（计算机应用技术专业论文）非真实感图形学相关技术的研究.pdf

宓晓峰：非真实感图形学相关技术的研究浙江大学硕士学位论文2 0 0 3 年2 月 关键字 汁算机图形学，萁弩感，非l 妄斌非真实感绘制，非真实感动画，绘图系统，计算机视 觉，图象识别，着色语言，滤欺图象矩，硪哎 n a b s t r a c t b a s e do nt h e c o m p a r eb e t w e e np h o t o r e a l i s t i c a n dn o n - p h o t o r e m i s t i c ，t h e a u t h o rg i v e sa s y s t e m a t i cs u r v e yo nt h eo b j e c t i v e ，m e t h o d sa n dt h es t a t eo f a r to fn o n - p h o t o r e a l i s t i cg r a p h i c s ， a n dt h e np m s e n t ss o m ek e yt e c h n i q u e so nn o n - p h o t o r e a l i s t i er e n d e r i n g t h ea u t h o rf i r s t p r o p o s e s as h a d e rb a s e d m u l t i p l e - p a s s r e n d e r i n g m o d e l t o w a r d s c o m p u t e r - g a n e r a t e dn o n - p h o t o r e a l i s t i cr e n d e r i n gs y s t e m t e c h n i q u e sc o n c e r n i n gc o o r d i n a t i o n b e t w e e nd a s s e s 卸di l l u s t r a t i o no f t e x t u r e sa n dt o n et h r o u g hs t r o k e sa r ed e s c r i b e di nd e t a i l t h e p r o p o s e dp a r a m e t r i c t e x t u r es h a d e rl a n g u a g es u c c e s s f u l l ye n a b l e st h i r d p a r t yp r o g r a m m e r d e f i n e h i so w np r o c e d u r a lt e x t u r e t h ep r o p o s e da p p r o a c ht a k e sd i f f e r e n ti n p u tm a do u t p u t f r o m t r a d i t i o n a ls h a d i n gl a n g u a g et oe x p r e s st e x t u r e ，m a t e r i a l ，c o l o ra n db r i g h t n e s so f s u r f a c e f u r t h e r m o r e ，b yc o m b i n i n ge x i s t i n gt e x t u r es h a d e r s ，e x p r e s s i v ea b i l i t y o ft h ep r o p o s e ds y s t e mg o t s i g n i f i c a n t l ye n h a n c e s a so n eo ft h ef i l t e ri n s t r u c t i o nf o rs h a d e rl a n g u a g e ，t h i st h e s i st h e ng i v e s a ni m p l e m e n t a t i o no f i m a g ef i l t e rb ya u t o m a t i cr e c o n s t r u c t i o no f s t r o k e sf r o mi m a g eb a s e do ni m a g e - m o m e u tg i v e n a p h o t o ( o ri m a g e ) a n dt h es i z eo f c o l o rs a m p l i n gs e g m e n ta si n p u t s ，t h ep r o p o s e ds