基于交互式進(jìn)化計(jì)算的動(dòng)漫人物人臉造型設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于交互式進(jìn)化計(jì)算的動(dòng)漫人物人臉造型設(shè)計(jì)方法，在交互式進(jìn)化計(jì)算對(duì)坐標(biāo)值優(yōu)化之前，對(duì)人臉坐標(biāo)值之間的相關(guān)關(guān)系表示為優(yōu)化的約束條件；對(duì)人臉坐標(biāo)個(gè)數(shù)采用壓縮表示方法，減少待處理的數(shù)據(jù)量；經(jīng)過壓縮處理后，根據(jù)其等值關(guān)系對(duì)人臉坐標(biāo)進(jìn)行編碼，進(jìn)一步減少待處理的數(shù)據(jù)量；對(duì)人臉造型中人眼的優(yōu)化采用對(duì)仿射變換參數(shù)優(yōu)化的方法，進(jìn)一步減少待處理的數(shù)據(jù)量。交互式進(jìn)化計(jì)算結(jié)合用戶對(duì)人臉的評(píng)價(jià)，迭代執(zhí)行選擇、交叉和變異進(jìn)化操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)人臉造型的設(shè)計(jì)。該方法能有效提高動(dòng)漫人物人臉造型設(shè)計(jì)的效率，有效地降低了人臉造型設(shè)計(jì)的進(jìn)入門檻，普通的用戶也可在該方法的協(xié)助下，完成專業(yè)的人臉造型設(shè)計(jì)。
【專利說明】
基于交互式進(jìn)化計(jì)算的動(dòng)漫人物人臉造型設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)圖形領(lǐng)域，特別是動(dòng)漫人物人臉造型的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以及交 互式進(jìn)化計(jì)算領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 動(dòng)漫人物的人臉造型是影響動(dòng)漫產(chǎn)品市場占有率的一個(gè)重要因素。特色顯明的人 臉造型往往需要高水平的設(shè)計(jì)人員，動(dòng)漫公司要為此支付較高的成本，而低水平的設(shè)計(jì)效 果很難令人十分滿意；另外，受設(shè)計(jì)人員數(shù)量的限制，動(dòng)漫人物造型人臉部分的設(shè)計(jì)風(fēng)格變 化少，設(shè)計(jì)風(fēng)格單調(diào)，多樣性較差；由此帶來的問題是，同一公司的不同動(dòng)漫產(chǎn)品中，不同的 人物，具有極其相似甚至相同的造型，觀眾滿意度較低。另外，人臉造型設(shè)計(jì)過程中，因?yàn)槿?臉特征點(diǎn)較多，特征點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)復(fù)雜，手工操作調(diào)整人臉特征點(diǎn)取值極其繁瑣。而常規(guī)的 計(jì)算機(jī)輔助的優(yōu)化方法，因?yàn)槿四樚卣鼽c(diǎn)坐標(biāo)構(gòu)成的搜索空間較大，所以搜索效率較低。綜 上，目前人臉特征點(diǎn)優(yōu)化過程中主要存在的3個(gè)問題：（1)優(yōu)化設(shè)計(jì)效果依賴于高水平的設(shè) 計(jì)人員、（2)優(yōu)化設(shè)計(jì)風(fēng)格多樣性差、（3)常規(guī)計(jì)算機(jī)輔助人臉優(yōu)化設(shè)計(jì)效率低。
[0003] 人臉特征點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)模型Candide 3是學(xué)術(shù)與工業(yè)界采用的主要標(biāo)準(zhǔn)模型之一，主 要用于人臉識(shí)別、表情識(shí)別等領(lǐng)域。交互式進(jìn)化計(jì)算是一種結(jié)合了人的鑒賞能力對(duì)復(fù)雜問 題進(jìn)行優(yōu)化的方法，該方法能夠幫助普通的用戶設(shè)計(jì)出專業(yè)級(jí)的產(chǎn)品。交互式進(jìn)化計(jì)算基 于用戶的鑒賞評(píng)價(jià)，獲取用戶的偏好心理空間信息，并基于這些偏好信息對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行 自動(dòng)地搜索與優(yōu)化。利用交互式進(jìn)化計(jì)算方法，結(jié)合Candide 3人臉模型，進(jìn)行動(dòng)漫人物的 人臉造型設(shè)計(jì)，充分利用設(shè)計(jì)師或普通用戶的鑒賞能力和交互式進(jìn)化計(jì)算的尋優(yōu)能力，并 通過數(shù)據(jù)壓縮減小搜索空間，通過約束條件形成規(guī)范的人臉造型，達(dá)到減小對(duì)設(shè)計(jì)師依賴， 提高設(shè)計(jì)風(fēng)格多樣性和設(shè)計(jì)效率的目的。
[0004]山東師范大學(xué)劉弘等提出了"一種基于遺傳算法的動(dòng)漫模型設(shè)計(jì)方法"的發(fā)明。該 發(fā)明主張的設(shè)計(jì)方法共分為3個(gè)階段。第一階段是得到基本動(dòng)漫模型，第二階段是基于相鄰 結(jié)構(gòu)線判別刪減對(duì)基本動(dòng)漫模型優(yōu)化，第三階段是基于遺傳算法對(duì)動(dòng)漫模型進(jìn)化。但該發(fā) 明申請(qǐng)沒有針對(duì)動(dòng)漫模型中的人臉的設(shè)計(jì)申請(qǐng)發(fā)明，而動(dòng)漫人臉卻是觀眾最注重的一個(gè)環(huán) 節(jié)。本發(fā)明申請(qǐng)對(duì)動(dòng)漫人臉設(shè)計(jì)的發(fā)明。
