（计算机应用技术专业论文）基于可编程流水线进行实时水墨画渲染的研究.pdf

上海大学硕二f ：学位论文 摘要 非真实感图形渲染能够反映三维形体的几何要素和设计风格，渲染效果 具有特殊的艺术性。水墨渲染属于非真实感图形渲染的一个研究分支。以 三维数据作为渲染的数据源是非真实感渲染发展的一个趋势，这使得非真 实感渲染可以很好的利用三维图形渲染已取得的研究成果。近年来可编程 图形硬件迅猛发展，为非真实感渲染的发展提供新的途径。在此基础上， 本文关注于实时水墨渲染的研究，即在可交互的帧率下进行水墨风格渲染。 本文研究了如何在g p u 可编程流水线上优化和实现原来依赖c p u 进行的 着色、边缘检测、模糊算法、粒子系统等基础技术，并在研究的基础上讨 论两套水墨渲染和交互系统，即“基于可编程流水线的水墨画效果实时绘 制系统 与“基于粒子系统的书法书写仿真系统”的具体实现。 “基于可编程流水线的水墨画效果实时绘制系统”是本文利用先进的 可编程图形流水线技术，结合多种纹理贴图技术、纹理函数技术、边缘评 估算法、模糊和描边等多种图像空间内的后期处理算法，所实现的以三维 模型为数据源的水墨风格生物三维动画的高效率实时渲染系统。本文还提 出了渲染方法库的思想，提升了系统扩展性。 本文利用c p u 、g p u 配合并专门为墨滴优化实现了一套粒子系统，并 结合纹理混合技术来实现书法书写字迹仿真。“基于粒子系统的书法书写仿 真系统”是在全三维模式下的交互系统，利用鼠标实现用户交互，鼠标按 键、位移方向和位移速度控制墨滴的走向和浓度等参数，实现了书法书写 的虚拟仿真。 本文实现的两套系统，都采用实时渲染方式，利用d i r e c t x9 0 实现。系 统都设计有配置模块，用户可根据需要对场景和系统进行配置，并可实时 调整视角。实验表明系统的运算速度都能够满足交互系统的实时性需求。 关键词：非真实感绘制；水墨渲染；硬件加速绘制；即时渲染；可编程流水线 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o n - p h o t o r e a l i s t i cg r a p h i c s c a l lr e p r e s e n tt h eg e o m e t r ye l e m e n t sa n d d e s i g n i n gs t y l e so ft h e3 do b j e c t s t h er e n d e r i n ge f f e c t sa r ea l w a y sa r t i s t i c c h i n e s ep a i n t i n gr e n d e r i n gi sar a m i f i c a t i o no fn o n - p h o t o r e a l i s t i er e n d e r i n g u s i n g3 dm o d e l sa st h es o u r c eo fr e n d e r i n gi sat r e n do fn o n - p h o t o r e a l i s t i c g r a p h i c s t h i sm a k e sn o n p h o t o r e a l i s t i cg r a p h i c sc a l lf u l lu s et h et e c h n i q u e so f g r a p h i c s t h eh i g hs p e e dd e v e l o p i n go fp r o g r a m m a b l eg r a p h i c sh a r d w a r ef i n d s an e ww a yf o rn o n - p h o t o r e a l i s t i cg r a p h i c s b a s e do ni t ，t h er e s e a r c hd e s c r i b e d b yt h i sa r t i c l ef o c u s e so nr e a l - t i m er e n d e r i n go fn o n - - p h o t o r e a l i s t i cg r a p h i c sa n d r e a l - t i m er e n d e r i n go fc h i n e s ep a i n t i n gt os a t i s f yr e a l t i m ei n t e r a c t i v en e e d s t h i sp a p e rd i s c u s s e dh o wt o o p t i m i z ea n da c h i e v et h eb a s et e c h n i q u e sl i k e e d g e d e t e c t ，b l u r , p a r t i c l es y s t e ma n ds h a d i n gu s i n gp r o g r a m m a b