Animación Facial

La animación facial por computadora es principalmente un área de gráficos por computadora que encapsula métodos y técnicas para generar y animar imágenes o modelos de la cara de un personaje. El personaje puede ser un humano, un humanoide, un animal, una criatura o personaje de fantasía, etc. Debido a su tema y tipo de producción, también está relacionado con muchos otros campos científicos y artísticos, desde la psicología hasta la animación tradicional. La importancia de los rostros humanos en la comunicación verbal y no verbal y los avances en hardware y software de gráficos por computadora han provocado considerables intereses científicos, tecnológicos y artísticos en la animación facial por computadora.

Si bien el desarrollo de métodos de gráficos por computadora para la animación facial comenzó a principios de la década de 1970, los logros más importantes en este campo son más recientes y ocurrieron desde finales de la década de 1980.

El cuerpo de trabajo en torno a la animación facial por computadora puede dividirse en dos áreas principales: técnicas para generar datos de animación y métodos para aplicar dichos datos a un personaje. Técnicas como la captura de movimiento y los fotogramas clave pertenecen al primer grupo, mientras que la animación de objetivos morfológicos (más comúnmente conocida como animación de mezcla de formas) y la animación esquelética pertenecen al segundo. La animación facial se ha hecho conocida y popular a través de películas animadas y juegos de computadora, pero sus aplicaciones incluyen muchas más áreas como comunicación, educación, simulación científica y sistemas basados ​​en agentes (por ejemplo, representantes de servicio al cliente en línea). Con los recientes avances en el poder de cómputo en dispositivos personales y móviles, la animación facial ha pasado de aparecer en contenido pre-renderizado a ser creada en tiempo de ejecución.

## Técnicas

### Generando datos de animación facial

La generación de datos de animación facial se puede abordar de diferentes maneras:

1.) captura de movimiento basada en marcadores en puntos o marcas en la cara de un intérprete

2.) técnicas de captura de movimiento sin marcadores que utilizan diferentes tipos de cámaras

3.) audio- Técnicas conducidas

4.) animación de fotogramas clave.

**La captura de movimiento** utiliza cámaras colocadas alrededor de un sujeto. El sujeto generalmente está equipado con reflectores (captura de movimiento pasivo) o fuentes (captura de movimiento activa) que determinan con precisión la posición del sujeto en el espacio. Los datos registrados por las cámaras se digitalizan y se convierten en un modelo de computadora tridimensional del sujeto. Hasta hace poco, el tamaño de los detectores / fuentes utilizados por los sistemas de captura de movimiento hacía que la tecnología fuera inadecuada para la captura facial. Sin embargo, la miniaturización y otros avances han hecho de la captura de movimiento una herramienta viable para la animación facial por computadora. La captura de movimiento facial se usó ampliamente en Polar Express por Imageworks, donde se capturaron cientos de puntos de movimiento. Esta película fue muy lograda y, mientras intentaba recrear el realismo, fue criticada por haber caído en el "valle extraño", el reino donde el realismo de animación es suficiente para el reconocimiento humano y para transmitir el mensaje emocional pero donde los personajes no son percibidos. como realista Las principales dificultades de la captura de movimiento son la calidad de los datos que pueden incluir la vibración, así como la reorientación de la geometría de los puntos.

**La captura de movimiento sin marcadores** tiene como objetivo simplificar el proceso de captura de movimiento evitando sobrecargar al ejecutante con marcadores. Varias técnicas salieron recientemente aprovechando diferentes sensores, entre ellos cámaras de video estándar, sensores Kinect y de profundidad u otros dispositivos basados ​​en luz estructurada. Los sistemas basados ​​en luz estructurada pueden lograr un rendimiento en tiempo real sin el uso de marcadores que usen un escáner de luz estructurada de alta velocidad. El sistema se basa en una sólida etapa de seguimiento de la cara fuera de línea que entrena el sistema con diferentes expresiones faciales. Las secuencias emparejadas se utilizan para construir un modelo de cara lineal específico para cada persona que posteriormente se utiliza para el seguimiento de caras en línea y la transferencia de expresiones.

