第4期 柯显信，等：不同个性的情感机器人表情研究 .471. 3.1.2仿真前处理 3.2仿真结果 网格划分是有限元分析中至关重要的一步，网 本节选择特征鲜明且具有对比性的两种基本 格划分质量的好坏直接影响有限元分析结果是否 表情：高兴和愤怒来进行仿真分析。 收敛及仿真结果的正确与否。由于面部皮肤弹性 体模型主要由复杂曲面缝合而成，这里采用四边形 首先确定出各控制区域在各种基本表情中的 为主导的网格划分方式。为达到更加逼真的仿真 运动范围，然后根据第1节中不同个性的情感模型： 效果，还需要对面部表情的主要控制区域进行网格 人的个性不同，对相同的刺激产生的情感强度也不 细化。通过研究人类的基本表情，得知人类的表情 同，所以需要在各控制区域施加不同大小的力载 生成主要依靠眉毛、眼晴、嘴部器官。利用ANSYS 荷，以获得情感强度不同的基本表情仿真结果。 中的曲面分割工具将人脸模型中的这些器官区域 根据表1中4种个性类型的性格表现，可以判 分割出来，然后进行局部网格细化，完成人脸模型 的网格划分。图3为人脸模型的网格划分。 断出这4种个性类型在高兴和愤怒时情感阀值T的 大小，进而可以判断情感强度的强弱。当基本表情 为高兴时，4种个性类型的情感阀值T的大小为黏 液质>抑郁质>多血质>胆汁质，则情感强度的强弱 为黏液质<抑郁质<多血质<胆汁质：当基本表情为 愤怒时，4种个性类型的情感阀值T:的大小为黏液 质>多血质>抑郁质>胆汁质，则情感强度的强弱为 黏液质<多血质<抑郁质<胆汁质。 表4高兴时面部控制区域力载荷 图3网格划分 Table 4 Force loads of face control areas when happy N Fig.3 Meshing 利用ANSYS中的曲面分割功能，在面部曲面模 控制 型中的眉毛、眼脸、嘴部位置分割出表情的控制区 个性黏液质 抑郁质 多血质 胆汁质 区域 域，基本表情控制区域如图4中的A~J区域所示。 X 干0.09 千0.12 千0.15 千0.18 ANSYS 左（右） Y 0.12 0.18 0.20 0.20 嘴角 0.06 -0.07 -0.09 -0.12 上（下） 0 0 0 0 y 唇 (-0.06) (-0.16) (-0.08） (-0.20) 眼睑Y 0.002 0.004 0.010 0.012 左 X 图4表情控制区域分布 (右)Y Fig.4 Distribution of expression control areas 约束和载荷是ANSYS仿真计算的边界条件，根 眉头Z 据面部解剖学理论本研究将面部皮肤与头骨之间 左 X 0 0 的连接部位作为固定约束条件，主要部位为面部皮 (右) 0.02 0.05 肤边界、太阳穴和上鼻骨，如图5所示。然后在图4 中的表情控制区域添加不同的力载荷。 眉尾 -0.005 -0.020 ANSYS 根据4种个性类型高兴和愤怒表情的强弱大 小，在人脸模型的控制区域的运动范围内由小到大 逐点取值。通过反复试验，得到仿真表情最接近人 类表情的仿真结果和其对应的面部控制区域的力 载荷。表4为高兴时4种个性类型各控制区域的力 载荷，图6为对应的高兴表情仿真结果：表5为愤怒 时4种个性类型各控制区域的力载荷，图7为对应 图5模型约束条件 Fig.5 Model constraints 的愤怒表情仿真结果。３．１．２ 仿真前处理 网格划分是有限元分析中至关重要的一步，网 格划分质量的好坏直接影响有限元分析结果是否 收敛及仿真结果的正确与否。 