李 巖

(渭南師范學院 絲綢之路藝術學院，陜西 渭南 714099)

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【現代應用技術研究】

表情動畫中3D骨骼蒙皮技術運用研究

李 巖

(渭南師范學院 絲綢之路藝術學院，陜西 渭南 714099)

三維動畫技術是現代動畫應用研究中的一個熱點領域。人們?yōu)榱烁玫卦趧赢嬛凶非笈c現實世界更接近的虛擬表現，從而給虛擬的模型添入更多的技術以便于進行更方便操控。骨骼蒙皮技術能做到更加形象、逼真的效果，尤其是在處理動畫人物的表情上，這種技術的特色更為明顯。文章介紹了骨骼蒙皮動畫的技術原理及應用背景，并通過實例詳細闡述了3D骨骼蒙皮技術運用于表情動畫的具體方法，期望能更好地改善動畫畫面質量，增強虛擬繪制的真實性，優(yōu)化表情動畫的視覺效果。

3D骨骼；蒙皮技術；表情動畫

1 3D骨骼蒙皮技術及運用背景

1.1 3D骨骼蒙皮技術簡介

在3D動畫中，角色的表皮都是由許多網格組成的虛擬皮膚，骨骼也是按照一定的層次組織起來的，這樣的骨骼層次可以將骨架很好地表現出來。骨骼和骨骼之間，通過關節(jié)的連接就可以完成一系列的運動。在這種情況下，利用3D骨骼蒙皮技術可以調整骨骼之間的相對距離和角度，完成動畫表情的不同實現形式。骨骼會影響皮膚上的頂點，有時只有一塊，有時甚至是多塊。從而在外表上，看起來像肌肉運動。這些都是由骨骼和頂點之間的物理、幾何關系決定的。為了使其能夠自然運轉，每個骨骼都會有兩個相關的變化點，在皮膚外面有一個物體代替控制器。當移動物體控制器時，每個骨骼在骨架空間的擺放狀況、位移和旋轉矩陣都會隨之變化[1]，這就是3D骨骼蒙皮技術。

1.2 3D骨骼蒙皮技術運用背景

三維動畫技術已在各個領域得到廣泛應用，尤其是在電影制作上。三維軟件的不斷完善，使現代電影在設計和制作上擁有了更多的創(chuàng)意色彩，增加了電影的表現力。電影中的三維動畫，包括關節(jié)動畫、單一網格動畫和骨骼蒙皮動畫3種。[2]骨骼蒙皮動畫是前兩者的結合，在三維角色動畫中占據著重要位置。

3D骨骼蒙皮技術應用極為廣泛，現主要應用在網絡游戲、影視、教育、醫(yī)學等領域。電影《最終幻想10》中的演員完全是虛擬的角色扮演。影片中的大部分動作動畫都使用了動作捕捉技術和骨骼蒙皮技術。目前國內一款大型網絡游戲《劍俠情緣3》的輕功動作制作，也采用了大量的骨骼蒙皮動畫技術，給人們帶來了無與倫比的游戲體驗。醫(yī)學動畫應用于人體醫(yī)學的教學中，為教學提供了便捷，使知識傳授更加直觀。隨著計算機技術的發(fā)展，3D骨骼蒙皮技術不僅僅局限于多媒體技術領域的使用，也為社會各方面的發(fā)展進步注入了新的活力。

2 3D骨骼蒙皮技術在表情動畫中的運用及其優(yōu)勢

2.1 表情動畫的原理

表情是指人的內心活動和情緒的表現。表情比其他肢體語言更具有說服力，更能讓觀眾留下深刻印象。通過表情也更容易使觀眾感受到劇中人物的思想感情及內心活動。[3]如今現有的面部表情識別技術，主要是通過參照真人的表情特征來完成動畫。這樣的參照只能停留在表層，我們還需要根據動畫形象的面部表情來展現豐富的人物心理情感。現在的動畫表情技術，可以將人物的面部表情通過三維空間的塑造達到非常精細的程度。人物的面部表情即使是運動起來，也會很逼真。這樣的運動鏡頭，稱之為表情鏡頭。同時，我們還可以來了解更多的面部表情形式，對動畫角色面部表情特征及表情分類進行研究。借助符號建立表情特征，也就是將動畫技術符號與角色表情建立一一對應的關系，匯集形成符號表情庫。用不同層次的規(guī)劃結構來解決角色面部表情的不同特征，進而更加準確地表現人物的心理世界。

