基于生理學(xué)的舌頭建模與動畫合成.pdf

1、近年來，研究人員嘗試根據(jù)發(fā)音器官的運動機制和原理來模擬或再現(xiàn)發(fā)音器官的運動，并將其用于語言學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)和人機交互等場合。人類的發(fā)音器官主要包括舌頭、嘴唇、牙齒、軟硬腭、咽腔和鼻腔等。其中，舌頭是最重要、最精細(xì)和最靈活的器官，舌頭的運動在很大程度上決定了人說話時的發(fā)音變化。因此，針對舌頭的生理學(xué)建模與仿真研究至關(guān)重要。過去，由于舌頭生理數(shù)據(jù)的采集比較困難、再加上計算機仿真技術(shù)的發(fā)展相對滯后，如何在生物力學(xué)的意義上逼真地表現(xiàn)人說話時的舌頭運

2、動成為發(fā)音可視化領(lǐng)域的一大難題。因此，構(gòu)建一個能反映真實生理特性的舌頭模型，并通過其合成出語音同步的逼真動畫是一項極富挑戰(zhàn)性的研究工作。
　　本文以還原逼真的舌頭生理特性和合成高真實感的舌頭動畫為研究目標(biāo)，構(gòu)建了一個高精細(xì)的生理學(xué)舌頭模型，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了一個高真實感的舌頭動畫合成系統(tǒng)。本文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下:
　　1.對舌頭相關(guān)的解剖學(xué)、生物力學(xué)知識進行了深入調(diào)研，提出了一種基于舌頭的斷層掃描數(shù)據(jù)和相關(guān)醫(yī)學(xué)資料的

3、解剖學(xué)建模方法，構(gòu)建了一個擁有精確三維外觀和內(nèi)部肌肉結(jié)構(gòu)的舌頭幾何網(wǎng)格模型。
　　具體言之，首先根據(jù)舌頭的斷層掃描數(shù)據(jù)構(gòu)建三維舌面網(wǎng)格模型，接著利用網(wǎng)格劃分技術(shù)用稠密而規(guī)整的四面體對其內(nèi)部進行填充，形成舌頭的四面體網(wǎng)格模型。然后，使用一種新的交互式肌肉標(biāo)記法對舌頭肌肉的幾何形狀和肌纖維結(jié)構(gòu)進行標(biāo)記。據(jù)此，肌肉由分布于舌頭內(nèi)部的的四面體組合表示，而肌纖維則由肌肉內(nèi)部各節(jié)點上的向量表示。仿真結(jié)果表明，該方法可以實現(xiàn)對舌頭外觀幾何形狀和

4、內(nèi)部肌肉結(jié)構(gòu)的高精細(xì)模擬。
　　2.對舌頭的運動變形問題進行了研究，提出了一種基于有限元技術(shù)的舌頭生物力學(xué)建模方法，該方法能夠?qū)ι囝^軟組織的彈性特性以及肌肉運動特性進行精確的模擬仿真。該方法構(gòu)建的舌頭模型能夠通過生理參數(shù)來驅(qū)動舌頭模型發(fā)生變形進而合成出逼真的舌頭動畫。
　　首先舌頭模型整體被賦予一個非線性、準(zhǔn)不可壓縮性、各向同性和超彈性的材料屬性，其次那些被標(biāo)記為肌肉的四面體被額外賦予一個特殊的材料屬性，以體現(xiàn)肌肉的主動和被

5、動收縮特性。通過有限元分析計算，舌頭模型的運動可以根據(jù)施加的肌肉激勵來驅(qū)動產(chǎn)生。實驗結(jié)果表明，本文的生物力學(xué)建模方法能讓舌頭模型有效地模擬舌頭的彈性特性和其肌肉受激產(chǎn)生形變等生理功能，從而產(chǎn)生逼真的舌頭運動。
　　此外，鑒于舌頭在發(fā)音過程中運動速度較快，本文充分考慮了針對舌頭的動態(tài)特性的模擬仿真，通過將舌頭肌肉的速度-張力關(guān)系嵌入到舌頭肌肉的本構(gòu)關(guān)系中，實現(xiàn)了舌頭變形的準(zhǔn)靜態(tài)仿真和動態(tài)仿真。
　　3.結(jié)合語音可視化的實際應(yīng)用

6、，根據(jù)上述舌頭生理模型，構(gòu)建了一個可由文本或語音驅(qū)動的舌頭動畫合成系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在目前舌頭三維數(shù)據(jù)缺乏的情況下，通過二維舌頭運動數(shù)據(jù)合成高真實感的舌頭動畫。
　　首先利用舌頭生理模型合成大量的舌頭運動樣本，并基于這些樣本訓(xùn)練得到一個從肌肉激勵到二維舌頭輪廓的轉(zhuǎn)換模型。然后，對X光二維舌頭運動數(shù)據(jù)進行運動跟蹤，得到與發(fā)音相對應(yīng)的舌頭剛體位移和舌頭輪廓的局部變形信息。最后，利用訓(xùn)練好的轉(zhuǎn)換模型，根據(jù)X光數(shù)據(jù)中的舌頭輪廓局部變形逆向計