l ep i p e l i n e b a s e do nt h er e s e a r c hw o r ko ft h ea u t h o r , t h i sp a p e rd e s c r i b e st w os y s t e m s w h i c ha c c o m p l i s hr e a l t i m e r e n d e r i n ga n dw r i t i n gs i m u l a t i o no fc h i n e s e p a i n t i n ga n dc a l l i g r a p h y t h ef i r s ts y s t e mi sar e a l t i m er e n d e r i n gs y s t e mo fc h i n e s ep a i n t i n gb a s e d o np r o g r a m m a b l eg r a p h i c sh a r d w a r e t h ep r o g r a m m a b l eg r a p h i c sh a r d w a r e s u p p o r t e ds y s t e ma c c o m p l i s h e sr e a l - t i m er e n d e r i n go fl i f e - f o r ma n i m a t i o nw i t h c h i n e s ep a i n t i n ge f f e c t t h es y s t e mu s e st e x t u r em a p p i n g ，e d g ed e t e c t i o na n d s o m ei m a g e p r o c e s s i n ga l g o r i t h m st og e n e r a t et h ef i n a li m a g e t h es y s t e m c r e a t e sar e n d e r i n gm e t h o dl i bw h i c hi se x t e n s i b l e t h es e c o n ds y s t e mi sac h i n e s ec a l l i g r a p h yw r i t i n gs i m u l a t i o ns y s t e m b a s e do np a r t i c l es y s t e m t h es y s t e md e f i n e sac p ug p uc o m b i n e dp a r t i c l e s y s t e mw h i c ha c c o m p l i s h e sc h i n e s ec a l l i g r a p h yw r i t i n gs i m u l a t i o n t h es y s t e m u s e st e x t u r eb l e n d i n gt e c h n i q u e t h es y s t e mu s e ru s e sam o u s et oi n t e r a c tw i t h o u rs y s t e m m o u s eb u t t o nc l i c k i n g ，m o v i n gd i r e c t i o na n ds p e e dd e t e r m i n et h e v i r i ：海大学硕士学位论文 p o s i t i o no ft h ep a r t i c l e s b o t ht h et w os y s t e m sw ed i s c u s s e di n t h i sp a p e ra rer e a l - t i m er e n d e r i n g s y s t e m s t h e y a r e d e v e l o p e du n d e rd i r e c t x 9 0 t h e s y s t e m s i n c l u d e c o n f i g u r a t i o nm o d u l e s t h eu s e r sc a l lm a n a g et h eo b j e c t si nt h es c e n e sa n d c o n f i g t h er e n d e r i n gs y s t e m t h es y s t e mc a m e r ai sc o n t r o l l a b l e t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h e yc a ns a t i s f yr e a l t i m ei n t e r a c t i v en e e d s k e y w o r d s ：n p r ；c h i n e s ep a i n t i n g ；h a r d w a r ea c c e l e r a t e ；r e a l t i m er e n d e r i n g ； p r o g r a m m a b l ep i p e l i n e v i i j 二海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： i i 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源及研究背景 。 