（计算机软件与理论专业论文）计算机辅助壁画临摹技术研究与系统开发.pdf

浙i 【人学硕j 二学位论文计算机辅助壁1 日临摹技术研究2 j 系统开发 摘要 随着计算机图形图像学的发展，计算机图形图像领域出现了4 个新的分支 一一计算机艺术。计算机辅助临摹技术是计算机艺术的分支，是一个新生的产 物，是艺术与科学的融合。计算机辅助临摹技术的发展给艺术创作提供了一个 新的平台，给艺术的创作带来了新的工具和方法：扩展了艺术的表现形式，推 进了艺术的传播，并且丰富了艺术创作手段，改变r 传统艺术创作的流程。针 对汁算机辅助i 临摹技术的需要，本文具体完成了以下工作： ( 1 ) 通过对传统临肇技术需求进行研究，结合当前信息技术的发展水平和特 点，给出了个新型的计算机辅助临摹技术的流程。 ( 2 ) 完成了计算机辅助临摹系统设计，开发了计算机辅助临摹系统，提供了 一系列的计算机辅助临摹工具，为艺术家临摹绘制提供了新的平台。 ( 3 ) 对计算机辅助临摹的关键技术进行了研究，包括计算机辅助线描图生成 技术，图像分割与边缘检测技术，建立了线描图的形式化表达模型等， 具体如f ： a ) 在传统图像处理中边缘检测和图像分割算法的基础卜，结合敦 煌壁画的特点，进行了改进。提出了基于b e z i e r 曲线图像增强 的彩色图像分割算法，建立了敦煌颜色数据库，完成了基于区 域生长的计算机辅助着色方法。 b ) 线描图形式化表达模型：针对线描图的需要，定义了线描图的 x m l 表达模型，第一次采用x m l 格式来形式化表达壁画绘制 的技法、风格与表现内容，x m l 作为通用的传输格式，能够非 常方便地实现其它格式的转换和存储。 c ) 定义了线描笔划的分段b e z i e r 曲线骨架模型，能够表达任意复 杂的笔划轨迹。定义了简单的椭圆形虚拟笔刷模型，通过结合 w a c o m 压力笔可以绘制出具有技术风格的线描笔划。 d ) 提出了多附层绘制技术，结合图层技术，提出去除双钩线牛成 线描图技术，并进行了相关测试。 ( 4 对计算机辅助临摹系统进行了应用测试，已经应用十计算机辅助敦煌壁 画临摹领域，取得了满意的效果。总结目前研究中的一些不完善的地方， 有待以后进一步的探索。 关键词：壁画、计算机辅助临摹、线描图模型、笔划模型、虚拟笔刷模型、边 缘榆测、图像分割、样本学习、敦煌 浙江人学钡f j 学位论文汁尊机辅助璀嘞临摹技术研究与系统开发 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rg r a p h i c sa n di m a g ep r o c e s s i n g ，t h e r ei s a n o t h e rb r a n c ht h a tc a l l sd i g i t a la r t c o m p u t e ra i d e dc o p y i n gt e c h n i q u ei sab r a n c ho f d i g i t a la r t t h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra i d e dc o p y i n gs u p p l i e sap l a t f o r ma n d b r i n g sn e wm e t h o d sa n dt o o l st ot h ep r o d u c i n go fa r tw o r k t h en e wt e c h n i q u e e x p a n d st h ee x p r e s s i o ns t y l eo fa r t ，a c c e l e r a t e st h et r a n s m i s s i o no fa r t o u rw o r k s c o v e r ： ( 1 ) b ya n a l y z i n gt h en e e d so fc o m p u t e ra i d e dc o p y i n gt e c h n o l o g i e sa n dc o n s i d e r i n g c u r r e n tt e c h n o l o g i e s ，an e wf l o wo fa r tc o p y i n gi sp r e s e n t e d ( 2 ) d e s i g nac o m p u t e ra i d e ds k e t c hg e n e r a t i o ns y s t e m ，s u p p l yan e wp l a t f o r ma n d b r i n gn e wm e t h o d sa n dt o o l st ot h ep r o d u c i n gt h ea r tw o r k ( 3 ) d os o m er e s e a r c hi nk e yt e c h n i q u e s ，s u c ha s ：t h es k e t c hi m a g eg e n e r a t i o n ，i m a g e s e