[0005] 中國礦業(yè)大學(xué)孫曉燕等提出了"基于交互式進(jìn)化優(yōu)化的圖書個(gè)性化搜索方法"的 發(fā)明，該方法利用CP-net進(jìn)行圖書搜索。將整個(gè)進(jìn)化優(yōu)化過程分為三大功能模塊，包括:初 始化CP-net、CP-net更新、基于CP-net的交互式進(jìn)化。同理，該發(fā)明申請(qǐng)沒有針對(duì)動(dòng)漫中人 物的人臉主張專利。
[0006] 鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院郭廣頌等提出了 "一種用于便攜式酒壺設(shè)計(jì)的混雜型交互 式進(jìn)化優(yōu)化方法"，該發(fā)明旨在提高酒壺個(gè)性化設(shè)計(jì)的效率，并采用單一數(shù)值型與區(qū)間數(shù)值 型混雜個(gè)體適應(yīng)值賦值方法。但該發(fā)明也沒針對(duì)動(dòng)漫中人物的人臉主張專利。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明給出一種基于交互式進(jìn)化計(jì)算的動(dòng)漫人物的人臉造型設(shè)計(jì)方法，包括通過 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)人臉模型中特征點(diǎn)的坐標(biāo)值的約束處理、對(duì)特征點(diǎn)的坐標(biāo)值的壓縮、對(duì)人眼特征點(diǎn) 的仿射變換處理，利用交互式進(jìn)化計(jì)算方法對(duì)坐標(biāo)值進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。該發(fā)明有助于動(dòng)漫公 司減少對(duì)設(shè)計(jì)人員的依賴，有助于發(fā)揮普通用戶鑒賞能力，并有助于提高人臉造型設(shè)計(jì)的 多樣性。
[0008] 一種基于交互式進(jìn)化計(jì)算的動(dòng)漫人物人臉造型設(shè)計(jì)方法，該方法包括如下步驟： 步驟一、預(yù)處理，包括:選擇Candide 3標(biāo)準(zhǔn)人臉模型，基于人臉的對(duì)稱性、人臉無向圖 表示對(duì)應(yīng)的鄰接矩陣的對(duì)稱性、無向圖的稀疏性、人臉無向圖的無權(quán)性、人臉特征點(diǎn)坐標(biāo)的 等值關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮處理;進(jìn)行人臉特征點(diǎn)位置的約束關(guān)系處理； 步驟二、產(chǎn)生初始人臉造型群體，包括:根據(jù)編碼長度，對(duì)坐標(biāo)值加上隨機(jī)產(chǎn)生的數(shù)值， 并對(duì)不滿足約束關(guān)系的點(diǎn)坐標(biāo)值進(jìn)行調(diào)整，產(chǎn)生不同的人臉坐標(biāo)值對(duì)應(yīng)的編碼，從而產(chǎn)生 初始人臉群體； 步驟三、呈現(xiàn)候選人臉造型給設(shè)計(jì)師或用戶，包括:把產(chǎn)生的人臉坐標(biāo)值編碼進(jìn)行解壓 縮，得到人臉造型所有的特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值，繪制人臉造型，并將對(duì)應(yīng)的貼圖與人臉造型 組合，生成動(dòng)漫人物造型的人臉，呈現(xiàn)給設(shè)計(jì)人員或用戶；當(dāng)設(shè)計(jì)人員或用戶認(rèn)為人臉造型 滿足了動(dòng)漫中人物設(shè)計(jì)需求，則轉(zhuǎn)入步驟六，否則，轉(zhuǎn)入步驟四； 步驟四、設(shè)計(jì)人員或用戶通過打分的方法對(duì)人臉造型給出評(píng)價(jià)； 步驟五、實(shí)施進(jìn)化操作，把用戶的打分評(píng)價(jià)作為相應(yīng)的人臉造型編碼的適應(yīng)值，根據(jù)適 應(yīng)值，采用選擇算子選擇出對(duì)應(yīng)的造型編碼;對(duì)選擇出的造型編碼進(jìn)行交叉算子操作;對(duì)交 叉得到的人臉造型對(duì)應(yīng)的編碼進(jìn)行變異算子操作，從而在原來設(shè)計(jì)人員或用戶滿意的人臉 造型編碼基礎(chǔ)上得到新的人臉造型編碼;轉(zhuǎn)步驟三； 步驟六:結(jié)束。
[0009] 進(jìn)一步地，步驟一中的基于人臉的對(duì)稱性的壓縮處理是指基于Candide 3標(biāo)準(zhǔn)人 臉模型的左半部和右半部滿足對(duì)稱性的前提下，只優(yōu)化構(gòu)造臉部的左半部分，即只優(yōu)化 Candide 3人臉模型特征點(diǎn)的51個(gè)點(diǎn)，而另一半通過對(duì)稱的方式得到，從而把對(duì)(51+41) X 3 =276個(gè)坐標(biāo)值的優(yōu)化壓縮為對(duì)51 X 3=153個(gè)坐標(biāo)值的優(yōu)化。