近几年来计算机图形学领域可分为两个方向：真实感绘带l j ( p h o t o r e a l i s t i c r e n d e r i n g ) 试图牛成人眼能看到的真实世界的效果，或称为生成照片级图像，我 们经常可以在电影制作和游戏开发领域看到它的成果；而非真实感图形 ( n o n - p h o t o r e a l i s t i cr e n d e r i n g ) 1 1 与之相对，它研究的是模仿人类各种艺术创造的 过程，它要求表现的是传统照片写实绘图不能体现的美，艺术家通过想象勾勒 出空间和抽象的意境，非真实感绘制就是要让计算机能具备做出像手绘感觉的 影像作品。非真实感绘制的研究对象包罗万象，有模拟传统绘画工具产生的作 品，如铅笔画，水彩画，素描等。计算机模拟水墨画艺术效果属于非真实感图 形的一个研究分支。 随着现代图形硬件加速技术的不断进步，传统固定功能绘制流水线( f i x e d f u n c t i o nr e n d e r i n gp i p e l i n e ) 正在向可编程绘制流水线( p r o g r a m m a b l er e n d e r i n g p i p e l i n e ) 转变【2 1 ，在新一代显卡中均提供了以g p u 为核心的可编程顶点着色器 ( v e r t e xs h a d e r ) 和像素着色器( p i x e ls h a d e r ) ，为实现复杂模型的实时绘制提供了 硬件加速支持，这种硬件支持主要表现在g p u 对图形绘制流水线的并行化处 理机制方面。 1 9 8 6 年s t r a s s m a n n p j 第一次提出了生成水墨画效果的毛笔模型以来。1 9 9 9 年，j i n t a el e e 实现了用虚拟毛笔仿真日本烟灰画效果【4 】，并在2 0 0 1 年提出了墨 水与纸张融合的模型5 1 。当时大多数水墨渲染技术是用软件方法实现的，最常见 的手段是先用三维制作或拍摄，然后再拿到后期软件里处理。近年来，水墨渲染 技术研究已经有了很多成果，但绝大多数水墨渲染技术是用软件方法实现的，其 中只有一些简单的如轮廓线提取等可以达到实时或交互速率，而用软件生成更 富有表现力的效果一般是比较费时的。所以本研究将利用可编程流水线技术针 对水墨渲染的实时性进行改进，实时绘制水墨画效果。 上海大学硕十学位论文 1 2 课题研究的背景、目的和意义 中国水墨画作为一个具有鲜明民族特色的艺术品种，扎根于中华民族深厚 的文化土壤之中，经数千年的发展，形成融会了整个中华民族独特的文化素养、 审美意识、思维方式、美学思想和哲学观念的完整的艺术体系。从顾恺之的“以 形写神”、谢赫的“六法论 、张躁的“外师造化、中得心源夕，直到近现代 齐白石的“似与不似之间 等等，包括了立意、意境、气韵、笔墨、风格等一 系列艺术创造。 创作中国水墨画的基本工具是宣纸、毛笔、和水墨，此外有时也会用一些 其它的彩色水墨来丰富创作，主要还是黑色的水墨。宣纸是一种采用特殊材质 和工艺制作的不同于西方绘画使用的纸，宣纸具有非常高的渗透性，墨水画在 上面可以向周围扩散渗透。在这种纸上做画之前，画已经在画家的脑海中全面 布局好，一旦开始就要一气呵成，不能中途看到效果再做涂改，没有进行修改 的工具。毛笔是在一个笔杆的一头安装上笔毛，通常这些笔的笔毛是采用动物 的毛发制作而成。画家用毛笔沾取少量的浓墨可以创作出干笔的效果，也就是 黑色墨迹在纸上走过时有断续的效果，也可以用毛笔沾取充分的墨水创作出扩 散渗透重叠的效果。水墨画的用墨主要是运用墨色变化的技巧。由于笔中含水 量的差异，产生了干、湿、浓、淡的变化。以墨代色，产生墨分五色的说法， 唐张彦远历代名画记e l ：“运墨而五色具”。五色，即：焦、浓、重、淡、清， 而每种墨色又有干、湿、浓、淡之变化。此外，还有墨分六彩之说，即：黑、白、 干、湿、浓、淡。用墨的问题实质是用水的多和少，焦墨、淡墨瓦相参用，互 相辉映、互相生发，画面中才能出现黑、白、灰互相穿插的生动。水墨画，正 是依靠了毛笔运动的灵活多变和水墨的丰富性，留下斑斑迹象，在纸面上形成 有艺术意味的黑白构成。 当下中国水墨画正处于一个转型时期，研究探寻传统中国水墨画构成的特 性及其意义对其本身的创新和发展不无裨益，也能为以计算辅助为手段的水墨 画创作提供帮助。传统水墨在男耕女织的农业文明中诞生、成长，形成完整的 体系，是东方绘画的代表，这已是不争的事实。但历史发展到现代的工业社会、 2 j ：海大学硕士学位论文 信息社会，在全球经济一体化的大环境下，传统水墨不可避免地受到巨大冲击。 