游戏引擎中三维人脸造型与表情动画的研究与实现

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1、第一章绪论1．1课题背景国家科技部863计划于2005年发布了“中国数字媒体技术发展白皮书”，对数字媒体技术发展现状进行了深入分析，文中描述到：从目前我国数字媒体技术的发展状况来看，内容制作效率低、内容缺乏创新、标准滞后、网络整合困难、终端不足、市场不成熟、价格缺乏制度依据、核心技术有待继续研究、产业链尚待进一步完善、商业模式有待探索以及体制问题等诸多因素成为制约我国数字媒体产业的健康发展主要瓶颈。这些瓶颈问题严重影响了我国数字媒体产业和技术的发展，所有这一切都有待在未来五年的产业与科技规划中得到改善和彻底解决。数字媒体技术产业具有巨大的市场空间

2、与成长机会。中国作为一个制造业大国，应在该领域有所建树，并不断通过扶持和鼓励、引导市场对相关项目和产品的研发，提升我国数字媒体产业的竞争力，进而确立我国在这一产业中的国际地位。在这样的政策指导下，国家大力推动了数字媒体相关的研究项目。本文所描述的系统就是在以下两个863项目中完成的：国家高技术研究发展计划(863计划)《网络游戏公共技术平台关键技术研究》(No．2005AAll4080)，该项目的主要任务为进行大型实时网络三维游戏引擎设计，整合网络、图形、物理、AI和游戏逻辑、音效等功能模块，并开发以场景编辑器为主的数字内容创作工具。国家高技术研

3、究发展计划(863计划)《支持数字媒体内容创作的集成环境》(No．2006AA012335)，该项目的主要任务为构建能够支持动漫、游戏、数字影视等数字媒体产品开发的创作工具集和通用引擎。支持多种媒体融合的建模技术、高效的数字媒体渲染服务新技术。1．2研究意义随着计算机硬件技术，特别是图形加速硬件的快速发展，计算机已经成为数字媒体创作中必备的强大工具。许多富有想象力和创造力的人们，正利用这一利剑创造出前所未有的虚拟环境和视觉体验。为了表现用户在虚拟世界中的活动，提高沉浸感，要求虚拟世界中的用户化身具有贴近真实的表现，其中，面部表现就电子科技大学硕士

4、学位论文是一项非常关键的指标。而计算机图形学在建模、渲染和实时动画方面的发展，促进了人脸造型和面部动画在游戏、电影虚拟角色、远程会议、面部手术等方面的应用。特别在游戏开发领域，大量建模工具的出现以及实时渲染技术的飞速发展，以往并不多见的面部表情动画，已经频频出现在各种平台的游戏中，如：UbisoR的“Beo、挑1f，，、CAPCoM的“C腼瑚【usha"、EA的“NeedforSpeed：Carbon”、以及SQUAREENIX的“FinalFantasy"。在大规模网络游戏发展方面，Lind饥Labs的MMOG(MassivelyMultipl

5、ay订oIdineGame)环境“secondLife’’以玩家参与游戏创造的方式带给玩家一种全新的游戏体验。可以预见，三维社区游戏将会成为游戏界的一个热点，同时这也给游戏开发提出了更高的要求，例如，个体之间的互动要求游戏进一步增强其角色表现，特别是对虚拟人物面部表情动画的支持。1．3研究现状面部表情成为科学研究的对象已经有超过一百多年的历史了。最初，主要是从生理学的角度来研究面部的运动和表情。一些更早的研究，如JollIlBulwer在17世纪40年代末所做的工作，以及Ch盯lesDa刑in的“TheExpressionoftlleEmotio

6、nsizlMenandAnimals"被认为是该研究领域的起始。1978年Emall和Friesell引入了一种用于描述面部运动的方法——FacialActionCodingSystenl(FACS)，这被认为是面部运动研究史上的一个重大突破。FACS定义了44个基本的面部运动单元(AU)，这些运动单元组合起来可以表示面部肌肉的基本运动，如：升眉毛、眨眼、说话。其中，8个AU用于控制三维头部的运动，如：摇头、点头等。FACS已经被成功地应用于描述人造脸的运动和面部跟踪。基于计算机的面部表情造型与动画的研究工作早在20世纪70年代初就开始了。在19

7、72年Parke创造了第一个三维人脸动画。1973年allellson开发出一个交互式系统，允许编辑绘制出的人脸图像。1974年P破e基于前面的工作，开发出了第一个参数化的三维人脸模型。在20世纪80年代早期，Platt开发出了第一个基于肌肉控制的人脸模型，Br咄an创造了人脸漫画化技术。在1985年，电影短片“TonydePeltrie”成为面部动画的里程碑，在影片中，计算机面部表情和嘴部动画第一次成为整个影片的基础。到了20世纪80年代末，w缸ers开发出了一种新型的肌肉模型，2第一章绪论Ma盟e11atmalm锄和他的同事们提出了一种抽象肌

8、肉运动模型，Lewis和Hill提出了自动化发音同步方法。到了20世纪90年代，面部动画技术的研究以及计算机人脸动画的应用已经达到了一个