[0010] 進(jìn)一步地，所述步驟一中的人臉無向圖表示對(duì)應(yīng)的鄰接矩陣的對(duì)稱性的壓縮是指 根據(jù)人臉特征點(diǎn)關(guān)系矩陣對(duì)稱性的壓縮方法，用無向圖表示51個(gè)特征點(diǎn)之間的關(guān)系，該無 向圖對(duì)應(yīng)的鄰接矩陣滿足關(guān)于對(duì)角線的對(duì)稱性，只對(duì)其上三角矩陣的值優(yōu)化設(shè)計(jì)，其下三 角矩陣的值可以根據(jù)對(duì)稱性得到。
[0011]進(jìn)一步地，所述步驟一中的無向圖表示的稀疏性壓縮是指根據(jù)鄰接矩陣稀疏性的 壓縮方法，只對(duì)上三角矩陣中取值為1的坐標(biāo)值優(yōu)化設(shè)計(jì)，而對(duì)取值為〇的坐標(biāo)值不必優(yōu)化 設(shè)計(jì)。
[0012] 進(jìn)一步地，所述步驟一中的人臉無向圖的無權(quán)性的壓縮是指人臉模型屬于不帶權(quán) 值的無向圖，即矩陣元素只存儲(chǔ)了有無關(guān)聯(lián)的布爾值，只存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)編號(hào)，而不必存 儲(chǔ)布爾值1。
[0013] 進(jìn)一步地，所述步驟一中的人臉特征點(diǎn)坐標(biāo)的等值關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮處理，是指 在Candide 3人臉模型特征點(diǎn)坐標(biāo)值關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出將具有近似相等坐標(biāo)的點(diǎn)用一個(gè) 編號(hào)表示，并在編碼中取相同的值，則可以得到如下所示的規(guī)律，其中，iftA，4)表示 具有相同的坐標(biāo)值，用新的編號(hào)#統(tǒng)一表示，從而把51 X 3=153個(gè)坐標(biāo)值壓縮為 用77個(gè)坐標(biāo)值表示， X坐標(biāo)值:包括22個(gè)坐標(biāo)值，其中（0，1，2,3,4,5,6,7,8,9，10)的1坐標(biāo)為0，不需要編碼， 在繪制人臉時(shí)直接取0值即可，其它點(diǎn)重新編號(hào)如下：0(21)，1(40,43)，2(36)，3(48)，4 (39)，5(44,49)，6(19,27)，7(13)，8(41，50)，9(47)，10(11)，11(24,26,31，34)，12(46)，13 (20,23,33,35)，14(42)，15(16，17,22,25,30,32,37)，16(14)，17(12)，18(29)，19(18,38， 45),20(28),21(15)； y坐標(biāo)值:包括33個(gè)坐標(biāo)值，其中（3)的y坐標(biāo)為0，不需要編碼，其它點(diǎn)重新編號(hào)如下:22 (35) ，23(32,34)，24(30,31，33)，25(27,28,29)，26(25,26)，27(22,23,24)，28(21)，29 (20)，30(2，18，19)，31(17)，32(16)，33(1，15)，34(14)，35(13)，36(12)，37(11)，38(0)，39 (36) ，40(37)，41(38,39)，42(40)，43(4)，44(41)，45(5)，46(42)，47(43)，48(6,44)，49(7， 45,46,47,48),50(49),51(8),52(9),53(50), 54(10)； z坐標(biāo)值:包括22個(gè)坐標(biāo)值，其中（3，6)的z坐標(biāo)為0，不需要編碼，其它點(diǎn)重新編號(hào)如 下：55(8,43)，56(40)，57(4)，58(7,5)，59(2,9，19)，60(1)，61(16，17,21)，62(10,44,49)， 63(36,48)，64(39,41)，65(50)，66(13,20,23,33,35)，67(24,26,31，34)，68(27,46,47)，69 (37) ，70(22,30) ，71(25,32)，72(14，18,29,42)，73(38)，74(0)，75(12，15,28,45)，76 (11)〇
[0014]進(jìn)一步的，所述步驟一中進(jìn)行人臉特征點(diǎn)位置的約束關(guān)系處理是指規(guī)定特征點(diǎn)在 和X軸3個(gè)坐標(biāo)方面下述約束關(guān)系： X坐標(biāo)值:新編號(hào)的22個(gè)坐標(biāo)值，其約束規(guī)則是:0浮點(diǎn)數(shù)值是半開半閉區(qū)間(0，0.0550 ] 的某一值，其余坐標(biāo)依其編號(hào)增加，坐標(biāo)值也在逐漸增加，且最大值不超過1.5; y坐標(biāo)值:新編號(hào)的33個(gè)坐標(biāo)值，其約束規(guī)則是：（1)對(duì)于編號(hào)22~38的浮點(diǎn)數(shù)值，其中， 22浮點(diǎn)數(shù)值是(0，0.0730]區(qū)間的某一值，其余坐標(biāo)依其編號(hào)增加，坐標(biāo)值也在逐漸增加，且 最大值不超過1.5 ;(2)對(duì)于編號(hào)39~54的浮點(diǎn)數(shù)值，其中，39浮點(diǎn)數(shù)值是半開半閉區(qū)間[_ 0.0840，0)的某一值，其余依其編號(hào)增加，坐標(biāo)值逐漸減小，且最小值不超過-1。
[0015] z坐標(biāo)值:新編號(hào)的22個(gè)坐標(biāo)值，其約束規(guī)則是：（1)對(duì)于編號(hào)55~57的浮點(diǎn)數(shù)值，其 中，55浮點(diǎn)數(shù)值是(0，0.1120]區(qū)間的某一值，其余依其編號(hào)增加，而坐標(biāo)逐漸增加；（2)對(duì)于 編號(hào)58~76的浮點(diǎn)數(shù)值，其中，58浮點(diǎn)數(shù)值是[-0.1300，0)區(qū)間的某一值，其余依其編號(hào)增 加，坐標(biāo)值逐漸減小，且最小值不超過-1.2。