人物的面部肌肉運動，主要是心理活動的反應。他不只是停留在靜態(tài)的表情內，或是擺一個姿勢，或是單純亮相的幾個鏡頭，而是讓表情靈動起來。面部每一塊肌肉的運動都是心理情緒的體現，創(chuàng)造一個富有活力的形象并與內心活動緊密結合起來，再形成一系列的運動鏡頭，讓人感覺是通過面部肌肉的運動產生的真實表情。角色在表演的時候，基于不同的情緒會帶動臉部的不同肌肉，這些都來自于大腦傳遞的神經系統(tǒng)的信號，這種根據表情鏡頭呈現角色面部表情效果的動畫就是表情動畫。

2.2 3D骨骼蒙皮技術在現代表情動畫中的運用

1990—2001年，著名的日本三維動畫最終幻想系列，從《最終幻想VIII》到《最終幻想7·降臨之子》，在處理錯綜復雜的人物性格和角色動態(tài)方面都是歷來最完美的，從而表現出生動飽滿的人物情感。特寫鏡頭與有規(guī)律的表情運動相互配合，使得劇情人物表情自然，充滿生命力。這種集美與力于一體的東西，在舊時代美國動畫中是很難看到的。影片中的表情動畫還加入了復雜的鏡頭角度來襯托人物的情感，實現了真實的攝像機運動與完美的角色塑造。

同時，還有一部電影也廣泛使用了這一技術。三維動畫電影《超人特攻隊》完美的情境動作設計都源于夸張的動態(tài)動作表現和豐富的角色表情。特別是一些純粹的人物表情的表現，能夠讓我們相信那些創(chuàng)造出來的超人形象是如此的真實?！冻颂毓り牎愤@部電影，在表情動畫的制作過程中，在那些關鍵動作的部分設置了骨骼和動畫點，并把它們設置成為關鍵幀，分配時間比例，調整節(jié)奏，然后加入動畫動作，創(chuàng)造出具有較好表情特征的動畫作品。影片中通過表情變化來展現人們在發(fā)現自己擁有超能力后，從害怕到驚喜的心情。

2.3 3D骨骼蒙皮技術與簡易表情控制器用于表情動畫的優(yōu)缺點對比

在3Dmax、Maya等多種三維軟件里，都有一些為了方便快捷地做出人物表情的表情控制系統(tǒng)。而骨骼控制器在整個表情動畫中也有許多應用領域。控制器能節(jié)省很多制作時間，并減少復雜動畫的制作程序。

控制器的使用也是動態(tài)表情動畫的制作重點。下面我們將對比利用骨骼控制器和表情參數控制器創(chuàng)建動畫的主要過程。

首先是骨骼控制器：

(1)創(chuàng)建兩個大小為1.2和1.5的輔助對象。同時，將骨骼根部的輔助物體連接到兩個比較大的輔助物體上，這樣就可以驅動人臉上的關節(jié)運動。

(2)創(chuàng)建一個二維線作為關節(jié)控制器，將控制器放置在輔助對象之前。并應用參數關聯將各輔助對象和控制器連接在一起，讓控制器控制關節(jié)的運動。讓綠色輔助對象驅動關節(jié)運動控制器。參數設置的方法：選擇紅色的輔助對象，右鍵單擊參數關聯中Zeropos控制器鏈接到Zeropos參數，該控制器能夠驅動紅色輔助物體運動。用同樣的方法來輔助綠色的輔助對象，會發(fā)現綠色節(jié)點也可以驅動控制器實現綠色輔助對象運動。整個骨骼框架建立之后，加上控制手柄，我們便可以輕松地控制這個骨架了。由于每個接頭都需要添加輔助對象，所以這個過程有些煩瑣。