y s t e mc r e a t e s i n i t i a lp o i n ts t o k e sb yc o m p u t i n gt h ei m a g e m o m e n t ，t h e nf u s e st h e s es t r o k e si n t oi o n g e r ，m o r e s m o o t hs t r o k e s a n dd i s t i l l st h es t r o k e s p a r a m e t e r ss u c ha ss i z e ，c e n t e rc o o r d i n a t e ，c o l o re t c f i n a l l y , t h er e s u l t i n gi m a g ei s d r a w nb yt h eh a i rb r u s hm o d e lw i t hd e s i r e dp a r a m e t e r s a f r a m e w o r ko ft 1 1 i s s y s t e mi s d e s c r i b e d a n daf e ww a t e r c o l o rp a i n t i n gs a m p l e sa r eg i v e nt o d e m o n s t r a t et h i sa p p r o a c h i nt h ep r e v i o u sw o r k s ，v i r t u a la r t i s t i cm e d i a sa r ee s s e n t i a l ，w h e t h e rf o rs t r o k ev i s u a l i z a t i o no rf o r p a i n t i n gs y s t e m t h ea u t h o ra l s op r o p o s e sa v i r t u a lb r u s hm o d e lb a s e do nd r o p l e to p e r a t i o nt o s i m u l a t ec h i n e s ec a l l i g r a p h ya n dt r a d i t i o n a lc h i n e s ep a i n t i n gi nr e a lt i m e t w ow a y so f a d o p t i n g t h ed r o p l e tm o d e li n t ov i r t u a lc a l l i g r a p h ya n dp a i n t i n gi sd i s c u s s e di nd e t a i l t h el a t e rd r o p l e t m o d e li sm o r ee l a b o r a t e da n dc a np r o d u c em o r ev i v i dr e s u l t sw h i l ei ss l i g h t l ym o r et i m e - c o s t i n g t h en o v e lf e a t u r eo ft h e p r o p o s e dd r o p l e t v i r t u a lb r u s hm o d e ls u c c e s s f u l l ye n a b l e st h e s i m u l a t i o np a i n t i n gs y s t e mt oo v e r c o m et h ep o o re x p r e s s i o n a la b i l i t yo fv i r t u a lb r u s hb u i l to n p a r t i c l es y s t e ma n da v o i d st h ec o m p l e xe v a l u a t i o n o fp h y s i c a lb r u s hw i t hs o l i dm o d e l t h e m o d e l ，d e r i v e df r o mt h ea c t u a lc a l l i g r a p h ya n dp a i n t i n ge x p e r i e n c e ，a n dd u et ot h es i m p l i e i t yo f t h ed r o p l e to p e r a t i o na n di t sp o w e r f u le x p r e s s i v ea b i l i t y , c o n