由于面部皮肤弹性 体模型主要由复杂曲面缝合而成，这里采用四边形 为主导的网格划分方式。 为达到更加逼真的仿真 效果，还需要对面部表情的主要控制区域进行网格 细化。 通过研究人类的基本表情，得知人类的表情 生成主要依靠眉毛、眼睛、嘴部器官。 利用 ＡＮＳＹＳ 中的曲面分割工具将人脸模型中的这些器官区域 分割出来，然后进行局部网格细化，完成人脸模型 的网格划分。 图 ３ 为人脸模型的网格划分。 图 ３ 网格划分 Ｆｉｇ．３ Ｍｅｓｈｉｎｇ 利用 ＡＮＳＹＳ 中的曲面分割功能，在面部曲面模 型中的眉毛、眼睑、嘴部位置分割出表情的控制区 域，基本表情控制区域如图 ４ 中的 Ａ～ Ｊ 区域所示。 图 ４ 表情控制区域分布 Ｆｉｇ．４ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｒｅａｓ 约束和载荷是 ＡＮＳＹＳ 仿真计算的边界条件，根 据面部解剖学理论本研究将面部皮肤与头骨之间 的连接部位作为固定约束条件，主要部位为面部皮 肤边界、太阳穴和上鼻骨，如图 ５ 所示。 然后在图 ４ 中的表情控制区域添加不同的力载荷。 图 ５ 模型约束条件 Ｆｉｇ．５ Ｍｏｄｅｌ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ ３．２ 仿真结果 本节选择特征鲜明且具有对比性的两种基本 表情：高兴和愤怒来进行仿真分析。 首先确定出各控制区域在各种基本表情中的 运动范围，然后根据第 １ 节中不同个性的情感模型： 人的个性不同，对相同的刺激产生的情感强度也不 同，所以需要在各控制区域施加不同大小的力载 荷，以获得情感强度不同的基本表情仿真结果。 根据表 １ 中 ４ 种个性类型的性格表现，可以判 断出这 ４ 种个性类型在高兴和愤怒时情感阀值 Ｔｉ的 大小，进而可以判断情感强度的强弱。 当基本表情 为高兴时，４ 种个性类型的情感阀值 Ｔｉ的大小为黏 液质＞抑郁质＞多血质＞胆汁质，则情感强度的强弱 为黏液质＜抑郁质＜多血质＜胆汁质；当基本表情为 愤怒时，４ 种个性类型的情感阀值 Ｔｉ 的大小为黏液 质＞多血质＞抑郁质＞胆汁质，则情感强度的强弱为 黏液质＜多血质＜抑郁质＜胆汁质。 表 ４ 高兴时面部控制区域力载荷 Ｔａｂｌｅ ４ Ｆｏｒｃｅ ｌｏａｄｓ ｏｆ ｆａｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｒｅａｓ ｗｈｅｎ ｈａｐｐｙ Ｎ 控制 区域 个性 黏液质 抑郁质 多血质 胆汁质 左（右） 嘴角 Ｘ Ｙ Ｚ ∓０．０９ ０．１２ ０．０６ ∓０．１２ ０．１８ －０．０７ ∓０．１５ ０．２０ －０．０９ ∓０．１８ ０．２０ －０．１２ 上（下） 唇 Ｙ ０ （－０．０６） ０ （－０．１６） ０ （－０．０８） ０ （－０．２０） 眼睑 Ｙ ０．００２ ０．００４ ０．０１０ ０．０１２ 左 （右） 眉头 Ｘ Ｙ Ｚ — — — — 左 （右） 眉尾 Ｘ Ｙ Ｚ — — ０ ０．０２ －０．００５ ０ ０．０５ －０．０２０ 根据 ４ 种个性类型高兴和愤怒表情的强弱大 小，在人脸模型的控制区域的运动范围内由小到大 逐点取值。 通过反复试验，得到仿真表情最接近人 类表情的仿真结果和其对应的面部控制区域的力 载荷。 表 ４ 为高兴时 ４ 种个性类型各控制区域的力 载荷，图 ６ 为对应的高兴表情仿真结果；表 ５ 为愤怒 时 ４ 种个性类型各控制区域的力载荷，图 ７ 为对应 的愤怒表情仿真结果。 第 ４ 期 柯显信，等：不同个性的情感机器人表情研究 ·４７１·