[0016] 對(duì)人臉造型中人眼的優(yōu)化采用對(duì)仿射變換參數(shù)間接優(yōu)化的方法，包括對(duì)平移、縮 放、剪切、旋轉(zhuǎn)變化的參數(shù)的優(yōu)化。
[0017] 該方法綜合利用了計(jì)算機(jī)圖形、圖論、交互式進(jìn)化計(jì)算方法，能有效提高動(dòng)漫公司 動(dòng)漫人物人臉造型設(shè)計(jì)的效率，減輕設(shè)計(jì)師的工作壓力，降低動(dòng)漫公司的人力成本；同時(shí)， 該方法也有效地降低了人臉造型設(shè)計(jì)的進(jìn)入門檻，普通的用戶也可以在該方法的協(xié)助下， 完成專業(yè)的人臉造型設(shè)計(jì)。
【附圖說明】
[0018] 圖1基于交互式進(jìn)化計(jì)算的人臉優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖。
[0019] 圖2 Candide 3人臉模型。
[0020] 圖3 Candide 3人臉模型特征點(diǎn)編號(hào)。
[0021] 圖4人眼坐標(biāo)約束關(guān)系有向圖。
[0022] 圖5基于仿射變換的人臉進(jìn)化流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。
[0024] 一種基于交互式進(jìn)化計(jì)算的動(dòng)漫人物人臉造型設(shè)計(jì)方法，該方法包括如下步驟： 步驟一、預(yù)處理，包括:選擇Candide 3標(biāo)準(zhǔn)人臉模型，進(jìn)行人臉特征點(diǎn)位置的約束關(guān)系 處理;基于人臉的對(duì)稱性、人臉無向圖表示對(duì)應(yīng)的鄰接矩陣的對(duì)稱性、無向圖的稀疏性、人 臉無向圖的無權(quán)性、人臉特征點(diǎn)坐標(biāo)的值進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮處理； 采用圖論中的無向圖表示Candide 3人臉模型中的特征點(diǎn)在x、y和z三個(gè)坐標(biāo)軸上的相 互關(guān)系。
[0025] 第一次壓縮:在人臉的左半部和右半部滿足對(duì)稱性的前提假設(shè)下，只優(yōu)化構(gòu)造臉 部的右半部或左半部即可，而另一半可通過對(duì)稱的方式得到。
[0026] 第二次壓縮:特征點(diǎn)之間的關(guān)系具有對(duì)稱性，該無向圖對(duì)應(yīng)的鄰接矩陣為<%:，其 行數(shù)記為，，其中的元素記為寒edi)，。由于無向圖的鄰接矩陣滿足關(guān)于對(duì)角線 的對(duì)稱性，所以有： gci^j)=scU^y (ο 根據(jù)其對(duì)稱性，本發(fā)明只存儲(chǔ)和傳遞該矩陣的上三角的數(shù)據(jù)，另一半數(shù)據(jù)可以依據(jù)式 (1)進(jìn)行解壓縮，這是對(duì)人臉模型的第二次壓縮。壓縮率約為50%。設(shè)第二次壓縮后得到的矩 陣為樣。
[0027]第三次壓縮:根據(jù)矩陣的稀疏性，人臉模型中，并不是任意的兩點(diǎn)都在同一個(gè)三角 片中，通常一個(gè)點(diǎn)只與少數(shù)的點(diǎn)位于同一三角片，所以，其對(duì)應(yīng)的鄰接矩陣是一個(gè)稀疏矩 陣。本發(fā)明在第二次壓縮的基礎(chǔ)上，只存儲(chǔ)和傳遞中汾?&/：)的信息數(shù)據(jù)， 設(shè)由這些信息構(gòu)成的矩陣為
[0028] 第四次壓縮:根據(jù)無權(quán)無向圖的特點(diǎn)，本發(fā)明中的人臉模型屬于不帶權(quán)值的無向 圖，即仰???)的取值只有〇和1兩種，因此，在第三次壓縮后，本發(fā)明只存儲(chǔ)和傳遞的關(guān) 聯(lián)信息。其壓縮率約為67%，設(shè)此時(shí)得到矩陣為:疼丨。
[0029] 第五次壓縮:根據(jù)特征點(diǎn)之間坐標(biāo)的關(guān)系，在x，y和ζ共3個(gè)維數(shù)的坐標(biāo)方面，有許 多點(diǎn)的某一坐標(biāo)幾乎是相等的。本發(fā)明將具有近似相等坐標(biāo)的點(diǎn)用一個(gè)編號(hào)表示，并在編 碼中取相同的值。
[0030] 在經(jīng)過上述壓縮處理后的人臉特征點(diǎn)坐標(biāo)值，在x，y和ζ共3個(gè)維數(shù)方面，根據(jù)其坐 標(biāo)值等值關(guān)系，具有近似相等坐標(biāo)的點(diǎn)用一個(gè)編號(hào)表示，并在編碼中取相同的值，得到如下 所示的規(guī)律，其中，表示?…Λ點(diǎn)具有相同的坐標(biāo)值，用新的編號(hào)統(tǒng)一表 7Jn 〇
[0031] X坐標(biāo)值:需要22個(gè)坐標(biāo)值。其中（0，1，2,3,4,5,6,7,8,9，10)的1坐標(biāo)為0，可以不 參與進(jìn)化，所以不必編碼到個(gè)體中，在繪制人臉時(shí)直接取0值即可。其它點(diǎn)重新編號(hào)如下:〇 (21),1(40,43),2(36),3(48),4(39),5(44,49),6(19,27),7(13),8(41,50),9(47),10 (11)，11(24,26,31，34)，12(46)，13(20,23,33,35)，14(42)，15(16，17,22,25,30,32,37)， 16(14) ,17(12) ,18(29),19(18,38,45),20(28),21(15)〇