s i d e r a b l yi m p r o v e st h ep e r f o r m a n c e o f t h es i m u l a t i o ns y s t e ma n dm a i n t a i n sp a i n t i n ge f f e c tc o m p a r a b l ew i t hr e a lb r u s h b ys u p p o r t i n g s p e c i a lc h i n e s eb r u s h e f f e c ts u c ha sd r y b r u s h ，f e n ga n ds t r o k ed i f f u s i o n o nt h eo t h e rh a n d ，t h e p r o p o s e dd r o p l e tm o d e lh e l p st oc o m p u t es t r o k ea r e aw i t hw e l l d e f i n e dg e o m e t r yi n f o r m a t i o n a n dl e a d st ot h ef e a s i b i l i t yt or e t r i e v et h eo u t l i n e so fc h a r a c t e r sw i t hw e l l - d e f i n e dg e o m e t r y r e p r e s e n t a t i o na n dt h ep r o p e rd r o p l e to p e r a t i o n sd i s c u s s e dm a k e i tp o s s i b l et oe x p r e s sd r yb r u s h a n ds t r o k ef o r ke f f e c tf o rt h e g e n e r a t e d s t o k eo u t l i n e sa n dc h a r a c t e r m o d e l i n g d e t a i l e d a l g o r i t h m sa r e a l s op r e s e n t e d u i f i n a l l y ，t h et h e s i sg i v e ss o m e c o n c l u s i o n sa n da l s os o m ep r o p o s a l so f t h ef u t u r ed e v e l o p m e n to f t h en o n - p h o t o r e a l i s tg r a p h i c sr e s e a r c h i nt h ep r o p o s e dt h r e ea s p e c t so ft h ew o r k , s h a d e ri sb a s i c a l l yd e s i g n e df o r3 d s c e n er e n d e r i n g w h e r e a ss t r o k er e c o n s t r u c t i o ni sf o r2 di m a g e s t h ev i s u a l i z a t i o no f t h e s ew o r ku l t i m a t e l y d e p e n d so nv i r t u a lm e d i a s 。o n eo fw h i c h v i r t u a lh a i r yb r u s h i s a l s oi n t r o d u c e di nt h i s t h e s i s t h e s er e s e a r c h e sa r ea l lb a s i ct e c h n i q u e so fn o n - p h o t o r e a l i s t i cr e n d e r i n ga n dt h e yh a v e e n r i c h e dt h ec o n t e n to f n o n p h o t o m a l i s t i cg r a p h i c s k e y w o r d s c o m p u t e rg r a p h i c s ，p h o t o m a l i s t i c ，n o n - p h o t o m a l i s t i c ， 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 o n - p h o t o m a l i s t