在二十世纪中西两种绘画体系两次大碰撞的基础上，它逐渐转换成新的水墨表 现形态也是自然而然的事了，尽管在转换过程中有多种抵制行为，但最后还是 形成了其多元化的水墨表现形式。 中国水墨画与西方绘画最大的不同在于西方绘画传统注重于光影的变化， 强调立体透视的绘画技巧，传统的中国水墨画并不强调光线的强弱变化，而不 注重物体的结构，并由水墨的浓淡，线条的轻重粗细来表现物体的组织结构。 目前，中国水墨画还很难用计算机来自动实现，因此研究中国水墨画的绘制具 有极大的社会意义。 动画艺术家已经地把水墨画效果应用于动画制作，但其成本比一般的动画 高3 - - 5 倍，如果我们能用计算机手段实时绘制出中国画效果，那么对于缩短水墨 风格动画制作周期并降低成本有着十分重要的意义。近年来，水墨渲染有了较大 发展，但同绝大多数n p r 技术一样，多数是用软件方法实现的，而用软件生成 更富有表现力的效果一般是比较费时的。本文将利用可编程图形硬件技术，充 分发挥g p u 的硬件运算能力，在现有计算机上对不同层次上的物体用不同的渲 染方法进行绘制，以使其快速高效的达到手工绘制的效果。 1 3 国r 勾j l - 研究概况 国内外的学者对水墨渲染进行过不少的研究。对于水墨渲染的相关研究主 要集中在对最终效果的仿真和对画笔的仿真两方面。其中对效果的仿真丰要从 二维图像和三维模型出发，处理成水墨效果，近期对如何将三维模型渲染成水 墨效果是研究的热点。另一方面的研究从毛笔的物理模型考虑，对毛笔笔毛建 模，模拟毛笔书写的过程。对改善水墨渲染实习性的研究也是水墨渲染发展不 可缺少的一部分。 1 3 1 基于三维模型的水墨绘制研究 台湾大学叶俊纬在他的硕士论文以国画手法自动描绘三维动物模型 6 1 中提出了一套将三维动物模型自动转换成国画手法的算法。根据国画动物画法 上海大学硕一l 学位论文 过程的肩发，将整个绘制的程序分成两大部分：边线笔触( b o r d e r l i n es t r o k e ) 的产 生以及内部着色( i n t e r i o rs h a d i n g ) 。在制作笔触的过程中先依据使用者的视角实 时地找出三维动物模型的轮廓，然后使用一个连接轮廓线的机制将之连成一整 条的笔触，最后藉由在一条笔触中的控制点上扩张出不同的宽度使得一个细而 平凡的笔触可以具有手绘风格，并且结合一个二维的笔刷模型以仿真出国画的 笔触。 而在内部着色的部分，共使用三个步骤来转换一个葛氏着色法( g o u r a u d s h a d i n g ) 的模型影像成为具有国画风格的影像：颜色量化法、墨水扩散法、及影 像过滤法。颜色量化法将影像中所有的图素指定成四个色阶，而每一个色阶代 表国画中不同的色阶。墨水扩散法是用来在不同的色阶中传递墨水并且会使每 一块色阶的区域不规则地向外扩张。影像过滤法将不同色阶中尖锐的边界模糊 化而其目的是为了修饰最后内部着色绘制的结果。除了自动绘制的方法外，使 用者也可结合一个具有友善输入接口的交互式国画绘画系统来产生更具艺术性 的中国水墨动物画。 台湾成功大学研究牛陈永年在他的硕士论文中国水墨画风格三维非真实 感绘制系统【7 】中提出找出可见轮廓线( v i s i b i l i t y ) 及串连可见轮廓线片断 ( l i n k i n g ) ，并利用项点邻近三角形信息的方法查找记录邻近轮廓线片断。系统 结合3 dt e x t u r e 与m u l t i t e x t u r e 硬件加速产生水墨笔触贴图，使三维模型可以 类似国画技巧中的白描效果即时呈现；在模型内部区域上色，系统使用p i x e l s h a d e r 和n o i s e 微调，产生类似国画中水墨渲染的效果。系统将轮廓线 ( s i l h o u e t t e s ) 移去被遮挡部分，取出可见片断( s e g m e n t s ) ，并加以串连成轮廓 线路径( s i l h o u e r ep a t h s ) ，然后套用c u b i cs p l i n e 使找出轮廓线路径更为平滑， 并计算出路径上摆放笔触的宽度。然后将轮廓线路径里上水墨风格的画家笔触， 并利用水墨扩散模型，对模型内部的区域上色。 1 3 2 画笔模型的研究 浙江大学潘云鹤等人提出了一种基于实体造型技术的虚拟毛笔模型【引。为 了真实地对虚拟毛笔的几何形态进行建模，文章提出了“基木绘图单元 ( w r i t i n g 4 上海大学硕- 上学位论文 p r i m i t i v e ) 的概念。在文章介绍的虚拟毛笔模型中，一个完整的虚拟毛笔笔头的 几何形态由若干个基元的聚合来表达。因此，利用虚拟毛笔模拟得到的书写和 绘画效果就是其所有隶属基元与虚拟纸张间瞬时相互作用关于时间的累积效 应。 一个基元代表一束笔毛，它通常是交互式书画创作过程中数据采集和计算 模拟的最小单位。在虚拟毛笔模型中，各基元之间彼此独立行为，自主决策。 在书写和绘画模拟过程中，基元根据当前的状态和运动参数动态地调整自身模 型，并在虚拟纸张上留下墨迹。最终模拟牛成的笔迹就是这些瞬时墨迹关于时 间的累积效应。因此，毛笔笔头的行为是所有基元独立动作的综合体现。