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Animoji
蘋果在今年的十周年特別版iPhone X發(fā)布會上，推出了Animoji功能。該功能基于iPhone X的結(jié)構(gòu)光傳感器，捕捉用戶的表情變化，生成相應的3D動畫表情。本文介紹了基于ARKit + SceneKit的Animoji實現(xiàn)方案。
Animoji原理
???在人臉建模后，通過獲取人臉追蹤與表情捕捉的數(shù)據(jù)，更新到虛擬形象上，使虛擬形象與用戶人臉的位置與表情相同步。
（1）?人臉建模
在高端設(shè)備上，借助紅外攝像頭與結(jié)構(gòu)光點陣投影儀，根據(jù)獲取的點云數(shù)據(jù)，結(jié)合利用泛光照明器得到的紅外圖像，通過隨機交替獲取二者數(shù)據(jù)，做3D人臉建模。
（2）人臉追蹤與表情捕捉
人臉追蹤：依據(jù)人臉檢測算法和SLAM（同步定位與地圖構(gòu)建）算法，實時追蹤人臉在圖像中的位置變化，并計算人臉在3D空間中的位置。
表情捕捉：依據(jù)基于深度學習的表情識別算法，通過匹配用戶當前人臉數(shù)據(jù)到表情庫，識別出用戶當前表情。
（3）虛擬形象渲染
構(gòu)建與真實世界相同坐標的虛擬世界，創(chuàng)建虛擬形象并實時計算它與人臉之間的位置映射關(guān)系，基于表情捕捉得到的數(shù)據(jù)來更新虛擬形象的動畫表情。
Animoji效果
Animoji方案
本方案使用?變形動畫+骨骼動畫+骨骼控制?來實現(xiàn)Animoji。
變形動畫：使用預先制作好的表情基作為變形目標，通過變形的方式來確定模型表面每個頂點最終的位置，使用SceneKit渲染的話，可以用SCNMorpher來實現(xiàn)。
骨骼控制：在設(shè)計師刷好骨骼對蒙皮的權(quán)重后，就可以通過骨骼控制或者加載骨骼動畫來實現(xiàn)非變形部分的動畫。
骨骼動畫
建立虛擬形象模型
（1）虛擬形象靜態(tài)模型
虛擬形象分為強表情部分和弱表情部分，以頭部舉例：臉部為強表情部分，眼睛牙齒耳朵等為弱表情部分。強表情部分用捕捉的表情數(shù)據(jù)更新，弱表情部分則根據(jù)用戶頭部的運動數(shù)據(jù)與表情變化來更新。
例如：用戶邊轉(zhuǎn)頭邊做鬼臉，強表情部分，即臉部會更新為用戶的表情形象，而弱表情部分，如耳朵骨骼會根據(jù)用戶頭部轉(zhuǎn)動的速度變彎曲，舌頭會在嘴巴長到一定幅度伸出。
（2）制作表情基
表情基分為普通表情基與混合表情基。表情基與靜態(tài)模型的強表情部分的拓撲結(jié)構(gòu)完全一致，且在同一個尺度空間下大小相同。不同表情基，模型的網(wǎng)格頂點數(shù)一樣，多邊形一一對應，不同的是頂點的位置不同（如大笑嘴部的頂點就會有位移）。
普通表情基是一些設(shè)計好的臉部模型，如圖3。普通表情基代表一些固定的人臉表情，如張嘴、眨眼，為了縮減大小，表情基除了幾何體沒有其他任何信息，并且分割為若干子部分。
混合表情基是若干特定的普通表情基的非線性組合，在運行時計算得出，用以擴展表情的豐富度，理論上有混合表情基的支持，虛擬形象能夠模擬無限多個表情，而不是只在普通表情基這個維度，混合表情基的計算方式如下式，?B( i )表示第i 個混合表情基，E( j )表示第j個普通表情基。
表情分割
本系統(tǒng)將表情分割成5部分，在加載表情時，只使用有效部分，（如眨眼就只加載眼部），縮小了表情的計算量。分割表情時，使用更平滑的頂點法線來避免分割后可能產(chǎn)生的裂縫。
表情權(quán)重分配機制