i ea n i m a t i o n ，p a i n t i n gs y s t e m ，c o m p u t e rv i s i o n ，i m a g er e c o g n i t i o n ，s h a d e r , f i l t e r , i m a g em o m e n t , d r o p l e t i v 插图目录 图1 1 朗静山摄影作品“春树奇峰”( 或“黄山峰树”) ”l 图1 - 2y e s s i o s 给出的对路面、石墙和术纹的绘制2 圈1 - 3 非真实感绘制各组成部分3 图1 - 4 西红柿体数据的绘制：左图是经典物理模型绘制结果，右圈是中，边界和轮廓得到 增t 虽4 圈1 5 左图是青山冈昌的卡通“名侦探柯南”的一帧，右图是一个实际的机械装置图。两 图中，轮廓线条均得到增强以更丰富地表达形状5 圈1 - 6 w i n k e n b a e h 9 4 r 争线条画风格的场景，用户交互的方式指定笔划是否采用略笔方式6 圈1 - 7 丘比特， h e r t z m a n n z 0 0 】6 图】8 对 w i n k e n b a e h 9 4 q a 模型采用图象纹理的方法绘制的结果，【f r e u d e n b e r 9 0 2 卜。7 l 訇1 9h i j a c k g l 支持的不同艺术风格的场景绘制。8 摺1 1 0 图象各种风格的半色调，a 是原始图象，b 是用传统受控变半径圆处理的结果，c 和d 是 b u c h a n a n 9 6 给出的处理结果9 圈1 1 1 米开朗基罗作品美第奇和计算机生成的铜版雕刻效果半色调图1 0 图1 】2 图象简化的例子。左下图是交互所获得的关于图象的语义信息，右边两图是检测 得到的和经过光滑的边界，中图是最终绘制结果1 1 陶1 1 3 图象修复，通过修复，去除左图的文字得到右圈的完整结果1 2 圈j 1 4 a 是原始图象，b 是交互输入的矢量场，c 是初始v o m n o i 图，d 是诃接收敛的结果， e 是晟终结果1 2 喇i - 1 5 水彩效果的模拟1 3 幽1 一】6 ( a ) 埘户在地面上绘制一条曲线表示山脉形状( b ) 通过弯曲地面来匹配笔划，完成山 脉造型1 4 | 璺l1 1 7a b ，c 是儿何映射后变形的结果，d ，e 是传递纹理后的例子1 4 | 】j 8 视觉驱动的非真实感表情1 5 幽1 1 9 草图驱动的动画1 5 幽2 1e c a d a r t r e n d e r 采用多重绘制增加表现力的例子。1 8 幽2 2 采用对象空间纹理表现材质的错误1 9 刚2 - 3e c a d a r t r e n d e r 采刚多重绘制表现不同性质的三维场景一1 9 幽2 - 4 “星”，左图刚曲面主矢量绘制，右图用曲面等参线作为笔划方向，显然，左图符 合实际绘画经验2 0 图2 - 5 球的平面笔势场2 1 图2 - 6 同时受两种势场控制的球和环的绘制2 1 图2 - 7t e x t u r es h a d e r 基本框架2 3 倒2 - 8 作为灰度映像用于色彩叠加的纸面纹理2 4 剧2 - 9 使用滤镜作为基本图象空间处理指令的部分效果2 5 | 皇 2 - 】0 毛皮效果2 5 图2 11 木纹效果2 5 图2 - 1 2 采用不同纹理表现同一软垫座椅三维模型，从而体现不同材质效果的例子2 6 图2 - 】3 采用多重绘制的一个场景2 6 图3 - i 常用的1 8 种水彩画颜色2 9 图3 - 2h s v 色彩空间2 9 窑登：生：j ：塞銮譬詈兰兰塑盏兰銮些：耋 登鎏盔兰翟圭兰竺鲨三二兰：2 j ：三2 幽3 - 3 谣湖一景“ 图3 - 4 笔划区域图示例”j 1 圈3 5 采样点分布图3 1 图3 - 6 自适应计算区域选取算法3 2 图3 7 笔划融合算法3 2 圈3 - 8 系统流程图” 圈3 - 9 不同颜色采样区间下的绘制效果。图3 - 3 原始图象。a 为采样区间是5 0 的时候绘制 结果。b 为采样区间是2 0 的时候绘制结果。单位为象素3 4 图3 1 0 左列为原始图象，右列为采用笔划融合算法得出的结果一3 5 图4 - 1 纸面和笔刷的各种接触模型3 8 图4 - 2a 表示正锋运笔，b 为偏锋运笔，c 是侧锋运笔示意图，每种模型旁边同时给出了相 应的雨滴接触模型3 9 图4 3 分层模型：笔锋和运动方向的差异和互相作用4 0 圈4 - 4 动作和参数驱动的接触模型的转换4 1 图4 - 5 各种雨滴接触模型的计算4 1 图4 - 6 痕迹的包络和枯笔的模拟4 3 图4 7 根据压力、湿度和速度进行笔划填充。在干墨过程中，采用“雨滴”变种4 下层模 型一4 3 图4 - 8 模拟浓墨或者湿笔的运笔过程中笔划填充，在该过程中，采用“雨滴”变种4 上层 模型4 4 图4 - 9 根据经验获取的扩散模型和扩散模型的应用4 4 圈4 一l o 采用多重计算获得非均匀渗透效果。