与直 接以单根笔毛作为最小模拟单位的传统方法相比，以基元为计算粒度的虚拟毛 笔的模型侧重于模拟一束笔毛的宏观统计行为特性。该方法的丰要优点是，它 在保证虚拟毛笔建模高度真实感的同时，避免了大量冗余的计算模拟，从而大 幅度提高了系统的模拟效率及实时响应性。 绘图基元的中轴曲线上各控制点均内嵌有墨色信息，这使得即使只使用一 个绘图基元，也能表达复杂的墨色浓度、色彩和湿润度的分布。除了表达方式 结构紧凑的优点之外，利用基元对笔墨渗透现象进行模拟还可以大大增强系统 所支持的艺术表达力，以及提供对数据结构进行高效率操作的实现途径。 他们提出的基于实体模型的虚拟毛笔能够出色地模拟多灰度、飞白、渗透 等艺术效果，使得它在模拟中国书法、水墨山水画、写意画等方面都具有较强 的实用性。当控制点除了记录墨色浓淡信息之外，还记录墨的色彩值时，就可 支持工笔花鸟画、水彩画等艺术作品的交互创作。如果调节笔毛的硬度，该系 统也可在一定程度上模拟硬笔的书画效果。 1 3 3 水墨画仿真的多种方法 天津大学的孙济州等研究者提出了水墨渲染仿真的多种实现方法。他们使 用纹理映射【9 1 、纹理合成【l o 】、分形【1 l 】、粒子系统【12 】等多种方法分别实现了水墨 画的仿真。 他们针对中国水墨画“干笔飞白 效果的独特纹理和复杂形状，提出了曲 上海大学硕十学位论文 底边四边形的概念和两种笔道表示法：“中心线关键点”表示法、“轮廓线关键 点表示法，并重点研究了从矩形到曲底边四边形的区域映射算法。首先将笔 道分割为多个曲底边四边形，应用映射算法和拼合技术，把画家的经典“飞白” 笔触绘制为笔道内部纹理。新的笔道表示法和笔道分割机制，使得算法复杂度 小、性能高。 他们在中国水墨画仿真研究成果的基础上，深入研究山水画的笔墨和造型 特点，鉴于其效果的复杂多变性及皴法纹理的自相似特征，提出了以纹理合成 为基础的山水画系统仿真绘制算法。该算法首先勾勒出山石轮廓，再用纹理合 成对轮廓内部加以渲染填充，并引入目标图来实现用户对合成过程的交- 瓦控制。 他们针对水墨在宣纸上扩散后会出现较明显的具有自相似特性的轮廓线这 一特点，提出一种仿真中国水墨画扩散边界的实现方法。该方法通过流体仿真 模型产生扩散笔迹，利用分形在扩散笔迹的最外层模拟一条不规则的扩散边界， 并填充两者之间的空隙，使得扩散效果更自然、逼真。 他们通过分析中国水墨画绘画材料及相互作用关系，提出一个基于粒子系 统的仿真模型体系，用以实现中国水墨画的典型艺术效果。该仿真模型借鉴粒 子系统的基本概念，使用“伪布朗运动”作为水墨粒子流动的推动力；对给定 的输入笔迹进行边缘提取和检出，并作为粒子初始化的依据；使用层对象混合 运算实现基本的多笔次叠加效果。 1 3 4 实时绘制水墨画效果 浙江大学c a d & c g 国家重点实验室于金辉等人开发了实时绘制水墨山水 画效果的系统【1 3 】【14 1 。他们的系统可实时绘制中国山水画中常见的物体并生成视 频输出，它包括5 个模块：多通道技术和新型国画山光照模型的山峦绘制模块、 基于位移映射的云层模拟、基于纹理运动的瀑布绘制模块、基于广告牌技术的 树木绘制模块和实时视频输出模块l 前面4 个模块利用g p u 可编程特性控制 其流水线，对任意三维场景，可实时绘制水墨画效果；用户可根据需要对系统中 的各个绘制模块进行配置并实时漫游。 他们提出建立纹理库的思想。他们认为画家在中国山水画中对于不同的物 6 j ：海大学硕。 = 学位论文 体如山峦、云雾、瀑布以及树木往往采用不同的笔法，结果是不同的物体呈现出 不同的纹理。即使对于同类物体，如山峦，画家一般用浅色调的纹理表现远山的 距离感，用深色调的纹理表现近山的岩石结构和质感。此外，画家在画坚硬物体 ( 如山峦和树干) 时往往用毛笔勾勒出物体的轮廓。为了表现3 d 场景中不同物 体的纹理，按照选定的风格事先在手工绘制的山水画中选不同的2 d 纹理图像构 成纹理库，其中山峦按照远、中、近景来取。由于中国山水画中每层山峦也由多 个山峦组成，本文系统为了避免在每层山峦用同一个纹理图像而出现机械感，对 应每层山峦构建3 个看起来类似但又不同的纹理，这可以通过在手工绘制的山 水画山峦不同位置选取。 他们的系统采用7 个p a s s 来实现山峦绘制：p a s s 0 渲染山峦模型顶点法向 纹理；p a s s l 提取轮廓特征线；p a s s 2 轮廓特征线膨胀、反走样处_ 理；p a s s 3 根据提出 的国画山光照模型映射纹理；p a s s 4 从纹理样木牛成法向纹理，并映射到山峦模 型；p a s s 5 国画山细节刻画；p a s s 6 用纹理和特征轮廓线生成最后效果。 他们的系统绘制云的时候用一个p a s s 将信息保存在一张法向纹理中，再映 射到国画山模型上，通过全局光照来刻画细部。法向纹理的生成是基于样本纹理 中每个像素周边8 个像素的灰度值，运用s o b e l 过滤计算该像素在水平方向和垂 直方向的斜率，并作为该像素法向的x 方向和y 方向上的值，z 方向取1 ，将其 正交化后保存在一张纹理空间的法向图中。 他们的系统绘制瀑布时在系统中令瀑布的纹理在y 轴方向从上往下运动， 而在x 轴方向保持不变。