其次是簡易表情控制器：

(1)我們將正常的人頭骨骼綁到模型上。打開修改器，選擇需要調節(jié)的點。打開軟選擇，選擇嘴角附近的點，并與鼠標左鍵配合進行調節(jié)控制。同理，選擇其他需要調整的點做反復調節(jié)，直到調整到理想的效果。

(2)創(chuàng)建關鍵幀，對選擇好的節(jié)點設置動畫。然后對節(jié)點與節(jié)點之間的權重值進行調整，最后再均勻布線，表情動畫就制作完畢了。這種方法相對于骨骼控制器來說，步驟簡單一些，但效果也相對粗略一點。例如微笑的表情，在選好嘴角的關鍵點后，設置好權重值，調節(jié)一下點的位置，就可以位移和旋轉了。這種方法比較易控制，不過我們也可以看到，在微笑的表情表現上總有種“皮笑肉不笑”的感覺。[4]

其實，簡易表情控制器，就是在展現表情細節(jié)和表情運動走向的過程中，設置骨骼蒙皮點的運動信息，再調整各通道的數值，最后帶動影響范圍內的頂點運動形成的動畫效果。從以上兩個采用不同方法實現表情動畫的過程我們可以看到，采用3D骨骼蒙皮技術設置的骨骼控制器，模型的表情塑造比較自然，就如人的肌肉一樣，牽一發(fā)而動全身。而單憑靠移動節(jié)點設置權重想制作更流暢自然的表情動畫是遠遠不行的。

大型影視、游戲公司在使用以往根據面部關鍵點的變化來實現角色表情效果的做法，已經不能很好地適用于復雜的表情變化細節(jié)了。而3D骨骼蒙皮技術能實現更為生動的表情動畫，賦予動畫自然流暢的表情運動表現。細致的表情細節(jié)非常符合人們所追求的虛擬動畫模擬真實而又復雜的表情動畫要求。

3 3D骨骼蒙皮技術運用于表情動畫的具體方法

3.1 3D骨骼蒙皮技術用于表情動畫設計思想

人臉本身就有許多的表情骨骼，如果想讓計算機對人臉進行控制，那先必須要對人臉的主要肌肉運動信息進行分析，通過對這些信息的分析來創(chuàng)建表情骨骼。所以，先定義骨骼符號，再逐次創(chuàng)建骨骼層次，才能根據新位置更新骨骼。[5]

3.2 3D骨骼蒙皮技術運用于表情動畫的具體方法

第一步，我們在頭頂的位置，建一個較大的骨骼作為頭蓋骨。將牙齒和左右眼睛的部位連接到該骨骼上作為子物體。同時在這里提醒一下，每一根骨骼都有一個作用范圍，要事先考慮好放置在臉部的哪個部位，再根據網格上的節(jié)點設計骨骼的位置和朝向。這樣，這些骨骼才能實現對皮膚的影響。

第二步，在脖子的部位，建2個一樣大小的骨骼來控制脖子至耳朵下方的肌肉。

第三步，下巴位置創(chuàng)建3塊骨骼，圍繞圓滑的下巴控制其運動。然后將左邊的一塊骨骼連接到頭蓋骨上作子物體,再將牙齒部位連接到右邊的一塊骨骼上作其子物體。

第四步，在臉頰的地方創(chuàng)建兩個骨頭，這2個骨頭末端還得有一節(jié)短的骨骼作其子骨骼，再將這兩個很長的骨頭都綁定到頭蓋骨上作為子物體。

第五步，創(chuàng)建嘴巴骨骼。在上嘴唇的左半邊，從左向右創(chuàng)建兩個骨骼。右邊骨骼是左邊的子物體。用同樣方法再創(chuàng)建另外3組骨骼，靠近嘴角的是父骨骼。