4 5 陶4 - 1l 精化的雨滴模型4 6 闰4 1 2 不同风格的书法作品。a 是一正常版本的“酒”，b 采j 目j 更稀疏的笔毫，c 表现了飞 白和跳跃的效果，d 是一支高度渗水的虚拟毛笔绘制的结果。a b ，c 采用6 5 象素直径 的虚拟毛笔，d 的毛笔直径为5 0 象素，用于为渗透留出空间4 7 围4 1 3s i n o b r u s h 虚拟毛笔模型实验系统的用户界面4 8 闰4 1 4 临摹沙孟海先生“百年树人”，体现了s i n o b m s h 系统对渗透，枯笔和飞白的效果 的支持4 9 吲4 - 1 5 模拟徐悲鸿“奔马”。4 9 瑚4 1 6 模拟田希宁“田园小景”4 9 圈4 - 1 7 潘天寿“葫芦”5 0 图4 - 1 8 在枯笔的边界，用图像识别的方法提取轮廓相当困难，而试图获取笔划中间区域 的分叉轮廓，则更为艰难5 1 图4 1 9 书法风格的笔划轮廓线的计算5 l 图4 - 2 0 采用不同参数的虚拟毛笔，可以得到粗细不同的书法样式的汉字字体。左列是 s i n o b r u s h 绘制的结果，首行采用半径2 0 ，长度1 6 0 的笔毫，中行采用半径3 2 ，长度 2 0 0 的笔毫，末行采用半径4 5 ，长度3 0 0 的笔毫，以上参数单位为屏幕象素。右列是 生成的，并经过光顺拟合后的相应笔划5 2 图4 2 1 从原图象象素采样的方法确定沉淀墨量5 3 图4 2 2 对图4 2 l 中左图所示书法的重构和造型5 4 图4 - 2 3 图4 - 1 4 中书法b 对应的三维图5 4 4 兰= 耋蜚三耋璧璺兰耋兰鎏 一一 1 1 简介 第一章非真实感图形学综述 臼上个世纪六十年代计算机图形学出现开始，对仿真真实世界的追求一直是图形学界不懈 努力的目标。经典的真实感( p h d 帕r e a l i g 哇c ) 图形学致力于产生仿真图象和视频，其对真实 世界的再现达到照片的水平，并使人们无从分辨。迄今为止，真实感图形学一般采用物理 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、摄像的过程是完全一致的。 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法。 由于真实世界的丰富多样，i 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绘制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，并由此产生令人信 服的结果图象。为了避免极端的计算复杂性，很多研究致力于采用特殊方法实现特定类别 的对象的模拟，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一个通 埘的模型。 然而，通过模拟真实世界进行真实感绘制的研究经常并不是为了模拟本身，而是为了产生 结果图象。尤其是在技术人员的工作中，他们在进行设计时，所需要的是一种基于经验的， 而不是通过对对象物理建模得到的结果。对他们米说，这种计算机生成的结果图象利照片 无从分辨的错觉是没有意义的。 隔1 - 1 朗静山摄影作品“謇树奇峰”( 或“黄山峰树”) 回顾绘画艺术的历史。早在十七世纪，欧洲就有艺术家采用简短的笔触来进行真实地再现 兰= 耋蜚三耋璧璺兰耋兰鎏 一一 1 1 简介 第一章非真实感图形学综述 臼上个世纪六十年代计算机图形学出现开始，对仿真真实世界的追求一直是图形学界不懈 努力的目标。经典的真实感( p h d 帕r e a l i g 哇c ) 图形学致力于产生仿真图象和视频，其对真实 世界的再现达到照片的水平，并使人们无从分辨。迄今为止，真实感图形学一般采用物理 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、摄像的过程是完全一致的。 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法。 由于真实世界的丰富多样，i 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绘制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，并由此产生令人信 服的结果图象。为了避免极端的计算复杂性，很多研究致力于采用特殊方法实现特定类别 的对象的模拟，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一个通 埘的模型。 然而，通过模拟真实世界进行真实感绘制的研究经常并不是为了模拟本身，而是为了产生 结果图象。