| 标题 | 基于Dynamixyz面部捕捉系统的三维数据采集方法 |
| 范文 | 李姝姝 摘要：人脸运动捕捉技术是当下流行的一种数据采集技术，通过捕捉人脸表情运动进行处理和分析采集到的数据，对人脸表情进行动画仿真的一门学科。本文主要介绍了Dynamixyz面部捕捉系统，对人脸面部数据采集方法进行分析与处理。主要包括对系统软硬件设备的介绍，人脸面部数据采集准备工作，以及采集后对数据的优化处理等工作。这套系统是目前使用广泛的面部捕捉系统，无论是在影视动画和游戏制作方面，还是语言研究及教学等方面应用越来越多。 关键词：人脸运动捕捉；数据采集；Dynamixyz 中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）23-0217-02 运动捕捉（Motion Capture）技术是一种用于准确测量运动物体在三维空间运动状况的高技术设备，该技术起初服务于军方，而应用于动画制作领域最早可追溯到20世纪70年代[1]。随着计算机软硬件技术的迅猛发展，人们对于二维画面所带来的感官体验，早已无法得到满足，因此三维立体仿真技术应运而生[2]。人脸运动捕捉融合数学、计算机图形学、图像处理、数据处理等多个学科相互渗透、相互交叉而产生的新兴研究领域，引起了国内外众多研究人员的注意，大量的研究成果不断涌现[3]。近年来，由于动作捕捉技术的逐渐成熟和计算机软硬件技术的飞速发展以及动画制作要求的提高，这项技术得到了越发广泛的应用。目前，对于所有动作捕捉技术的流程，主要是基于设备调整与校准、数据采集以及数据分析与处理这三部分进行数据的采集与处理。 人脸运动捕捉技术是一种能够实时地捕捉和还原人脸表情运动的技术，针对该技术的研究主要包括三部分内容：获取运动数据，分析运动捕捉数据及动画重构[4]。通过与社会上各种类型的运动捕捉进行系统比较分析，光学式运动捕捉系统获取的数据更精准，且系统操作便捷，对于演员的运动捕捉使用范围广等优点。目前，人脸运动捕捉技术在社会各个领域都应用广泛，尤其在电影动画和大型游戏制作方面受到技术人员的青睐。因此，顺应当下研究热点，基于运动捕捉的人脸数据采集方法有必要进行深入研究。 1 Dynamixyz面部捕捉系统 Dynamixyz系统是一个专门应用于游戏、动画、影视制作等领域的无标记面部表情捕捉系统，该系统拥有专用的摄影机畸变校准模块和关键帧优化工具，还可以手工调整动画结果，借助表情捕捉头盔、表情分析模块和面部表情定位模块的配合，将面部表情捕捉数据实时反馈到3D模型中，实时生成捕捉数据，以便开发者可以实现逼真的虚拟角色面部动画。不同于其他动捕系统，该系统可以对面部进行无标记追踪，其追踪效果也极好，尤其对于嘴唇、眉毛、眼睛和眼珠等肌肉运动数据，从而生成逼真的表情动画。 1.1 硬件设备 Dynamixyz面部捕捉系统的硬件设备如图1所示，主要采集设备为定制的头戴式拍摄器，该头盔包含高分子聚合物头戴式拍摄器（H1）、LED灯带（H2）、120FPS的高清深度摄影机（H5），其特制的镜头可以捕获演员表情的深度阴影变化并配合系统软件来分析抓取面部细微褶皱运动、移动可充电高能电源（B1）、数据传输线缆（H3、H4）及其他配件，使用时将设备戴在演员头部，稳定地获取演员的表情表演信息。 1.2 软件设备 在数据采集与优化过程中，使用Dynamixyz面部捕捉系统采集和处理数据，主要用到的软件有GrabberGUI和Performer2 SV，前者控制摄像头实时录制和数据流发送，后者用于数据处理工作。 2 数据采集 首先，调试设备和软件校准。打开GrabberGUI视频捕捉软件检查镜头焦距，并将镜头调整完毕后，开始准备视频录制工作。 其次，对面部化妆注释。使用化妆笔在额头顶部、眉毛两侧、鼻尖、嘴唇边缘处以及下巴和两鬓处画线。Dynamixyz系统可以对无标记面部进行捕捉，但为了对数据更精准的采集与处理，可以对面部进行简单标记，以便达到更好的效果。 