第六步，在下巴上創(chuàng)建一個point，取名point jaw。用這個點用來控制兩個臉頰骨。再分別給2個臉頰骨綁上骨骼，也就是頂端的那兩個很短的骨骼，并指定動畫控制器。此時，臉頰骨發(fā)生旋轉和放縮，在這個位置要將骨骼按照模型的形狀擺放好，也是制作的關鍵之處。

第七步，將我們創(chuàng)建的point jaw連接到下巴上兩個骨頭中左邊的這個骨骼，也就是point jaw1。當下巴的骨頭運動的時候就會帶動該point一起運動，同時2個臉頰骨也會一起運動。

第八步，制作嘴巴上的point和運動控制器。首先在最右邊的位置創(chuàng)建3個point，然后將最左邊的point作為其子物體。再將嘴巴上左邊的第一塊骨頭連接到該point上作其子物體，選取上嘴唇尖處很短的那個骨骼，為其指定動畫控制器為Position Constraint，拾取最右邊的那個point作為目標點。然后，選取中間的那個骨骼，給它一個Totation上的Look at Constraint控制器。拾取最右邊的point作為目標點，然后再給該骨骼一個Position Constraint控制器。拾取中間的那個point作為目標點，選取最左邊的那個骨骼，給它一個Look at Constraint控制器。拾取中間的point作為目標點,選擇中間的那個point，為它指定一個 Position List控制器。在下面的展開面板中選擇Available后，增加一個Bezier Position控制器。在Position List中雙擊Bezier Position并激活它。

第九步，用同樣的方法，為其他的嘴部骨骼創(chuàng)建關鍵點和控制器。

第十步，將上嘴唇上的嘴角和嘴尖的關鍵點，連接到頭蓋骨上作為子物體。同理，下嘴唇的3個point連接到jawbone1上作為其子物體。

接下來就是創(chuàng)建輔助物體、骨骼控制器，還要設置好控制器來產生聯動。不過，這僅僅是設置了關節(jié)的運動，并不能帶動之前所創(chuàng)建的人臉模型。所以必須對人臉模型添加蒙皮修改器，對相應的模型加以封套，才能使關節(jié)的運動帶動人臉網格的變形，就可以實現各種人臉表情了。具體步驟如下：

第一步，給角色的臉部模型添加蒙皮修改器。

第二步，給Skin修改器中添加骨骼。完成骨骼添加后，就使網格變成可以運動的物體了。觀察一下，如果沒有明顯的變化，那需要對封套的權重再次進行調整。

第三步，調整骨骼封套。目前的骨骼封套權重都是默認值，還必須要一個一個慢慢修改。骨骼封套權重值的分配規(guī)律是從紅到黃到藍逐次減少。

第四步，觀察唇部。調整完唇部的封套后，如果唇部的表情動畫還不夠自然。這時，就需要更細化地調整。將細化調整到關鍵幀動畫，每個關鍵幀中包含時間和骨骼運動信息。我們可以通過曲線編輯器面板來繼續(xù)調整。先對下顎骨運動延伸設置一個關鍵幀，這時會發(fā)現嘴巴是無法張開的。因為下嘴唇兩個突起位置受到的影響較小，上嘴唇受到下顎骨的影響較大，那么我們就要繼續(xù)通過封套進行細化調整來改變。

第五步，封套權重調整。關閉光滑工具，打開網格顯示，選擇嘴唇附近的骨骼進行調整。打開封套調整模式。選擇關鍵點，然后對點的絕對權重值進行調整，并對大面積的模塊進行權重涂抹。直到調整到正常的模式。

第六步，調整完成后進行鏡像復制權重操作。進入封套面板設置選擇鏡像模式，將綠色區(qū)域復制到藍色區(qū)域。復制完成之后看看有沒有變形錯誤。如果有，這時候只需再次進行調整就可以實現一個比較完整的表情動畫了。