本系統(tǒng)對不同表情分配了不同的權(quán)重，在更新時，對于高權(quán)重的表情，會先加載先更新，提高每次更新表情的用戶體驗，縮短關(guān)鍵表情的等待時間，流程圖如下。
分包加載
本系統(tǒng)的加載方式采用分包加載的方式，首先將分割好的表情基分布存儲在若干文件中，在需要的時候分包加載，模型開始更新的時間是之前的20%。
建立骨骼
對于弱表情部分，他們是根據(jù)頭部的運動與表情變化來做更新，本系統(tǒng)對弱表情部分建立骨骼來控制它們。當用戶向右看時，控制眼球骨骼向右旋轉(zhuǎn)；當用戶張嘴時，控制下巴骨骼向下旋轉(zhuǎn)；當用戶向右轉(zhuǎn)頭時，耳朵會根據(jù)轉(zhuǎn)頭速度向左旋轉(zhuǎn)。
骨骼動畫
除了上一點所說的更新方式，本系統(tǒng)還使用骨骼動畫來來做更精致、可運營的表情。骨骼動畫與命中邏輯可動態(tài)下發(fā)。
基于人臉追蹤與表情捕捉數(shù)據(jù)更新虛擬形象
初始化之后，虛擬形象會添加到虛擬世界中，用戶人臉在真實世界中的運動會同步到虛擬形象在虛擬世界的運動。同時通過表情捕捉數(shù)據(jù)，拆解用戶表情為普通表情基和混合表情基的線性組合，利用此組合更新虛擬形象的強表情部分。如下式，?E(user)是用戶當前的表情，E是普通表情基，B是混合表情基。
更新方式是：遍歷表情基E的網(wǎng)格的每一個頂點，通過下式計算其最終的位置。其中V(i)表示第i?個頂點，V(E1)表示在表情基E1中相應的頂點，A(i)表示表情Ei的權(quán)重。
對于弱表情部分，本系統(tǒng)根據(jù)頭部的運動與表情的變化，通過骨骼控制它們。弱表情部分包括但不限于耳朵、下牙與舌頭、眼球。
對于耳朵：
當頭部轉(zhuǎn)動時，通過判斷轉(zhuǎn)頭的速度來控制耳朵骨骼的旋轉(zhuǎn)，從而彎曲耳朵。計算公式如下式，Ear(eulerAngles)為耳朵骨骼的歐拉角，V(x), V(y)?分別為頭部轉(zhuǎn)動的偏航角速度、俯仰角速度，A、B分別為計算所需的補償值，效果如圖6。
1）??當用戶張大嘴時，耳朵向內(nèi)彎曲，彎曲幅度由云端控制。
2）??當用戶閑置時，耳朵部分播放骨骼動畫，動畫與觸發(fā)邏輯由云端下發(fā)。
對于下牙與舌頭：
1）??當用戶張嘴時，下牙與舌頭的骨骼配合張嘴表情向下旋轉(zhuǎn)。計算公式如下，Jaw為下牙與舌頭骨骼的歐拉角，H?為云端控制的最大俯仰角閾值，A為當前表情的張嘴表情系數(shù)。
2）??當用戶張嘴且下唇特征點出現(xiàn)特定變化，判斷用戶在張嘴伸舌頭，變形舌頭并伸出舌頭，效果如圖9。
3）??當用戶張嘴伸舌頭時，移動頭部，控制舌頭左右變形，以符合頭部的運動。
對于眼球：
1）??眼球的轉(zhuǎn)動主要根據(jù)眼部表情變化來控制，計算方式如下式，Eye為眼球骨骼的歐拉角，S為計算旋轉(zhuǎn)的方向值，H為云端控制的最大俯仰角與偏航角閾值，A為當前表情的眼部表情變化系數(shù)。
全景背景與粒子特效
通過下發(fā)不同的360全景圖片或視頻作為背景。當用戶做特殊表情或者特殊話語，觸發(fā)全景背景的更改與粒子特效，當用戶旋轉(zhuǎn)手機時，能看到不同的內(nèi)容，豐富了產(chǎn)品的應用空間，效果如下圖。
更進一步
目前模型的體積較大，考慮采用運行時平滑、著色的方式，實現(xiàn)素材包的體積減少，使用運行時加頂點的平滑方式，可以讓素材包減小80%左右。
與TTS結(jié)合，讓用戶可以通過語音控制一些彩蛋邏輯。
結(jié)合圖像處理、深度學習算法，拓寬應用場景，實現(xiàn)更好玩的玩法。