[0032] y坐標(biāo)值：只需要33個(gè)坐標(biāo)值。其中（3)的y坐標(biāo)為0,不需要編碼。其它點(diǎn)重新編號(hào) 如下：22(35)，23(32,34)，24(30,31，33)，25(27，28,29)，26(25,26)，27(22,23,24)，28 (21)，29(20)，30(2，18，19)，31(17)，32(16)，33(1，15)，34(14)，35(13)，36(12)，37(11)，38 (0)，39(36)，40(37)，41(38,39)，42(40)，43(4)，44(41)，45(5)，46(42)，47(43)，48(6,44)， 49(7,45,46,47,48),50(49),51(8),52(9),53(50),54(10)〇
[0033] z坐標(biāo)值:只需要要22個(gè)坐標(biāo)值。其中（3,6)的z坐標(biāo)為0,不需要編碼。其它點(diǎn)重新 編號(hào)如下：55(8,43)，56(40)，57(4)，58(7,5)，59(2,9，19)，60(1)，61(16，17,21)，62(10， 44,49)，63(36,48)，64(39,41)，65(50)，66(13,20,23,33,35)，67(24,26,31，34)，68(27， 46,47)，69(37)，70(22,30) ，71(25,32)，72(14，18,29,42)，73(38)，74(0)，75(12，15,28， 45)，76(11)。
[0034] 用無向圖表示的人臉特征點(diǎn)坐標(biāo)值之間滿足如下的約束關(guān)系： X坐標(biāo)值方面:在前述權(quán)利5中新編號(hào)的22個(gè)坐標(biāo)值，其約束規(guī)則是:0浮點(diǎn)數(shù)值是半開 半閉區(qū)間(0，0.0550 ]的某一值，其余坐標(biāo)依其編號(hào)增加，坐標(biāo)值也在逐漸增加，且最大值不 超過1.5; y坐標(biāo)值方面:在前述權(quán)利5中新編號(hào)的33個(gè)坐標(biāo)值，其約束規(guī)則是：（1)對(duì)于編號(hào)22~38 的浮點(diǎn)數(shù)值，其中，22浮點(diǎn)數(shù)值是(0，0.0730]區(qū)間的某一值，其余坐標(biāo)依其編號(hào)增加，坐標(biāo) 值也在逐漸增加，且最大值不超過1.5;(2)對(duì)于編號(hào)39~54的浮點(diǎn)數(shù)值，其中，39浮點(diǎn)數(shù)值是 半開半閉區(qū)間[-0 . 0840，0)的某一值，其余依其編號(hào)增加，坐標(biāo)值逐漸減小，且最小值不超 過_1。
[0035] z坐標(biāo)值方面:在前述權(quán)利5中新編號(hào)的22個(gè)坐標(biāo)值，其約束規(guī)則是：（1)對(duì)于編號(hào) 55~57的浮點(diǎn)數(shù)值，其中，55浮點(diǎn)數(shù)值是(0，0.1120 ]區(qū)間的某一值，其余依其編號(hào)增加，而坐 標(biāo)逐漸增加；（2)對(duì)于編號(hào)58~76的浮點(diǎn)數(shù)值，其中，58浮點(diǎn)數(shù)值是[-0.1300，0)區(qū)間的某一 值，其余依其編號(hào)增加，坐標(biāo)值逐漸減小，且最小值不超過-1.2。
[0036]對(duì)上述約束關(guān)系約束的檢查與應(yīng)用主要包括三個(gè)過程:一是人臉的初始化時(shí)，要 形成滿足約束條件的可行解;二是在交叉算子中，交叉結(jié)果要滿足約束條件;三是在變異算 子中，變異結(jié)果要滿足約束條件。該模塊還具備對(duì)違反約束條件情況進(jìn)行相關(guān)處理的功能， 當(dāng)某些坐標(biāo)違反約束條件時(shí)，通過對(duì)相關(guān)坐標(biāo)值進(jìn)行微調(diào)，使得滿足約束條件。
[0037]在開始使用交互式進(jìn)化計(jì)算之前，用戶選擇對(duì)整體或部分分別進(jìn)行優(yōu)化，這里采 用了進(jìn)化計(jì)算中部分基因編碼凍結(jié)法，即針對(duì)太大的搜索空間，按照相關(guān)性將基因意義單 元(Genetic Sense Unit, GSU)劃分，把與其他GSU相關(guān)性較小的GSU獨(dú)立進(jìn)化，而相關(guān)性較 大的GSU聯(lián)合進(jìn)化;然后再把進(jìn)化得到的結(jié)果進(jìn)行組合優(yōu)化。本功能模塊把人臉模型分為8 個(gè)GSU:額頭GSU、眉毛GSU、眼睛GSU、鼻子GSU、嘴唇GSU、下巴GSU、臉頰GSU、輪廓GSU。