为了使瀑布的边缘与山过渡自然，制作瀑布曲面的同 时还在其左右两边留出一定宽度切割出两个窄条，并把它们的x 方向纹理坐标 设成从0 到l 线性变化，并以此为参数在p i x e ls h a d e r 里把山体纹理与瀑布纹 理混合。在瀑布的底端用同样的方法来融合山体，不同的是根据瀑布y 方向纹 理坐标来进行融合。 他们的系统把场景中的树分为远处的和近处的2 类，因画家一般用画笔勾勒 出远处树的树干和树枝来表示整棵树的形状，占画面比例比较小，因此可用简单 的广告牌技术来绘制，即用一个四边形作为远处树的模型。当场景漫游时，小树所 在四边形的法向矢量方向始终与视线平行。对应每个小树纹理图像还配有蒙板 7 ， ：海大学硕上学位论文 图像，在该图像上有树干和树枝的地方取值为1 ，其他地方取值为o 。系统在映射 树纹理时通过蒙板控制，对应取值为l 的位置则映射树纹理；否则令其透明，以使 小树所在四边形后面物体的纹理显现出来，而不是被四边形所遮挡。近处树的渲 染分为树干和树叶2 个部分。在手工绘制的国画中画家一般在主要的树干上画 出纹理，树干的上部和树枝则用黑墨直接画。根据以上特点，他们的系统建立了树 干的光照明模型用于其纹理映射，并对树干提取轮廓线。近处树的树叶则用广告 牌技术绘制，即用若干四边形分布在树枝上适当位置，再用从国画中采集到的树 叶纹理图像映射到这些四边形上。为了避免在各个四边形上映射同一纹理而出 现的机械感，在采集树叶纹理图像时按照树叶的朝向、位置以及前后的浓淡关系 分类进行，系统在绘制时把它们分类映射。 1 4 论文的主要研究内容 本论文是以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础，在第一章中阐 述了课题研究的来源、目的、意义以及国内外研究的现状。第二章详细阐述了 非真实感渲染和水墨渲染的概念及主要方法。第三章介绍了可编程图形硬件的 概念及其对在非真实渲染领域的应用前景。第四章、第五章分别介绍了作者在 导师指导下完成的两个水墨渲染系统，以及实现它们所用到的核心算法和相关 技术。第四章描述了基于可编程流水线的水墨画效果实时绘制系统。第五章是 基于粒子系统的书法书写仿真系统的实现。这两个系统分别从三维模型渲染出 发、从全三维交互下的手写输入出发实现了水墨画和书法的模拟。最后第六章 总结全文，提出了研究的应用前景以及展望。 8 上海大学硕- 上学位论文 第二章非真实感渲染和水墨渲染 2 1 非真实感渲染的发展 随着计算机图形学技术的不断发展，真实感图形绘制技术取得了长足的进 步，出现了的局部复杂反射光照模型，提出了整体光照模型，如光线跟踪算法和 辐射度算法，基于此类技术人们可以实现对复杂场景的高度真实感图像的绘制。 然而对于c a d 系统而言，设计者主要把握的是三维形体的几何要素，这要求显 示系统能够将复杂的几何形体信息进行视觉抽象、概括，以便设计者能方便地对 设计对象做出评价。由此可见，对于c a d 系统而言传统的真实感图形绘制不能完 全满足用户的要求，这主要表现在如下几个方面：真实感图形绘制不能有效的抽 象出用广所关心的几何形体特征；不能定制用户所需要的显示要求。 非真实感图形绘制技术( n o n p h o t o r e a l i s t i cr e n d e r i n g ，n p r ) 是近年来发展起 来的一种新型图形绘制技术。虽然n p r 这一领域产生时日尚短，但发展速度很快， 是图形学研究的一个热点。它主要有如下3 个方面的特征，一是以轮廓线绘制为 基础的三维模型绘制；二是三维场景的铅笔画、水彩画、素描和油画等艺术效果 的仿真绘制；三是卡通效果的绘制。这种新型绘制技术能够有效地描述三维形体 的几何特征信息和设计者的风格，非常适合于c a d 系统的三维形体绘制。 2 2 非真实感渲染的特点 从研究方法来看：真实感渲染一般采用物理建模的方法。从物理模型出发对 场景的颜色、材质等属性进行模拟。并仿真光线和对象的交互，来产生真实的结 果，这和人们观察世界、摄影、摄像的过程是完全致的。在众多工作中，光线 跟踪和辐射度算法已经成为真实感图形学的经典方案。由于真实世界的丰富多 样，并且自然界的种种过程极其复杂，并且难以预测。因此通过模拟真实世界来 实现真实感渲染是一项极端复杂的工作。在传统的基于物理模型的方法中，研究 人员在定义场景时，对对象的材质种类和场景光照进行精挑细选，并由此产生令 9 j ：海大学硕l 学位论文 人信服的结果图像。为了避免计算过于复杂，很多研究致力于采用特殊方法实现 特定类别对象的模拟，比如微观世界或者化学过程的仿真，但是我们仍然无法给 真实世界定义一个通用的模型。和真实感研究致力于对真实世界和光线行为物理 建模的过程不同，非真实感技术建立在人类感知的基础上。创作者可能觉得对一 个客观的、可预测的物理现象进行一些修改能获得更强的表达技术方面信息的能 力，他们往往希望客观过程的某一部分被替换或者增强。所以非真实感渲染往往 以模拟人们创作过程或主观视角为目标，首先对所要描绘客观世界的信息筛选、 提取，而后根据创作者的意图加强、放大某些局部特征对i ：l ( i ：1 - , ! z a 轮廓、颜色) 。 由于与人的视觉丰观感受联系紧密，非真实感渲染的研究时常会借助计算机视觉 的方法。 