方法創(chuàng)建的模型更逼真，主要有以下幾種方法。(1)插值 插值技術(shù)為臉部動畫提供了一個比較直觀的方法。由于線性插值算法簡單、容易實現(xiàn)的特點使其成為計算機視覺領域廣泛使用的一種插值方法，而采用稍微復雜一些的插值函數(shù)可以實現(xiàn)一定的動畫效果。當有四幀畫面時，就可以利用雙線性插值函數(shù)來實現(xiàn)，與線性插值相比，雙線性插值更能容易表現(xiàn)生動逼真的面部表情。而雙線性插值與圖像的變形技術(shù)結(jié)合使用，可以實現(xiàn)豐富多彩的表情變化[[] ,Physicsbased Muscle Model for Moth Shape Control[C]. IEEE International Workshop on Robot and Human Communication, 1996:207212.]。雖然插值能夠簡單快速的產(chǎn)生基本臉部動畫，但它無法創(chuàng)建大范圍內(nèi)具有真實感的人臉造型，因而該特性限制了它的應用范圍。并且該方法很難組合不同人臉之間的變形。(2)基于統(tǒng)計的人臉渲染 Thomas Vetter和Volker Blanz基于統(tǒng)計的建模方法提出了利用人臉圖像庫來建模的方法，使用一張照片就可以得到個性的人臉模型。該方法是首先建立足夠大的人臉庫，然后把人臉庫中的人臉圖像進行線性組合來逼近照片中的特定人臉，因而可以得到特定的三維人臉模型，方法的實現(xiàn)是自動完成的，而且對于不同的照片都具有很強的適應性[[] Volker Blanz,Thomas Morphable Model for the Synthesis of 3D Faces [C]. SIGGRAPH,1999:187194.]。該方法的優(yōu)點是最終得到的模型逼真，不需要人工干預，需要的信息量較少，但不足是必須事先建立龐大的人臉庫，即使人臉庫再大，也不可能包括世界上的所有人臉形態(tài)，因此對人臉的模擬在一定程度上起到了限制作用。(3)紋理操作 紋理被應用于獲取具有真實感的人臉圖像，它可以在每個象素上反映曲面的光照屬性。Oka等人創(chuàng)建了一個完整的真實感人臉表情和動畫的動態(tài)紋理映射系統(tǒng)，每次調(diào)整三維物體的幾何結(jié)構(gòu)或觀察點時，就會構(gòu)造一幅新的紋理映射圖像用于對象的最佳顯示[[] YANG Huizhong, ZHANG Suzhen, TAO Zhenlin, et al. A fault diagnosis method for polymeric reaction process based on soft measuring hybrid model [C]// Proceedings of International Conference on Machine Learning and Cybernetics (ISBN0780390911), 2005, 4:24992504.]。該算法簡捷，運算效率高。在該算法中，從紋理圖像到計算機屏幕的映射函數(shù)可以用一個線性函數(shù)來實現(xiàn)。該線性函數(shù)必須足夠光滑，通過依賴于視點和幾何變化的動態(tài)紋理映射，在多個三維人臉曲面間的外插和內(nèi)插來實現(xiàn)真實感人臉表情[[] ,et Realistic Facial Expressions from Photographs[C].Computer Graphics Annual Conference Series, SIGGRAPH, 1998: 7584.]。(4)圖像morphing技術(shù) 圖像morphing（形狀過渡）是指在兩個模型或兩幅圖像之間實現(xiàn)的調(diào)整變形。二維圖像之間的過渡包括兩幅圖像對應點之間的淡入淡出和Warping。兩者之間的對應關(guān)系可以按需要進行手工選取，在對應關(guān)系建立后，形狀過渡可以實現(xiàn)生動逼真的面部動畫。Beier等人把morphing函數(shù)定義在包圍特征線的影響區(qū)域上，然后把手工指定的對應特征線段在兩幅圖像間完成二維morphing[[] and facial expression recognition using facial animation parameters and multistream HMMs[C].WIAMIS’05, Mon