[0038]對(duì)于人眼的優(yōu)化采用間接編碼方法。標(biāo)準(zhǔn)人眼模型包括28個(gè)人眼特征點(diǎn)，假設(shè)人 臉是對(duì)稱的，則可以只對(duì)其中的14個(gè)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，如圖3中的點(diǎn)20，22~27，29~35。采用圖 論中的哈斯圖來表示人眼jr坐標(biāo)的約束關(guān)系，可以得到圖4。在三維空間中，通過仿射變換， 球可以變換為橢球，而橢球也可以通過仿射變換變?yōu)槠渌煌臋E球?？紤]到人眼的特殊 性，可以看作橢球的一部分。通過對(duì)仿射變換參數(shù)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)人眼圖形的進(jìn)化，采用的仿射 變換包括:平移、縮放、剪切、旋轉(zhuǎn)。平移變換如式(2)所示，包括3個(gè)參數(shù)和i%。縮放變 換如式(3)所示，包括3個(gè)參數(shù)和剪切變換如式(4)所示，包括6個(gè)參數(shù):沿芩軸剪 切的參數(shù)，沿J軸剪切的參數(shù)和沿0，軸剪切的參數(shù)。旋轉(zhuǎn)變換如式(5) 所示，包括3個(gè)參數(shù):繞年軸旋轉(zhuǎn)的參數(shù)_?.，繞,:軸旋轉(zhuǎn)的參數(shù)於和繞蘆軸旋轉(zhuǎn)的參數(shù)為:。如 果對(duì)一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行所有的變換，則其仿射變換過程可以用式(6)表示。
由于本發(fā)明是通過對(duì)仿射變換參數(shù)的優(yōu)化間接實(shí)現(xiàn)對(duì)人眼圖形的優(yōu)化，因此，個(gè)體編 碼的內(nèi)容就是參數(shù)A。這種對(duì)仿射變換參數(shù)編碼而不對(duì)人眼特征點(diǎn)進(jìn)行編碼 的方法，至少可以帶來如下幾個(gè)方面的好處：（1)不必考慮人眼特征點(diǎn)之間的復(fù)雜約束關(guān) 系。例如，但是，在仿射變換中，變換前后特征點(diǎn)坐標(biāo)之間的約束關(guān)系不變，即圖4所示的點(diǎn) 之間的坐標(biāo)關(guān)系不變，所以算法可以避免對(duì)約束關(guān)系進(jìn)行維護(hù)而帶來時(shí)間和空間的浪費(fèi)， 而且，編程工作大大簡化；（2)搜索空間大大減小。因此，采用對(duì)人眼特征點(diǎn)直接進(jìn)化的方 法，搜索空間的大小是1(Ρ。而采用仿射變換方法，則只需要對(duì)式(2)~(5)的仿射變換矩陣 中的15個(gè)參數(shù)進(jìn)行編碼即可。如果仍以0.001為精度，仿射變換矩陣中每個(gè)數(shù)據(jù)的變化區(qū)間 寬度為1，則搜索空間大小為：，搜索空間縮小為]：0*5/1?^ = 1/10^ ; (3)編碼長 度大大減少。采用對(duì)人眼特征點(diǎn)進(jìn)行編碼的方法，需要對(duì)42個(gè)實(shí)數(shù)進(jìn)行編碼;而采用仿射 變換，則只需要對(duì)15個(gè)實(shí)數(shù)進(jìn)行編碼；（4)算法效率大大提高。由于編碼長度的減小，搜索空 間的減小，及維護(hù)約束關(guān)系工作的減少，使得算法效率大大提高。
[0040] 采用仿射變換對(duì)人眼進(jìn)化的方法流程圖如圖5所示，圖中個(gè)體編碼是仿射變換的 參數(shù)，人臉是由基準(zhǔn)人臉坐標(biāo)值與仿射變換進(jìn)行運(yùn)算后得到的。
[0041] 步驟二、產(chǎn)生初始人臉造型群體。包括:根據(jù)編碼長度，對(duì)坐標(biāo)值加上隨機(jī)產(chǎn)生的 數(shù)值，并對(duì)不滿足約束關(guān)系的點(diǎn)坐標(biāo)值進(jìn)行調(diào)整，產(chǎn)生不同的人臉坐標(biāo)值對(duì)應(yīng)的編碼，從而 產(chǎn)生初始人臉群體。
[0042] 步驟三、呈現(xiàn)候選人臉造型給設(shè)計(jì)師或用戶，包括:把產(chǎn)生的人臉坐標(biāo)值編碼進(jìn)行 解壓縮，得到人臉造型所有的特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值，繪制人臉造型，并將對(duì)應(yīng)的貼圖與人臉 造型組合，生成動(dòng)漫人物造型的人臉，呈現(xiàn)給設(shè)計(jì)人員或用戶；當(dāng)設(shè)計(jì)人員或用戶認(rèn)為人臉 造型滿足了動(dòng)漫中人物設(shè)計(jì)需求，則轉(zhuǎn)入步驟六，否則，轉(zhuǎn)入步驟四； 步驟四、設(shè)計(jì)人員或用戶通過打分的方法對(duì)人臉造型給出評(píng)價(jià)； 步驟五、實(shí)施進(jìn)化操作。把用戶的打分評(píng)價(jià)作為相應(yīng)的人臉造型編碼的適應(yīng)值，根據(jù)適 應(yīng)值，采用選擇算子選擇出對(duì)應(yīng)的造型編碼;對(duì)選擇出的造型編碼進(jìn)行交叉算子操作;對(duì)交 叉得到的人臉造型對(duì)應(yīng)的編碼進(jìn)行變異算子操作，從而在原來設(shè)計(jì)人員或用戶滿意的人臉 造型編碼基礎(chǔ)上得到新的人臉造型編碼;轉(zhuǎn)步驟三； 步驟六:結(jié)束。
[0043] 在規(guī)定前述的數(shù)據(jù)壓縮與約束關(guān)系后，采用Java程序設(shè)計(jì)語言開發(fā)系統(tǒng)，采用 Java 3D繪制人臉造型。
[0044] 在交互式進(jìn)化計(jì)算中，采用三角函數(shù)選擇算子、近親回避的交叉算子、對(duì)各基因意 義單元隨機(jī)的變異算子。用戶給出的打分評(píng)價(jià)采用百分制方法或語言描述評(píng)價(jià)法。