2 3 非真实感渲染的主要研究方向介绍 2 3 1 非真实感渲染技术分类 起初，非真实感渲染的研究最早出现在对二维交互式绘制系统的研究中。 这些系统模拟艺术家绘画创作的过程，通过定制画刷、铅笔等工具模拟绘画创 作的物理过程，在画布上生成基于像素的图像效果。研究者们对这些技术的探 索导致两种不同研究分支的出现：二维基于画刷的绘制，包括画刷、画布、笔 划等模型工具，以及二维- 维半基于图像后处理的绘制系统。 在渲染过程中，是否需要用户干预以及操作对象的维数是对非真实感渲染 研究分类的一种依据。一些研究者倾向于自动渲染技术，即渲染过程中不需要 用户干预或很少于预。而另一部份研究者则完全通过在画家的指导下摆放笔划 来完成渲染。在一些自动渲染系统中使用了2 5 维数据，它是通过预渲染原始 场景得到辅助信息，这些辅助信息通常和艺术家创作原则相吻合，从而指导绘 制过程自动完成。 以三维数据作为渲染的数据源是非真实感渲染发展的一个趋势，这使得非 真实感渲染可以很好的利用三维图形渲染已取得的研究成果【1 5 】。传统的图形渲 染流水线为非真实感渲染提供了强大的工具，使得它能够方便有效的对三维或 l o 上海大学硕： = 学位论文 二维数据进行处理。在此基础上，一些研究者开始关注于非真实感渲染实时性 的研究【16 1 ，即在可交互的帧率下进行各种风格的渲染【1 7 】。非真实感动画【1 8 】和非 真实感虚拟场景【1 9 】【2 0 1 也开始成为一个研究分支。 2 1 世纪以来可编程图形硬件迅猛发展，为非真实感渲染的发展提供新的途 径，它强大的并行处理能力以及可灵活定制的渲染流水线对实时算法的研究有 着莫大帮助，近两年基于g p u 可编程图形硬件的非真实感渲染的研究成为该领 域的一个热点。借助g p u 的强大功能，有越来越多的研究投入到实时动画的研 究中2 1 1 。图2 1 大致描述了非真实感渲染的发展过程。 本文所进行的研究主要将集中在三维非真实感实时渲染和三维实时交互系 统这两个比较领先的方向上。这两方面的研究分别对应本文第四章的基于可编 程流水线的水墨画效果实时绘制系统和第五章的基于粒子系统的书法书写仿真 系统。 图2 1 非真实感渲染的发展过程 2 3 2 非真实感渲染风格和领域分类 非真实感渲染有多种分类方法， 图，铅笔、钢笔画插图，艺术绘图， 按绘制风格大致分为科学可视化，技术绘 卡通渲染等。按绘制风格进行划分实际上 上海大学硕士学位论文 是以非真实感绘制的不同应用目的来划分。起初非真实感渲染主要应用于艺术 领域，但由于非真实感的一些特性( 比如表现的简明、直观性) 使得它在一些非 艺术领域开始得到研究与应用。 从应用来看，在艺术领域，显而易见，非真实感渲染的应用远远多于真实 感渲染。回顾绘画艺术的历史。早在十七世纪欧洲就有艺术家采用极其精细的 绘制手法真实地再现现实，绘制结果难以和照片分辨，然而这种绘制方法在其 诞生一开始就招致了批评：这种真实偏离了艺术，表现的反而近乎于一种“灵魂 的贫瘩”。另外，摄影本身也是加入了种种主观因素和非真实感技巧后，才逐 渐被艺术界认可。真实感图形学也面临着同样的问题，其渲染结果固然精确真 实，但是流于古板冷酷，完美过分以至于失去灵动和感情。在工程设计领域， 真实感渲染不分详略的渲染结果和照片一样对设计人员是没有多大意义，而非 真实感渲染更能一目了然的体现设计者的设计意图，所以非真实感在工程技术 图、装配说明图比真实感渲染有更好的表现效果。娱乐方面，卡通动画电影电 视同样受到人们的喜爱，像狮子王、玩具总动员、冰河世纪等给 人们带来了生动鲜明的视觉感受，而它正是非真实感渲染研究的一个重要方向。 在教育领域，简单和色彩明快的图像是更直接的传送信息方式，相比文字，它 有着相当的优越性，所表达的丰题也更容易被人接受。已经有不少研究者在致 力于以教育为目的的n p r 科研工作了。以诸多不同领域为研究对象，正是对非 真实感渲染的一种分类方法。 本文进行的水墨画风格渲染也于非真实感渲染的艺术绘图渲染这一分支。 2 4 本文研究所涉及的非真实感渲染相关技术 2 4 1 轮廓线提取和绘制技术 在n p r 绘制中轮廓线和形体边界线的提取是绘制过程中一个非常重要的 步骤，它们是描述三维形体的一个重要特征，体现了三维模型的基本外观。通 常对于多面体模型，这类边界主要有两种形式，轮廓线边界( s i l h o u e t t ee d g e ) 和 折缝边界( c r e a s ee d g e ) ，其定义分别如下： 1 2 j ：海大学硕十学位论文 定义l 给定视点向量e ( u ，v ) 和曲面上的一点s ( u ，v ) ，曲面s 在该点的法向 量为n ( u ，v ) ，则当e ( u ，v ) n ( u ，v ) = o ，称s ( u ，v ) 为一个轮廓线上的点。 定义2 给定视点向量e 和一组多边形面片s = n 1 ，n 2 ，n n ) ，其中n i 表 示一个多边形的法向量，则有，当e n i o 时该多边形为后向多边形( b a c k f a c i n g ) 。前向多边形和 后向多边形邻接边为一条轮廓线边界。 定义3 给定两个前向多边形( 或后向多边形) p i = n 1 ，和p 2 = n 2 ，若 ln 1 n 2i 0 ) 为常数，它们分别为数学期望和均方差。