g m e n t a t i o na n de d g ed e t e c t i o n ，c o n s t r u c tt h em o d e lo l 、s k e t c hi m a g e r e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n tf o l l o w i n gt e c h n i q u e s ： a ) b a s eo nt r a d i t i o n a la l g o r i t h mo fi m a g es e g m e n t a t i o n ，c o m b i n e dw i t ht h e c h a r a c t e ro fd u n h u a n gf r e s c o ，p u tf o r w a r dan e wi m a g es e g m e n t a t i o n a l g o r i t h m c o n s t r u c tt h ed a t a b a s eo fd u n h u a n gc o l o ra n dc o m p l e t et h e c o m p u t e ra i d e dc o l o r i n ga l g o r i t h m b ) c o n s t r u c tt h em o d e lo fs k e t c hi m a g ew i t ht h ef 0 1 t no fx m lf i l et h ef i l e r e c o r dt h es t r o k e st h a tw i t ht h ef o r mo fb e z i e r , a n da tt h es a m et i m e ，w ea d d t h ea r t i s tf e a t u r es u c ha st h ei n f o r m a t i o na b o u tt h es t y l eo ft h eb r u s h ，t h e p r e s s u r ea n dt h et h i c k n e s s c ) e x p r e s st h ee a c hs t r o k ei n t oam u l t i p l es e g m e n tb e z i e rc u r v e ，d e f i n et h e s i m p l eb r u s hm o d e lb ye l l i p s e ，a n dg e td i f f e r e n ts t y l es t r o k e sw i t ht h e w a c o m g r a p h i c st a b l e t d ) w e u s em u l t i p l el a y e r st e c h n o l o g ya n dc o p yt h es k e t c ho nt h el a y e rw i t ht h e w a c o m g r a p h i c st a b l e t p u tf o r w a r dt h ea l g o r i t h mo fs k e t c hg e n e r a t i o nb y r e m o v i n gh o l l o wl i n e sa n dd os o m et e s to nt h es y s t e m ( 4 ) a tp r e s e n t ，t h e s en e wc o m p u t e ra i d e dc o p y i n gt e c h n i q u e sh a v eb e e na p p l i e st o d u n h u a n gf r e s c oc o p y i n g a n dw ew i l lc o n t i n u eo u rr e s e a r c ho ns o m ei m p e r f e c t f e a t u r e ss t i l le x i s t i n gi no u rw o r ki nt h ef u t u r e k e y w o r d ：c o s t l yf r e s c o ，c o m p u t e ra i d e dc o p y i n g ，s k e t c hi m a g em o d e l s t r o k e m o d e l ，b r u s hm o d e l ，e d g ed e t e c t i o n ，i m a g e s e g m e n t a t i o n ，s a m p l e l e a r n i n g ，d u n h u a n g l i f _ 算机辅助避画临摹技术研究，系统开发 第一章绪论 1 1 计算机艺术与辅助临摹 随着计算机图形图像学的发展，计算机图形图像领域出现了一个新的分支 一计算机艺术。这是计算机图形图像应用领域1 i 断扩展的必然结果。