[0045] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于交互式進(jìn)化計(jì)算的動(dòng)漫人物人臉造型設(shè)計(jì)方法，其特征在于：該方法包括 如下步驟： 步驟一、預(yù)處理，包括:選擇化ndide 3標(biāo)準(zhǔn)人臉模型，基于人臉的對(duì)稱性、人臉無向圖 表示對(duì)應(yīng)的鄰接矩陣的對(duì)稱性、無向圖的稀疏性、人臉無向圖的無權(quán)性、人臉特征點(diǎn)坐標(biāo)的 等值關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮處理;進(jìn)行人臉特征點(diǎn)位置的約束關(guān)系處理； 步驟二、產(chǎn)生初始人臉造型群體，包括:根據(jù)編碼長度，對(duì)坐標(biāo)值加上隨機(jī)產(chǎn)生的數(shù)值， 并對(duì)不滿足約束關(guān)系的點(diǎn)坐標(biāo)值進(jìn)行調(diào)整，產(chǎn)生不同的人臉坐標(biāo)值對(duì)應(yīng)的編碼，從而產(chǎn)生 初始人臉群體； 步驟Ξ、呈現(xiàn)候選人臉造型給設(shè)計(jì)師或用戶，包括:把產(chǎn)生的人臉坐標(biāo)值編碼進(jìn)行解壓 縮，得到人臉造型所有的特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值，繪制人臉造型，并將對(duì)應(yīng)的貼圖與人臉造型 組合，生成動(dòng)漫人物造型的人臉，呈現(xiàn)給設(shè)計(jì)人員或用戶；當(dāng)設(shè)計(jì)人員或用戶認(rèn)為人臉造型 滿足了動(dòng)漫中人物設(shè)計(jì)需求，則轉(zhuǎn)入步驟六，否則，轉(zhuǎn)入步驟四； 步驟四、設(shè)計(jì)人員或用戶通過打分的方法對(duì)人臉造型給出評(píng)價(jià)； 步驟五、實(shí)施進(jìn)化操作，把用戶的打分評(píng)價(jià)作為相應(yīng)的人臉造型編碼的適應(yīng)值，根據(jù)適 應(yīng)值，采用選擇算子選擇出對(duì)應(yīng)的造型編碼;對(duì)選擇出的造型編碼進(jìn)行交叉算子操作;對(duì)交 叉得到的人臉造型對(duì)應(yīng)的編碼進(jìn)行變異算子操作，從而在原來設(shè)計(jì)人員或用戶滿意的人臉 造型編碼基礎(chǔ)上得到新的人臉造型編碼;轉(zhuǎn)步驟Ξ; 步驟六:結(jié)束。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于交互式進(jìn)化計(jì)算的動(dòng)漫人物人臉造型設(shè)計(jì)方法，所 述步驟一中的基于人臉的對(duì)稱性的壓縮處理是指基于化ndide 3標(biāo)準(zhǔn)人臉模型的左半部和 右半部滿足對(duì)稱性的前提下，只優(yōu)化構(gòu)造臉部的左半部分，即只優(yōu)化化ndide 3人臉模型特 征點(diǎn)的51個(gè)點(diǎn)，而另一半通過對(duì)稱的方式得到，從而把對(duì)(51+41) X 3=276個(gè)坐標(biāo)值的優(yōu)化 壓縮為對(duì)51 X 3=153個(gè)坐標(biāo)值的優(yōu)化。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于交互式動(dòng)漫人物人臉造型進(jìn)化優(yōu)化方法，其特征在 于:所述步驟一中的人臉無向圖表示對(duì)應(yīng)的鄰接矩陣的對(duì)稱性的壓縮是指根據(jù)人臉特征點(diǎn) 關(guān)系矩陣對(duì)稱性的壓縮方法，用無向圖表示51個(gè)特征點(diǎn)之間的關(guān)系，該無向圖對(duì)應(yīng)的鄰接 矩陣滿足關(guān)于對(duì)角線的對(duì)稱性，只對(duì)其上Ξ角矩陣的值優(yōu)化設(shè)計(jì)，其下Ξ角矩陣的值可W 根據(jù)對(duì)稱性得到。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于交互式進(jìn)化計(jì)算的動(dòng)漫人物人臉造型設(shè)計(jì)方法，所 述步驟一中的無向圖表示的稀疏性壓縮是指根據(jù)鄰接矩陣稀疏性的壓縮方法，只對(duì)上Ξ角 矩陣中取值為1的坐標(biāo)值優(yōu)化設(shè)計(jì)，而對(duì)取值為0的坐標(biāo)值不必優(yōu)化設(shè)計(jì)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于交互式進(jìn)化計(jì)算的動(dòng)漫人物人臉造型設(shè)計(jì)方法，所 述步驟一中的人臉無向圖的無權(quán)性的壓縮是指人臉模型屬于不帶權(quán)值的無向圖，即矩陣元 素只存儲(chǔ)了有無關(guān)聯(lián)的布爾值，只存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)編號(hào)，而不必存儲(chǔ)布爾值1。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于交互式進(jìn)化計(jì)算的動(dòng)漫人物人臉造型設(shè)計(jì)方法，其 特征在于:所述步驟一中的人臉特征點(diǎn)坐標(biāo)的等值關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮處理，是指在化ndide 3人臉模型特征點(diǎn)坐標(biāo)值關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出將具有近似相等坐標(biāo)的點(diǎn)用一個(gè)編號(hào)表示，并 在編碼中取相同的值，則可W得到如下所示的規(guī)律，其中，?