最后，采集及数据导出。准备工作完毕后，演员佩戴好面部捕捉装置执行“Start Rec”开始录制。 3 数据处理 数据采集完毕，打开软件Performer2 SV导入采集好的视频文件对数据进行优化处理。主要包括五个步骤：新建工程与校准、新建数据选择中立表情调整、选择关键表情帧并追踪结果、数据修复与输出以及自定义点跟踪。 （1） 新建工程与校准。打开软件Performer2 SV出现以下界面，创建工程名并选择文件保存路径后执行“Create”命令，出现校准界面，一般情况下，若使用该系统专用摄像头捕捉装置，则摄像头默认自动校准执行“Calibrate”命令。若是其他摄像头设备装置，則导入录制好的校准文件后进行校准。 （2） 新建数据选择中立表情调整。在New tracking session界面读取已录制好的视频文件，在同一个工程下可添加多个视频进行处理，前提是要先处理一段视频提取关键帧后，再进行多段视频的处理。然后执行“Apply”命令，将视频文件以每一帧图片的形式解压缩。然后选择演员面无表情的一帧图像作为中立表情，对中立表情进行调整以达到标准状态（如图2）。 （3） 选择关键表情帧并追踪结果。应用中立表情后执行Apply→Manual手动选择一组表情，若选择自动添加关键帧则数据量过大，不利于后期数据处理，因此对于文件较大的视频，不建议选择自动添加关键帧。打开Session mode视频界面，拖动每一帧动画，选择几个表情动作幅度最大的帧数（如图3和图4）执行Add to profile添加关键帧，依次重复截取多张关键帧后，回到Tracking profile mode调整界面，再分别对每一帧的图像做修正调整以达到标准状态，正常情况下截取40～50个关键帧即可达到最佳状态。调整完毕后执行“Build the current profile”对其他帧进行解算。对关键帧数据处理完毕后回到视频界面执行“Track whole timeline”对整段视频进行追踪得到解算结果，播放视频检查是否有帧数识别错误。 （4） 数据修复与输出。对于识别不准确的帧数，重新添加关键帧进行修正，数据修复完后，可以拖动滑动条选择区域段进行追踪解算。当处理完几段视频后，还有大量视频需要处理，可以执行batch mode→Create newt添加多段视频进行自动批处理。数据处理完毕后执行Session→Export selected range进行数据输出，可根据研究需求选择输出格式。 （5） 自定义点跟踪。虽然该系统支持无标记捕捉，若为了与其他动作捕捉配套使用时，需要对面部贴点标记，则可以执行Session→Set markers template设定点模板，对脸部点进行追踪。 4 总结 本文主要介绍了Dynamixyz面部捕捉系统，对人脸面部数据采集方法进行分析与处理，这两套面部捕捉系统都是目前使用广泛的面部捕捉系统，无论是在影视动画，还是科研教育等方面应用越来越多。Dynamixyz面部捕捉系统可以对人脸进行高质量的跟踪与实时，对于面部细节的捕捉更精细，虽然Dynamixyz面部捕捉系统是基于单通道的图像分析识别系统。 但是对人脸部眼球和嘴唇的追踪效果极佳，同时该系统也可以采集音频数据，从而实现音视频同步录制工作。 参考文献： [1] 常一孜.运动捕捉技术工艺流程及数据处理——面部运动捕捉及数据处理[J].现代电影技术，2016（1）：39-42. [2] 安邦，张提.基于运动捕捉技术的藏族舞蹈保护[J].西北民族大学学报，2015，36（3）：51-54. [3] 肖伯祥.运动捕捉数据处理、检索与重构方法研究[D].大连理工大学，2010. [4] 张漫宇.运动捕获技术在三维动画角色面部表情设计的应用[J].天津美术学院学报，2013（4）：65-67. 【通联编辑：唐一东】 |
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