第一节　研究背景及意义

作为身份特征信息和情感特征的最重要载体，人脸在日常生活的信息交流、情感表达过程中起着非常重要的作用。根据人脸的表观特征，我们不但可以获取对方的身份信息，还可以通过脸部的特征变化情况来推测对方的身份、情绪、状态等信息。研究表明，在日常生活的交流当中，超过50％的信息是通过人脸来传递的。［3］

由于人脸在信息交流当中所发挥的巨大作用，使得人们对于人脸的描述和刻画产生了极大的兴趣。早期人脸的表示方式大都采用艺术领域的手段来实现。基于这种方式描述的人脸具有高度的真实感和准确的情感表达效果。随着科学技术的不断发展，使用摄像机、照相机等设备记录人脸的方式逐渐走进了人们的视野。人们可以基于这些设备获得真实感更高的人脸图像并对它们进行复杂的处理。在计算机技术迅速发展的今天，使用计算机技术对人脸进行表示成为刻画人脸的最新途径。越来越多的学者和机构投入到这项工作的研究当中，他们尝试使用各种方法实现基于计算机的人脸表示，其中最主流的方向是使用计算机构建人脸的三维模型。

然而建立真实感强的三维人脸模型却是一项非常困难的工作。这是因为人脸具有复杂的层次结构、几何结构和光照特性。人脸的层次结构包括骨骼层、肌肉层、结缔组织层和表皮层。人脸的几何结构包括鼻子、眼睛、耳朵、嘴、头发等。人脸的表观特征和情感状态是在这些部分的共同作用下得以体现和完成的。然而这些组件在不同的人脸上存在着较大的差异，并且无法用统一的模型进行表示。例如头发有卷发和直发之分，脸型有方脸、圆脸、瓜子脸之分，眼睛有单眼皮和双眼皮之分。由于基因和生长环境的不同，不同的人脸的皮肤颜色、皮肤结构和皮肤反射率都各不相同。目前还没有比较可行的方法可以准确地测量和表示人脸的光照特性。所有这些因素使得构建真实感强的三维人脸模型成为一项既复杂又具有挑战性的课题。该课题的解决需要生理学、心理学、物理学等多个学科的共同努力。有效地解决该课题可以极大地促进对相关领域的研究。

除了具有重要的科学研究意义，三维人脸建模技术还具有广阔的实际应用价值。目前该技术已经广泛应用于影视动画、游戏娱乐、人机交互、医疗技术、辅助教学等诸多领域。

●影视动画

使用计算机构建人物形象已经成为当前影视作品创作的重要手段。很多精彩的影视作品就是在这项技术的辅助下完成的，作品中鲜活亮丽的人物形象给人们留下了深刻的印象。这些作品主要有20世纪的《魔戒》《玩具总动员》《夺面双雄》和时下流行的《阿凡达》《绿巨人》《飞屋环球记》等一系列作品。其中，给人留下印象最为深刻的要数电影《阿凡达》当中Navi族的人物形象（图1-1）。

图1-1　《阿凡达》中的Navi形象

●游戏娱乐

随着计算机视觉技术的发展，二维形式的计算机游戏已经逐渐淡出了人们的视野，三维计算机游戏渐渐成为游戏发展的主流方向。三维虚拟人物是游戏中不可缺少的元素，高度真实感的人物形象能给人带来身临其境的感受。最具有代表性的游戏是《使命召唤5》，该游戏对人物的刻画惟妙惟肖（图1-2）。

图1-2　《使命召唤》中的人物形象人机交互

人机交互技术是增强软件易用性的一项重要技术，目前的人机交互技术已经向人性化、自然式交互的方向发展。人脸作为信息传递的最有效载体自然成为人机交互技术研究的重要对象。［3-8］基于人脸的交互技术极大地拓展了新一代交互技术的适用范围，并增强了人际交互技术的可用性。虽然这类交互方式还在很多方面存在着不足，但这些不足一定会在学者的努力下得以解决。

●医疗技术

使用计算机构建三维人脸模型为颅骨手术和人脸外科整容手术提供参考和模拟，是当前医学研究最为流行的方法。通过构建患者的三维人脸模型，医学工作者不单可以对人脸的结构进行可视化分析，还可以对治疗方案和治疗过程做出更为准确的判断，从而大大提高对相关病变的治愈率。除此之外，三维人脸建模技术还广泛应用于美容整形领域。通过对整容后的效果进行模拟，患者和医生可以对最终治疗方法达成最大的一致。

●辅助教学

随着网络技术的发展，基于网络学习的授课模式逐渐成为当前教育教学的新方法，然而普通的网络教学方式由于缺少师生互动，使得教学效果常常难如人意。目前的三维人脸建模技术已经可以用于教师模型的构建和唇部动画的仿真。在进行远程教育教学中，虚拟老师形象的出现会大大提高学生的学习积极性和学习效率，并且使用仿真技术进行唇部运动模拟可以使学生对发声方法和发声要领有更准确地把握。

总之，无论从研究意义方面看，还是从应用前景方面看，三维人脸建模技术都值得深入而翔实地研究下去。