角占，…，?表示弓去，…，^點(diǎn)具有 相同的坐標(biāo)值，用新的編號(hào)?統(tǒng)一表示，從而把51X3=153個(gè)坐標(biāo)值壓縮為用77個(gè)坐標(biāo)值表 示， X坐標(biāo)值:包括22個(gè)坐標(biāo)值，其中（0，1，2,3,4,5,6,7,8,9，10)的^坐標(biāo)為0，不需要編碼， 在繪制人臉時(shí)直接取0值即可，其它點(diǎn)重新編號(hào)如下：0(21)，1(40,43)，2(36)，3(48)，4 (39)，5(44,49)，6(19,27)，7(13)，8(41，50)，9(47)，10(11)，11(24,26,31，34)，12(46)，13 (20,23,33,35)，14(42)，15(16，17,22,25,30,32,37)，16(14)，17(12)，18(29)，19(18,38， 45),20(28),21(15)； y坐標(biāo)值:包括33個(gè)坐標(biāo)值，其中（3)的y坐標(biāo)為0,不需要編碼，其它點(diǎn)重新編號(hào)如下:22 (35) ,23(32,34),24(30,31，33),25(27,28,29),26(25,26),27(22,23,24),28(21)，29 (20)，30(2，18，19)，31(17)，32(16)，33(1，15)，34(14)，35(13),36(12),37(11)，38(0)，39 (36) ,40(37)，41(38，39),42(40)，43(4),44(41),45(5),46(42),47(43)，48(6,44)，49(7， 45，46，47，48),50(49)，51(8),52(9),53(50),54(10); Z坐標(biāo)值:包括22個(gè)坐標(biāo)值，其中（3,6)的Z坐標(biāo)為0,不需要編碼，其它點(diǎn)重新編號(hào)如 下：55(8,43),56(40)，57(4)，58(7，5)，59(2,9，19),60(1),61(16,17,21),62(10，44,49)， 63(36,48)，64(39,41)，65(50)，66(13,20,23,33,35)，67(24,26,31，34)，68(27,46,47)，69 (37) ，70(22,30) ,71(25，32),72(14,18,29,42),73(38)，74(0),75(12,15,28,45)，76 (11)。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于交互式進(jìn)化計(jì)算的動(dòng)漫人物人臉造型設(shè)計(jì)方法，其特征 在于:所述步驟一中進(jìn)行人臉特征點(diǎn)位置的約束關(guān)系處理是指規(guī)定特征點(diǎn)在^^和^軸3個(gè) 坐標(biāo)方面下述約束關(guān)系： X坐標(biāo)值:新編號(hào)的22個(gè)坐標(biāo)值，其約束規(guī)則是:0浮點(diǎn)數(shù)值是半開半閉區(qū)間(0,0.0550] 的某一值，其余坐標(biāo)依其編號(hào)增加，坐標(biāo)值也在逐漸增加，且最大值不超過1.5; y坐標(biāo)值:新編號(hào)的33個(gè)坐標(biāo)值，其約束規(guī)則是：（1)對(duì)于編號(hào)22~38的浮點(diǎn)數(shù)值，其中， 22浮點(diǎn)數(shù)值是(0,0.0730]區(qū)間的某一值，其余坐標(biāo)依其編號(hào)增加，坐標(biāo)值也在逐漸增加，且 最大值不超過1.5; (2)對(duì)于編號(hào)39~54的浮點(diǎn)數(shù)值，其中，39浮點(diǎn)數(shù)值是半開半閉區(qū)間[- 0.0840，0)的某一值，其余依其編號(hào)增加，坐標(biāo)值逐漸減小，且最小值不超過-1; Z坐標(biāo)值:新編號(hào)的22個(gè)坐標(biāo)值，其約束規(guī)則是：（1)對(duì)于編號(hào)55~57的浮點(diǎn)數(shù)值，其中， 55浮點(diǎn)數(shù)值是(0,0.1120]區(qū)間的某一值，其余依其編號(hào)增加，而坐標(biāo)逐漸增加；（2)對(duì)于編 號(hào)58~76的浮點(diǎn)數(shù)值，其中，58浮點(diǎn)數(shù)值是[-0.1300,0)區(qū)間的某一值，其余依其編號(hào)增加， 坐標(biāo)值逐漸減小，且最小值不超過-1.2。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于交互式進(jìn)化計(jì)算的動(dòng)漫人物人臉造型設(shè)計(jì)方法，其 特征在于:對(duì)人臉造型中人眼的優(yōu)化采用對(duì)仿射變換參數(shù)間接優(yōu)化的方法，包括對(duì)平移、縮 放、剪切、旋轉(zhuǎn)變化的參數(shù)的優(yōu)化。
【文檔編號(hào)】G06T13/40GK106097418SQ201610412503
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月14日 公開號(hào)201610412503.9, CN 106097418 A, CN 106097418A, CN 201610412503, CN-A-106097418, CN106097418 A, CN106097418A, CN201610412503, CN201610412503.9
【發(fā)明人】郝國生, 呂俊懷
【申請(qǐng)人】江蘇師范大學(xué)