尤其是在技术人员的工作中，他们在进行设计时，所需要的是一种基于经验的， 而不是通过对对象物理建模得到的结果。对他们米说，这种计算机生成的结果图象利照片 无从分辨的错觉是没有意义的。 隔1 - 1 朗静山摄影作品“謇树奇峰”( 或“黄山峰树”) 回顾绘画艺术的历史。早在十七世纪，欧洲就有艺术家采用简短的笔触来进行真实地再现 耋些兰：蜚耋銮馨鬯兰兰塑茎兰銮些：i 耋 鎏 垩盔兰：翌= = 兰些鎏兰：2 兰三_ 旦 现实。由于笔划极端细小，因此绘制结果难以和照片分辨。这种绘制方法在其诞生开始 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“灵魂的贫瘠”。从另外一方 面看，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，从而 获得灵魂的涅粲。我国著名的摄影家朗静山先生在暗房红灯下拼对山高水远和小桥人家， 他的集锦摄影作品似乎暗合了开放的西方后现代主义崛起的大环境和西方六、七十年代开 始崇尚中国老庄哲学及孔儒之学的时尚，从而获得了国际摄影界的尊敬。 真实感图形学也面临着同样的问题，从技术上来说，其结果固然精确真实，但是流于古板 冷酷，完美过分以至于失去灵动和感情。 图形学的发展使越来越多的研究致力于解决这些方面的问题，包括建模、绘制和动画。习 惯上，称这方面的研究为非真实感( n o n p h o t o r e a l i s t i c ) 图形学的内容。由于建模和动画的 过程建立在和囊实感图形学共有的基础上( 比如曲面造型、反走样等) ，而非真实感绘制 ( 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 ) 与传统的关于真实感绘制的研究无论在目的、结果和 方法上均有本质不同，因此非真实感绘制构成这一领域的核心。术语表达型( e x p r e s s i v e ) 绘制、艺术( a r t i s t i c ) 绘制、美术( p a i n t e r l y ) 绘制以及说明性( i n t e r p r e t i v e ) 绘制等，都 属于非真实感绘制的研究范围，而这些术语更明确地表达了研究目标。 难以给“非真实感”非常明确的定义。从某种意义上说，可以认为对绘制的目的不在于模 拟照片和再现场景的精确光学属性的研究即为“非真实感”，但是如果认为“不是真实感的 表现手段即非蔑实感”是有问题的。比如普通的三维线框图通常意义下不适合被认为是非 真实感的绘制。为其下明确定义的困难性或许在于非真实感图形学还是一个年轻的研究领 域。不过，非真实感领域至少可以包括任何对传统艺术绘制方法进行计算机模拟方面的研 究。真实感只是计算机辅助人们表达场景的一种表达方式，能满足人的某一方面的需求( 产 生照片般真实的图象) ，从这种意义上来说，非真实感可以认为是计算机辅助人们表达场景 的袭达方式，每一种特定的非真实感风格能够满足人的某一或者某几方面的需求。所咀 不少学者认为其实感只是非真实感的一种特殊形式 l a n s d c w n 9 5 。 1 # 真实感幽形学的方法在早期的图形学研究中便开始山现。六十年代的图形投影系统是最 早的芙于简洁表达图形的研究 m o d a n d 7 6 。该研究报告系统阐述了通用电器公司( g e n e r a l e l e c t r i c ) 的g e n i g r a p h i c s * 1 0 0 系统中对二三位混合场景的透视投影图的绘制的支持。 【y e s s i o s 7 9 从绘制着的角度出发，给山了一个模拟人的过程实现对石墒、路面和木纹的绘 制的研究。其算法的核心庄于对原本规则的图案添加随机因素，从而产生手：i 绘制的效果。 围1 - 2y e s s i o s 给出的对路面、石墙和木纹的绘制 新一代的非真实感研究建立在真实感方法得到充分发展的基础上。 h b e r l i 9 0 】给山了若干 - 2 - 釜= 耋韭三耋壁璺兰兰釜兰 对照片或者视频序列进行抽象化处理并得到具有某种艺术风格的结果，在图形学界开始了 真正的非真实感绘制的研究，并逐渐走向成熟，形成了图形学领域一个独特的分支 【l a n s d o w n 9 5 ，h a y e s 9 9 ，m a r k o s i a n 0 0 ，s n i b b e 0 0 ，w a m o c k 0 0 ，h e r m a n 0 1 ，d u m n d 0 2 。 很自然，早期非真实感绘制的支持者致力于绘制媒质的仿真。用计算机重现经典的钢笔画、 水彩、水粉或者油画的效果，媒质仿真是非真实感绘制的一个重要分支，但是非真实感绘 制包含更为广泛的领域：不仅因为艺术的表现形式丰富多彩，更为重要的是计算机能够辅 助实现原本手工绘制非常困难的艺术形式。 