人脸模型表达形式优化探讨

人脸不同生理层之间的相互作用使模拟人脸变形成为一项非常复杂和困难的工作。同时，对于人脸变形的模拟也依赖于人脸模型的表示方法。因此，将人脸模型的表示和变形方法分开是很困难的。通常，人脸模型是几何表示和变形方法的结合体。因此，在选择人脸模型的表示方法时应考虑应用的要求和变形方法。

表示人脸模型常用的技术大致可以分为多边形建模技术、曲面建模技术。多边形建模技术通常采用矩形网格和三角形网格来表示模型。与多边形表示方法相联系的脸部变形方法有关键帧插值法、参数法、基于物理学的肌肉变形法、伪肌肉变形法等。尽管多边形表示法在各种人脸模型被广泛使用，但它们却常常不能很好地表现人脸部的平滑性和弹性。曲面建模技术为此提供了一个很好的解决办法。曲面建模技术包括样条模型和有限元模型等。与曲面建模技术相联系的变形方法有：参数化法、基于物理学的肌肉变形法、伪肌肉变形法等。

1.多边形建模技术

多边形建模技术是用矩形网格或者三角形网格来表示人脸的几何，并且在网格上选取一些控制点，通过控制点的移动来带动网格的形变，这样就可以得到产生动画的效果。运用这种方法可以获得精细的脸部几何结构和纹理，合成各种脸部变形，实现自然的、完全可控的脸部动画。均匀网格和非均匀网格是多边形建模技术中常用的技术。用非均匀网格可以突出面部的细节，并且降低计算的复杂度。譬如，在面部的眼睛和嘴部采用密度比较大的网格来表示它们，这样就更容易突出它们的细节，而在脸颊和后脑等这些部位可以用密度较小的网格来表示它们。

2.曲面建模技术(www.xing528.com)

采用曲线/曲面来建立人脸几何模型有如下一些优点：由于通常采用的解析曲线/曲面具有多阶连续性，所以用这种方法建立的人脸模型具有光滑的表面；利用解析曲线/曲面的几何性质，可以容易地对人脸模型的几何外形进行修改和调整。使用曲线/曲面表示的人脸几何模型所占用的存储空间较小，只需要存储相应的曲线/曲面参数即可。其缺点是这种方法通常只能较粗略地描述人脸的几何外形，对人脸的某些几何细节难以做高精度的描述；如果要较精确地描述这些细节，则整个建模方法的代价较大。另外，由于人脸不同部分有不同的几何分辨率，人们希望采用不同的精度来描述人脸的不同部分，几何细节较多的地方采用较高的精度来描述；反之，则采用较低的精度。而解析曲线/曲面建模方法是一种全局性的建模方法，难以采用多分辨率（Multi-resolution）对模型局部进行建模。

曲面建模技术主要包括样条模型和有限元模型。常用的样条模型有B样条模型，这是由于B样条控制的精确性，实现的人脸模型可以用任意精度忠实于原始人脸。但是由于B样条的控制点并不是直接作用于模型表面的，所以对于曲率变化较大的地方不是很容易实现的。另外，B样条模型很难实现孔、洞等形状，这也给人脸建模带来不便。关于B样条曲线、曲面的定义和基本算法可见参考文献[4]。有限元模型常用于皮肤的形变计算，其缺点是计算量太大。这种模型适合医学方面的应用，不适用于实时的人脸动画系统。

目前广泛采用的人脸几何建模方法是用网格模型来描述人脸的几何外形。基于网格模型的人脸几何建模最大的优点在于其灵活性。由于网格模型可以任意增加或者删除顶点和面片，而这样的操作具有局部顶点和面片在增删时不会影响模型其他部分的几何形状，所以整个网格模型可以用多种几何分辨率来表现模型的不同部分。在模型几何细节较少的地方，是用稀疏的顶点和面片来表现的，而在几何细节较多的地方，则是用稠密的顶点和方法面片来表现的。