试析表演驱动的矢量化二维表情动画

摘 要：本文主要研究了如何快速制作生动的二维表情动画，利用算法将表情数据进行重新定向，将表情数据融入卡通形象上。首先需要对卡通形象进行标记，确定出能够对应表型信息的拓扑结构控制点，将确定出的控制点对应上表情信息的第一帧的控制点。然后通过上述对应过程，对比得出两者的比例关系，把采集到的表情信息搭建在卡通形象上，最终得到卡通形象的表情。本文所阐述的方法，经过实践验证，可以有效地利用表演来驱动矢量化二维表情动画。

关键词：二维表情动画；矢量化；表演驱动

如何在卡通动画中制作出生动有趣的人物表情，是卡通动画制作研究的一个重点。如果在制作动画时，人物的表情单单依靠画师手绘来完成，会消耗大量的时间，增大制作成本，而且手绘不能完全保证所有的表情都能绘制的十分生动，这个过程很能考验画师的绘画技术以及制作经验。对于动画制作的学术界、产业界以及CAD领域，通过自动或者半自动的方法进行卡通动画任务表情的制作是一个重要且亟待研究提高的话题。

1 静态卡通人物面部表情生成研究概述

在进行动画制作的过程中，目前的技术可以轻松并高质量的绘制静态二维动画人物的面部特征。目前，通过利用光学运动捕获系统，可以更加方便快捷的进行人物面部表情信息的捕捉。所以，本文的观点认为，可以将真实人物表情信息输入二维动画人物中，以此进行动画人物面部表情的生成。

本文的研究中，通过使用动作捕获仪器，捕捉真实的人的面部表情特征，然后将捕捉到的数据融合进静态二维动画人物中，转化为动画人物的表情。其工作过程，首先将人的面部细节信息扫描输入，仪器获取面部信息后将其信息矢量化，然后系统划分人的面部五官，将其划分为几个区域。然后系统采集二维卡通人像的面部特征，将真实人物的表情的矢量信息定向到二维卡通人物的面部矢量图中。[1]然后运用最小二乘法，将矢量人脸五官进行变形处理，然后便可以自动进行生成，所生成的可同人物的面部五官及表情，是与原始人物表情相契合的。

2 人脸表情动画制作技术主要分类

（1）基于关键帧插值的动画制作。关键帧插值法，就是先进行关键帧中人物表情的绘制，然后使用软件通过插值自动进行两个帧之间的过渡帧的生成。以往在进行二维动画的制作时，通常使用这种关键帧插值法，这种制作方法较为方便简易，进行关键帧的绘制，然后通过关键帧生成过渡帧，就可以制作出生动的动画作品，很多资深动画制作师都是采用的这种方法。关键帧插值法的兼容性非常好，所以被很多动画制作公司广泛应用，作为诸多前沿动画制作技术的基本框架使用。

（2）基于参数化的表情动画制作。基于参数化的表情制作，是将人物的面部表情进行抽象并且参数化，需要表现某一种表情时，只要对参数进行设置即可。例如，面部动作编码系统，以及MPEG-4人脸动画驱动，都是常见的参数化方式。但是，参数化表情制作法，有时其参数在进行组合的过程中，会产生不协调的情况，若没有调度机制及时进行调节，便会生成不自然的人物表情。若动画中人物所需的表情较为复杂时，就需要进行多个参数的调节，这个调节过程就会非常复杂，费时费力。

（3）基于混合模型的表情动画制作。基于混合模型的表情动画制作常用于三维动画的制作中，它的制作原理抛开实际人物面部的物理属性，利用计算机建立三维表情模型，通过建模进行线性空间的定义。然后由线性组合来生成动画人物的面部表情。这种基于混合模型的制作方法相对其他方法较为直观且简单易懂，但是在进行三维模型的创建时，工作量很大，非常困难，创建过程费时费力。线性组合的系数很难进行调整，烦琐的调整过程会导致动画制作人员难以将希望表现的画面表现出来。