平真实感研究致力于对真实世界和光线行为进行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。其复杂程度和真实感过程相比不遑多让因为一个技术人员更觉 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。 真实感和非真实感图形学之间的差别可以用下砸的表格来阐明： 真实感非真实感 方法 特征 效果 精确性 可欺骗性 细j j 表现 模拟仿真 客观的 物理过程的仿真 追求精确 有时候的确具有迷惑性，人们往往 认为该结果是真实世界的摄影 忠实的反应客观事物细节，不能避 免传递无关紧要的信息 风格化 主观的 和艺术过程致，基于人们的感觉 往往是近似的，有时候只能通过心 领神会来获取结果表达的内容 诚实的人们会相信结果图象是 绘制的作品 适应图象内容，忽略次要细节，有 效地将用户的注意力吸引到关键部 分 完整性 完挫 不完整 墨掣鐾：黛鲤 鱼签翌墨 现有的非真实感绘制领域的研究大体可以用图i - 3 来概括。 图1 - 3 非真实茬绘制各组成部分 3 - 窑些兰：j ：耋耋望璺兰兰塑茎垫銮些：亚窑 登垩銮兰2 主兰竺鲨三二三2 2 三。：三2 从一个三维场景出发，可以通过两种方式获得非真实感结果：经过2 5 d 的一个中间处理过 程或者首先产生真实感图象。前者分析三维场景，计算绘制三维场景的笔划( s t r o k e ) ，并 通过虚拟媒质来表现这些生成的笔划，从而获得最终结果。后者采用传统方法生成真实感 图象后，还有两种基本方法，一种是从图象重构笔划，另一种采用传统的滤镜方法。绘图 系统不试图自动产生结果图象，笔划通过用户交互的手段得到。 本章的剩余部分将对已有这些方面的研究进行一个系统的回顾。 1 2 技术和艺术绘制 1 真实感绘制主要分为两个类型：实用的技术图的绘制和艺术的计算机表现。不同类型具 有不同的方法。绘制实用技术图时，系统注重表现并增强工程技术信息来增加表现力，而 艺术绘制更倾向于迎合和满足人的审美情趣。 1 2 1 技术图的概括与增强 美国u t a h 大学计算学院的图形组对技术绘制中的显示技术进行了系统的研究。他们提山的 显示环境能够体现计算机生成的技术绘制相比于传统真实感方法的所有优点，比如更清楚 的形状、结构表达。该系统对轮廓线( s i l h o u e t t e ) 和能够体现形状的部分进行适当增强， ， = 结合艺术家特有的角度，采用非真实感光照模型来表现三维形体 g o o e h a 9 8 ，g o o c h a b 9 8 ， g o o e h b 9 9 。r d i e p s t r a t e n 0 2 的工作用视点相关的手段根据工程信息改变对象各处的透明 度，能表现形状的区域透明度相对减少，从而更丰富地表达了透明物体的形状信息。 f a g r a w a l a 0 1 】基于感知心理学和在手绘地图中采用的概括方法的经验，给出了一个面向路 线划的概括方法。他们的研究对实际地图进行合理的重新布局，得到的结果更能体现有意 义的信息。 由丁基于物理模型的体绘制不能很好地传达关键结构细：惜，很多工作致力于这方面的研究。 i c s 6 b f a l v i 0 1 】通过表现放大了的梯度信息来表现体数据变化。【e b e r t 0 0 通过修改传统的基于 物理模型的方法，将人们感知灵敏的部分进行放大，包括深度关系和边界等，增强了形状 信息的传达。图1 4 是该： 作的一个例子。 围，o 西红柿体数据的绘制；左围是经典物理模型绘制结果右圈是左图中边界和轮廓得到增强的结果 非真实感方法不仅用于绘制。【k i r b y 9 9 】在向量场绘制中应用h e r t z m a n n 的多层绘制的概念 h e r t z m a n n 9 8 ，从而丰富了数据场信息的表现。 对空间和对象进行扭曲是对象建模方面的一种增强方法，分层扩展非线性变换是一种实现 这一目标的强有力手段 m a r t i n 0 0 。 4 - 窑些兰：j ：耋耋望璺兰兰塑茎垫銮些：亚窑 登垩銮兰2 主兰竺鲨三二三2 2 三。：三2 从一个三维场景出发，可以通过两种方式获得非真实感结果：经过2 5 d 的一个中间处理过 程或者首先产生真实感图象。前者分析三维场景，计算绘制三维场景的笔划( s t r o k e ) ，并 通过虚拟媒质来表现这些生成的笔划，从而获得最终结果。后者采用传统方法生成真实感 图象后，还有两种基本方法，一种是从图象重构笔划，另一种采用传统的滤镜方法。绘图 系统不试图自动产生结果图象，笔划通过用户交互的手段得到。 本章的剩余部分将对已有这些方面的研究进行一个系统的回顾。 1 2 技术和艺术绘制 1 真实感绘制主要分为两个类型：实用的技术图的绘制和艺术的计算机表现。不同类型具 有不同的方法。