**Las técnicas conducidas por audio** están especialmente bien adaptadas para la animación del habla. El habla generalmente se trata de una manera diferente a la animación de las expresiones faciales, esto se debe a que los enfoques simples a la animación basados ​​en fotogramas clave suelen proporcionar una aproximación deficiente a la dinámica del habla real. A menudo, los visemas se utilizan para representar las posturas clave en el habla observada (es decir, la posición de los labios, la mandíbula y la lengua al producir un fonema particular), sin embargo, existe una gran variación en la realización de los visemas durante la producción del habla natural. La fuente de esta variación se denomina coarticulación, que es la influencia de los visemas circundantes sobre el visema actual (es decir, el efecto del contexto). Para tener en cuenta la coarticulación, los sistemas actuales tienen en cuenta explícitamente el contexto cuando combinan fotogramas clave visemales o utilizan unidades más largas como diphone, triphone, sílaba o incluso palabras y unidades de longitud de oraciones. Uno de los enfoques más comunes para la animación del habla es el uso de funciones de dominio introducidas por Cohen y Massaro. Cada función de dominio representa la influencia en el tiempo que tiene una imagen en una expresión oral.

**La animación de fotogramas** clave es el menos automatizado de los procesos para crear datos de animación, aunque ofrece la máxima cantidad de control sobre la animación. A menudo se usa en combinación con otras técnicas para entregar el pulido final a la animación. Los datos del fotograma clave pueden estar formados por valores escalares que definen los coeficientes de los objetivos de transformación o los valores de rotación y traslación de los huesos en modelos con una plataforma basada en huesos. A menudo, para acelerar el proceso de animación de fotogramas clave, la animación utiliza un equipo de control. La plataforma de control representa un nivel más alto de abstracción que puede actuar en múltiples coeficientes de objetivos de morfología o huesos al mismo tiempo. Por ejemplo, un control de "sonrisa" puede actuar simultáneamente sobre la forma de la boca curvándose hacia arriba y con los ojos entrecerrados.

### Aplicando animación facial a un personaje.

Las técnicas principales que se usan para aplicar animación facial a un personaje son:

1.) animación de objetivos morfológicos

2.) animación dirigida por huesos

3.) animación basada en texturas (2D o 3D)

4.) modelos fisiológicos.

**Los sistemas basados ​​en objetivos Morph** (también denominados "formas de mezcla") ofrecen una reproducción rápida y un alto grado de fidelidad de las expresiones. La técnica consiste en modelar partes de la malla de la cara para aproximar expresiones y visemas y luego mezclar las diferentes mallas, conocidas como objetivos de transformación o formas de mezcla. Quizás el personaje más exitoso usando esta técnica fue Gollum, de El Señor de los Anillos. Los inconvenientes de esta técnica son que implican un trabajo manual intensivo y son específicos para cada personaje. Recientemente, han comenzado a surgir nuevos conceptos en el modelado 3D. Recientemente, comienza a surgir una nueva tecnología que parte de las técnicas tradicionales, como el modelado controlado por curvas que enfatiza el modelado del movimiento de un objeto 3D en lugar del modelado tradicional de la forma estática.

**La animación impulsada por los huesos** es muy utilizada en los juegos. La configuración de los huesos puede variar entre unos pocos huesos hasta cerca de cien para permitir todas las expresiones faciales sutiles. Las principales ventajas de la animación impulsada por los huesos es que la misma animación se puede utilizar para diferentes personajes siempre que la morfología de sus caras sea similar, y en segundo lugar, no es necesario cargar en la memoria todos los datos objetivos Morph. La animación impulsada por huesos es más ampliamente compatible con los motores de juegos 3D. La animación impulsada por el hueso se puede utilizar tanto en 2D como en 3D. Por ejemplo, es posible manipular y animar usando huesos un carácter 2D usando Adobe Flash.

**La animación basada en la textura** utiliza colores de píxeles para crear la animación en la cara del personaje. La animación facial 2D se basa comúnmente en la transformación de imágenes, incluidas las imágenes de fotografías y secuencias de video. La transformación de imágenes es una técnica que permite generar imágenes de transición intermedias entre un par de imágenes fijas de destino o entre cuadros de secuencias de video. Estas técnicas de transformación generalmente consisten en una combinación de una técnica de deformación geométrica, que alinea las imágenes del objetivo, y un fundido cruzado que crea una transición suave en la textura de la imagen.

**Los modelos fisiológicos**, como los sistemas de músculo esquelético y los modelos de cabeza basados ​​físicamente, constituyen otro enfoque para modelar la cabeza y la cara. [3] Aquí, las características físicas y anatómicas de los huesos, los tejidos y la piel se simulan para proporcionar una apariencia realista (por ejemplo, elasticidad similar a un resorte). Tales métodos pueden ser muy poderosos para crear realismo, pero la complejidad de las estructuras faciales las hace computacionalmente caras y difíciles de crear. Teniendo en cuenta la efectividad de los modelos parametrizados para fines comunicativos (como se explica en la siguiente sección), se puede argumentar que los modelos basados ​​físicamente no son una opción muy eficiente en muchas aplicaciones.