（4）基于表演驱动的表情动画制作。基于表演驱动的表情动画制作方法首先要采集真人的表情动作，然后通过真人表情数据，定义二维卡通人物的面部表情。进行表情采集的工作有两种采集类型，一种是利用动作捕获装置来采集真人表情；另一种是通过普通表情视频驱动来进行表情的采集。这两种表情采集方式各有千秋，第一种方法制作出的动画人物表情更加生动精彩，而第二种采集方法的采集过程更加方便快捷。基于表演驱动的表情动画制作过程效率更高，而且这种方法制作出的卡通动画，人物表情更加丰满生动。表演驱动发在动画制作中的应用越来越广，受到一致的认可。但是这种方式的运动数据和人脸模型在融合的过程中无法完全自动进行，需要很多人工的操作才能完成。

（5）表演驱动的矢量化二维表情动画制作。表演驱动的矢量化制作方法，在高效的基础上，具有易用的特点，是本文主要研究的方法。大部分步骤可以自动进行，只有在动画人物面部设置特征点，以及指派轮廓线到特定的面部器官需要用户交互。这种制作方法，仅仅需要动画制作师绘制一张二维静态卡通人物图像即可，然后由拍摄真人的面部表情，系统就可以自动生成动画人物的面部表情。

3 表演驱动的矢量化二维表情动画制作过程

（1）算法流程概述。首先需要收集原始数据，即为真人面部表情信息，对其进行特征点的跟踪，生成他定的表情序列。人工对二维卡通人物的面部进行标注，将卡通人的人脸特征点分布与前面生成的表情序列相结合，进行表情重新定向，生成卡通人物的面部表情序列。再对卡通人脸进行矢量化，划分五官区域，生成二维矢量卡通人脸，与卡通人脸的表情序列进行人脸驱动，最终生成卡通人物面部表情的动画。

（2）卡通人脸矢量化。卡通人脸矢量化的过程，首先需要进行轮廓抽取。卡通人物的五官轮廓绘制通常较为清晰，图像由明显的色块构成，轮廓提取较为简单，仅需要将图像转化为灰度模式，运用边缘检测算法，将面部轮廓提取出来，将面部轮廓划分区域，分别保存。手动选取真实人脸的五官，将每条轮廓指派给特定的面部器官。然后对轮廓特征点进行抽取，得到一个边界点列。再抽取点列中的特征点，对这些特征点进行曲线拟合，得到与原始图像近似的矢量化结果。

（3）表情重定向和驱动。首先通过运动捕捉系统对二维图像面部表情进行采集，这个过程，先将易于被摄像机捕捉的反光材质固定于人面部的重点标记部位，然后使用摄像机拍摄，捕捉表情关键点，得到二维面部表情信息。捕捉到二维人脸表情之后，需要综合考虑真人的人脸与动画人物人脸的差别，进行表情的重新定向。首先在人脸选择一个点作为基准点，然后分别计算真人人脸和卡通人脸上每个标记点与基准点距离的比例，根据这个比例对表情信息进行重定位，确定卡通人脸中五官的位置。[2]确定出五官位置后，便可以进行卡通人脸的表情驱动。

4 结语

本文介绍了通过采集真人面部表情，对真实表情进行矢量化来驱动二维卡通人物的表情过程。这种动画制作方法的优点在于大部分环节都可以自动进行，操作简易，制作高效。普通的动画制作中，可以运用这种制作方法，效率高，且制作精良。对于更高要求的动画，可以适当增加真人面部的标记点，采集表情更为细致，使得动画的制作更加生动。表演驱动的矢量化二维表情动画有着很广阔的应用以及很好的发展前景，还有着很大的进取空间。

参考文献：

[1] 王玉顺，肖俊，庄越挺，等.基于运动传播和Isomap分析的三维人脸动画编辑与合成[J].计算机辅助设计与图形学学报，2009（12）.

[2] 严素蓉，朱桂林，徐从富.一种位图矢量化新方法[J].计算机工程与应用，2010（14）.

作者简介：丁艳（1976―），女，新疆石河子人，长江大学艺术学院讲师，研究方向：动画和电影。