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随着先进制造和智能技术的快速发展，服务机器人已经逐步走向千家万户，人们对服务机器人的智能理解、自然交互、情感交流等问题提出了更高的要求，进而演化到人与虚拟人的行为和思想交流，因此带有情感的三维人脸建模和动画已成为计算机科学领域研究的热点之一。 在人们的日常交流过程中，人的面部起到了决定性作用，它包括了人类的喜、怒、哀、乐等等复杂的表情，并且还承担着语言表述的功能。如何在虚拟的三维人脸上生成具有真实感的面部表情动作主要存在如下问题：第一，针对眼部、嘴部等细节部位的建模。第二，当着重对某一部位过重描绘时，比如嘴部控制点选取过多时常会存在计算速度的问题。第三，区域之间的相互干扰问题，比如上下嘴唇肌肉群的独立工作。第四，面部表情驱动数据是否真实并且有效的反映人的面部情感信息。 为了解决上述问题，本文设计并实现了基于Dirichlet自由变形算法的人脸情感模拟系统，该系统包括两部分：第一部分是数据采集与处理，利用OptiTrack（面部表情捕捉系统）采集人的面部表情数据，OptiTrack系统采集到的是表演者的面部表情数据，具有真实性，通过对数据的加工处理，能很好的还原真实人的面部表情动作；第二部分是自由变形算法的利用，本文采用DFFD（Dirichlet free-form deformations）作为变形算法并以C++代码实现，以面部表情数据作为驱动数据，实现了人脸情感模拟系统。 本文研究工作如下： （1）使用C++语言还原DFFD自由变形算法，并且改进计算Sibson坐标的计算方法，使计算速度加快，提高程序的运行效率。 （2）在头部分别设置了面部、嘴部、眼部等控制网格，而且在面部选取了更加合理的控制点集合，使面部表情模拟更自然。 （3）利用OptiTrack系统采集到真实人表演后的面部表情数据，并对数据进行加工处理，使得能在三维人脸上得以利用。 （4）采用DFFD算法作为变形算法，以Facial capture数据作为驱动数据，完成了一个人脸情感模拟系统。 本文通过理论研究与实验相结合，完成了基于Dirichlet自由变算法的人脸情感模拟系统的设计，经过人工评测，该系统能够真实、有效的并且实时的模拟人类（喜、怒、哀、乐等）复杂表情，这项研究在人机交互的情感表达领域起到了一定的作用。