在u 附近的概 率密度大，远离u 的地方概率密度小，我们要产生的随机数要服从这种分布， 就是要使产生的随机数在u 附近的概率要大，远离u 处小，怎样保证这一点呢， 可以采用如下的方法：随机产生点，这些点是平均分布的，如果产生的点落在 概率密度曲线的下方，则认为产生的点是符合要求的，将它们保留，如果在概 率密度曲线的上方，则认为这些点不合格，将它们去处。如果随机产生了一大 批在整个矩形中均匀分布的点，那么被保留下来的点的横坐标就服从了正态分 布。可以设想，由于在u 处的f ( x ) 的值比较大，在u 附近的点个数要多，远离 u 处的少，这从面积上就可以看出来。 基于以上思想，可以用程序实现在一定范围内服从正态分布的随机数。程 序如下： d o u b l en o r m a l ( d o u b l ex , d o u b l em i u ，d o u b l es i g m a ) 概率密度函数 上海大学硕，卜学位论文 r e t u m1 0 s q r t ( 2 木p i 木s i g m a ) 术e x p ( 一l 术( x - m i u ) 木( x m i u ) ( 2 木s i g m a 木s i g m a ) ) ； ) d o u b l en o r m a l r a n d o m ( d o u b l em i u ，d o u b l es i g m a , d o u b l er a i n ，d o u b l em a x ) n 产生正 态分布随机数 d o u b l ex ；d o u b l ed s c o p e ；d o u b l ey ； d o x = a v e r a g e r a n d o m ( m i n ，m a x ) ； y = n o r m a l ( d r e s u l t ，m i u ，s i g m a ) ； d s c o p e = a v e r a g e r a n d o m ( 0 ，n o r m a l ( m i u ，m i u ，s i g m a ) ) ； ) w h i l e ( d s c o p e ”； r e t u r nx ； ) 将该结果以一个特定的权重插值到原始纹理贴图中，就可以产牛所需的带 随机噪声的纹理贴图。由于水墨的颜色比较单纯，这样一个高效的一维噪声就 模拟墨滴书写效果的随机性。 2 5 3g p u 实现的图像模糊 为了模拟墨向纸张进行的扩散，本文的系统采用模糊算法进行模拟。为了 达到完全的实时性，本文采用一种完全由g p u 来实现的模糊算法，从而将c p u 解放出来进行其他运算。 模糊效果是一种非常常见的图象处理算法。本文所采用模糊算法，采用1 3 1 3 大小的模板，并预先计算好了权重，以提高效率。它非常直观，主要是取 目标象素周围的点的颜色进行按权重的混合。水平方向的模糊算法提取原象素 在水平方向两边邻近的6 个象素，也就是总共1 3 个象素按比例因子数组 b l u r w e i g h t s 1 3 所包含的权重进行混合。离目标象素越近的点混合权重最高， 越远的越低，如图2 4 所示。 1 8 上海大学硕一 = 学位论文 左6左5左4左3左2左1中心像右l右2右3右4右5右6 素 0 0 0 2 2 1 6 o 0 0 8 7 6 40 0 2 6 9 9 50 o “7 5 9o 1 2 0 9 8 50 1 7 6 0 3 30 1 9 9 4 7 lo 1 7 6 0 3 3o 1 2 0 50 0 6 4 7 5 90 0 2 6 9 9 50 0 0 8 7 “0 0 0 2 2 1 6 影响力递减影响力递减专 图2 4 水平方向模糊，影响权重表 s t a t i cc o n s tf l o a tb l u r w e i g h t s 13 】= 0 0 0 2 216 ，0 0 0 8 7 6 4 ，0 0 2 6 9 9 5 ，0 0 6 4 7 5 9 ，0 12 0 9 8 5 ，0 17 6 0 3 3 ， 0 1 9 9 4 7 1 ， 0 1 7 6 0 3 3 ，0 1 2 0 9 8 5 ，0 0 6 4 7 5 9 ，0 0 2 6 9 9 5 ，o 0 0 8 7 6 4 ，o 0 0 2 2 1 6 ， ) ； 设全局的贴图对象为g _ s a m s r c c o l o r ，p i x e ls h a d e r 的h l s l 核心语句为 f o r ( i n ti = o ；i ； 虾的身体及虾脑等没有锐利边角的部分在画法上表现为一个墨块，在边缘 应当有明显的湿化。而且这种湿化渐隐是没有方向性的，向四周同时扩散。我 上海大学硕上学位论文 们在处理这些部分的时候采用了边缘评估配合一维纹理寻址技术。我们在程序 中将这种渲染方法命名为r e n d e r s c e n e n o a n i m a t e 。 编写非真实感渲染的着色器，与真实感渲染的着色器是有所区别的【37 1 。每 个象素都有一个范围从0 0 到1