4 結語

4.1 3D骨骼蒙皮技術運用于表情動畫效果分析

現在我們有了Skin info,有了Bone offset，但是，這樣還是遠遠不夠的，我們將它加于表情來測試一下是否可行。在全部封套的初步和細化調整后，人臉動畫大體形成，加予控制器進行關鍵幀的調整并刻動畫，便可以做出各式各樣的人物表情。

以“驚奇”為例，驚奇的表情特點是：嘴型稍微偏左或右，左眉尾上翹。

(1)打開設置關鍵幀，時間軸指針成紅，選擇左右邊嘴角控制器，點擊關鍵幀設置按鈕，對當前添加關鍵幀。

(2)將時間定位到第30幀，將眉毛控制器移動到合適的位置，再點擊添加關鍵幀按鈕，添加關鍵幀，這時移動時間軸指針就可以看到眉毛的運動變化。繼續(xù)以同樣的方法設置其他控制器的關鍵幀動畫，便可完成對驚奇表情動畫的制作。

4.2 3D骨骼蒙皮技術前景展望

3D骨骼蒙皮技術是制作高級角色動畫所必備的工具。3D骨骼蒙皮技術使精準控制表情動畫成為現實。雖然在其制作過程中，會因為利用多個小骨骼的角度旋轉來模擬單個骨骼的大角度旋轉，對提高工作效率有一定影響。但要追求精細的表情動畫制作，3D骨骼蒙皮技術是目前的最佳選擇。

三維動畫制作技術在現代動畫電影制作中得到普遍應用。尤其是人臉的三維動態(tài)模擬和真實感的表現，對電影的視覺效果以及后期制作具有重要的意義。3D骨骼蒙皮技術在還原人物的真實性方面讓人們大吃一驚。強大的計算機三維動畫為廣大觀眾帶來了超乎尋常的視覺盛宴。在寬廣的電影熒幕上，當模擬真人角色呈現在觀眾面前時，三維動畫所制作出的一個個活靈活現的角色已經深入人心。絢麗多彩的虛擬世界，給人們提供了一種充分展示個人想象空間的新天地，一個藝術渲染的新境界。

[1] 王紅霞.骨骼蒙皮動畫關鍵幀插值算法的研究[J].光電工程,2014,41(5):63-67.

[2] 黃蔓如.三維動畫技術淺淡[J].現代電影技術,2004，(10):35-38.

[3] 殷琳琳.三維角色面部表情動畫應用研究[J].黃山學院學報,2016，18(4):77-79.

[4] 李廣宇.三維動畫中角色個性化動作設定的探討[D].上海:上海交通大學碩士學位論文,2013.

[5] 林關成.動畫專業(yè)共享型教學資源庫建設的研究與實踐[J].渭南師范學院學報，2015，30(16)：34-36.

【責任編輯 牛懷崗】

Research on the Application of 3D Skin Technology in Facial Animation

LI Yan
(Silk Road Art School, Weinan Normal University, Weinan 714099, China)

3D animation technology is a hot topic in the field of modern animation. In order to pursue better performance closer to the virtual and real world in the animation people add more virtual model technology to facilitate the manipulation. The technology of bone skin can be more vivid and lifelike, especially in dealing with the expression of cartoon characters. In this paper, the technical principle and the application background of skeleton skin animation are introduced. Through the example, elaborated the specific method of using 3D technology in skinned facial animation, it is expected to improve the animation quality, and enhance the authenticity of the virtual rendering optimization, expression animation and visual effects.

3D skeleton; skin technology; facial animation

2017-03-14

渭南師范學院人文社科育苗項目：秦東民間藝術在現代數字動畫技術下的創(chuàng)新研究(17SKYM04)

李巖(1982—)，女，陜西寶雞人，渭南師范學院絲綢之路藝術學院講師，藝術學碩士，主要從事影視動畫和數字媒體技術研究。

TP391.41

A

1009-5128(2017)12-0027-05