绘制实用技术图时，系统注重表现并增强工程技术信息来增加表现力，而 艺术绘制更倾向于迎合和满足人的审美情趣。 1 2 1 技术图的概括与增强 美国u t a h 大学计算学院的图形组对技术绘制中的显示技术进行了系统的研究。他们提山的 显示环境能够体现计算机生成的技术绘制相比于传统真实感方法的所有优点，比如更清楚 的形状、结构表达。该系统对轮廓线( s i l h o u e t t e ) 和能够体现形状的部分进行适当增强， ， = 结合艺术家特有的角度，采用非真实感光照模型来表现三维形体 g o o e h a 9 8 ，g o o c h a b 9 8 ， g o o e h b 9 9 。r d i e p s t r a t e n 0 2 的工作用视点相关的手段根据工程信息改变对象各处的透明 度，能表现形状的区域透明度相对减少，从而更丰富地表达了透明物体的形状信息。 f a g r a w a l a 0 1 】基于感知心理学和在手绘地图中采用的概括方法的经验，给出了一个面向路 线划的概括方法。他们的研究对实际地图进行合理的重新布局，得到的结果更能体现有意 义的信息。 由丁基于物理模型的体绘制不能很好地传达关键结构细：惜，很多工作致力于这方面的研究。 i c s 6 b f a l v i 0 1 】通过表现放大了的梯度信息来表现体数据变化。【e b e r t 0 0 通过修改传统的基于 物理模型的方法，将人们感知灵敏的部分进行放大，包括深度关系和边界等，增强了形状 信息的传达。图1 4 是该： 作的一个例子。 围，o 西红柿体数据的绘制；左围是经典物理模型绘制结果右圈是左图中边界和轮廓得到增强的结果 非真实感方法不仅用于绘制。【k i r b y 9 9 】在向量场绘制中应用h e r t z m a n n 的多层绘制的概念 h e r t z m a n n 9 8 ，从而丰富了数据场信息的表现。 对空间和对象进行扭曲是对象建模方面的一种增强方法，分层扩展非线性变换是一种实现 这一目标的强有力手段 m a r t i n 0 0 。 4 - 兰= 耋j 耋耋璧詈兰兰誊鎏 1 2 2 轮廓线的增强 二三维卡通画在表现模型的时候，常用轮廓线来勾勒形状，并用粗线来表现模型的重要特 征，在技术图中也经常采用类似的手段。图】- 5 是两个这样的实际例子。 由1 - 5 左田是青山冈的卡通“名侦擦柯南”的一帧，右豳是一个实际的机械装置圉两图中，轮廓线 条均得到增强以更丰富地裹达搿状 很多研究致力于这方面的工作，其中最基本的是轮廓线的计算。【b u c h a n a n 0 0 i ；i 入了一种 称为“e d g eb u f f e r ”的数据结构，能够在增强轮廓线、边线或者用户定义边时起辅助工作， 通过e d g eb u f f e r ，对边的显示进行取舍增强从而使形状表达更为鲜明。【l s e n b e r 9 0 2 将计算 所得的多边形月格的可见轮廓线合并成艮光滑参数曲线，并由此对轮廓曲线进行风格化， # 富了表达能力。高斯映射可以帮助得到曲面的轮廓 e l b e r 9 5 b 。【m a r k o s i a n 9 7 基于曲面在 乎面上的单向投影并结合隐藏线算法来获取曲面轮廓，币l t h e r t z m a n n z 0 0 1 的方法类似，均 采刚尖点( c u s p ) 来辅助轮廓线的计算。【r a s k a r 9 9 采用深度缓存辅助轮廓线的计算。 【m a r t i n 0 1 】采用虚拟光线来生成轮廓线，其基本思想是虚拟漫射光和反射光在对象轮廓线附 近将产生特殊临界效果。 仅仅绘制轮廓线也是一种艺术表达的方式，比如【n o r t h r u p 0 0 通过笔刷风格的笔触来绘制轮 廓线，并获取更加丰富的表达能力。【w a y 0 1 将国画风格的线条纹理用于树和岩石的绘制， 得到国画风格的三维景观。 1 。3 基于对象的非真实感绘制 基于对象 真实感绘制是经典图形学的核心内容，同样，由于从建模到动画，基于对象的 非真实感绘制都扮演了关键的角色，这一领域的探索是非真实感图形学研究的主流方向。 1 3 1 曲面纹理填充 曲面填充( s u r f a c eh a t c h i n g ) 是绘制非真实感曲面的基本方法。早期的研究均使用线条纹 理通过一定方式的填充来得到线条画的效果。计算机生成的线条画通过线条特征的变动 比如线长，线宽，密度和方向等，能体现丰富的表达效果。 e l b e r 9 5 ，e l b e r 9 8 采用映射方法以高斯等参线作为线条绘制方向在曲面填充线条表现曲面 色调这种方法能够统一处理隐式曲面和参数曲面，并且绘制的线条在不同参数化方法下 - 5 - 釜= 垩芏蠹耋璧璺誊兰釜鎏 一 围 培对d m n k e 蚴9 哪中模型采用图象纹理的方法绘制的结果，i f r e u d e n b e r 9 0 2 二维纹理