讨算机 艺术的理论研究涉及计算机艺术创作及其社会功能的本质、计算机技术对艺术 功能和形式的影响、计算机工程帅、商业艺术家和学术岂术家在创作巾的角色 等。从发展的趋势来看，计算机的发展给艺术创作提供了一个新的平台，给艺 术的创作带来了新的工具和方法：扩展了艺术的表现形式，推进r 艺术的传播， 并且丰富了艺术仓i 作手段，改变了传统艺术创作的流程。计算机艺术是一种传 统艺术的革命，并且将创造更多的社会价值和艺术价值。 临摹作为艺术地+ 种，是岂术家进行创作的途径之一。计算机辅助临摹技 术是计算机艺术的分支，是一个新生的产物，随着计算机辅助设计，以及计算 机艺术的发展而产生的一门交叉学科，是艺术与科学的融合。主要是创作思维 西：计算机科学中的应用。临摹是美术创作的一种，自然离不开创作思维，利用 计算机进行辅助l 临摹必须依赖于创作思维的训算机模拟。在计算机科学与美 术临摹的内在关系上，有很多值得探讨的问题，涉及的领域包括美术表现与创 作，形式思维表达与推理，以及建模与计算机模拟等【2 。 在过去的几十年中，数字图像处理技术取得了迅猛的发展，其应用也成爆 炸式的增长。数字图像处理的发展推进了计算机艺术学科的发展，出现了非真 实感绘制、虚拟毛笔、i n p a i n t i n g 等技术，这些技术很好地将计算机技术尤其是 图像处理技术融合到艺术中，融合到艺术家地创作中。经典图像处理理论成为 、均代计算机图像处理领域的理论基础，它包括蚓像数字化、数字图像显示、图 像的运算和变换、图像复原、图像压缩、模式识别、多光谱图像和三维图像的 处理等方面。以经典图像处理理论为基础，大量的图像处理的软件和硬件产品 被丌发并投入使用。 1 2 敦煌壁画与传统临摹方法 敦煌莫高窟，一个曾经繁华，曾经喧嚣，曾经几度沧桑，j l 度盛衰的佛教 鼍地，有7 3 5 个洞窟，其中近5 0 0 个洞窟绘着臣幅壁画，总面积达4 5 0 0 0 多平 方米，绘画时间长逾干年，被誉为肚界最大的画廊【3 l 。 浙江人学硕：i ：学位论文 汁算机辅助畦i l 临摹技术研究，系统开发 在我中华博大和缤纷的擘阑宝库中，敦煌蹙画特立独行，风格殊芹，在长 达一f 多年的l 一余个朝代里，既各有不州的风格和特点，义遵循着一些基本的 规律。壁画的风格，具有与世俗绘i 卿彳i 同的特征，反应j 中华历史悠久的历史 文明，是人类艺术文化的瑰宝。 由于敦煌莫高窟地处丝绸古路卜- ，位丁l 甘肃境内，自然环境比较恶劣，干 燥风沙，加上现在游人众多等因素，现在这些千年的珍贵壁画 l 于各种人为斟 素和自然因素等引起壁画脱落、颜色退变等，甚至面临灭绝的威胁。 为了保护这些珍贵的壁画，现在敦煌研究院采取系列保护和修复措施， 旨在为炎黄予孙和人类留一f 了千古绝笔，艺术瑰宝。目前所采用的传统修复性 壁画临摹技术，从壁画起稿转到幺j 灯放稿，这种工作法有五道工序 5 1i 6 j ，即 拍照、幻灯放大、对壁修改、描线，再把画稿印描在宣纸上，然后面对原壁上 色，这就形成了一套既保护壁画又比较科学的临摹规程。但是通常临摹几个平 方米的壁画需要的时间要以年计算，并且临摹环境是一个复杂的过程，一旦出 错，其后果不堪设想。 怎样才能将灿烂的敦煌文化永久保存下来，怎样才能抢救这些濒危的艺术 宝藏，这是每一代敦煌学者苦苦探求的课题。当数字化浪潮涌进二十世纪末期 的一切领域时，保护敦煌的人们捷足先登，开始了大规模讣算机存储- j 再现系 统的研究。将利用近景摄影测量技术获得的高精度立体照片进行几何纠正和色 彩还原，经过数字扫描建立起庞大的数据库。于是，汗牛充栋的图片文字便全 部溶化在二进制数码的海洋中；墙t 和洞中的千般姿态，万种风情也都能在瞬 息之间通过网络供人们远程传播、无损复制、方便的榆索查询。现代的计算机 技术给珍贵的敦煌壁画艺术保护带来了全新的理念和革命。数字图像处理、计 算机图形学、人工智能等被广泛的应用于敦煌壁画的临摹中。 1 3 计算机辅助壁画临摹的意义 敦煌壁画历史悠久，由于受到自然的侵害，质地已经十分脆弱，修复这些 壁画的人员既要有熟练的技术又要耐心细致、一丝不苟，这样就要耗费大量的 时间。一名技术熟练的工作人员一年只能修复2 0 平方米的壁画，而目前已经公 布的有病害壁画的莫高窟加起来总共有4 9 2 个，病害的面积达到2 2 0 0 0 多平方 米。如果照这种进度，要想修复好大约需要l o o 年的时削。由于传统修复方法 的特殊性，已被证明行之有效的保护措施不呵能迅速改变壁画的境况。这使得 敦煌壁画的保护修复工作举步维艰。 近些年来的研究和实践表明，计算机辅助的数字化保护和修复工作取得了 浙江人学硕t 学位论文 汁算机辅且j j 壁画临摹技术研究0 系统开发 很大的成功。这种方法没有损坏文物的危险性，还有效二钲高、可重复性等传统 方法所没有的优点。人工智能与图像处理技术可以使古老的壁画原貌重现在人 f f j 的丽前。本文根据对敦煌艺术家擘i i i i 修复性j 临摹流稗的研究，同时综合利用 图像图形处理、人工智能等计算机技术，旨在研究种切实可行的，符合壁画 修复特点的计算机辅助临攀方法。从而在计算机上帮助艺术家进行敦煌壁画的 临摹创作。辅助临摹作品与虚拟建模与漫游技术、多媒体信息管理1 7 】等结合， 可以综合应用于壁i 画艺术展示，壁i f i l i 信息管理，虚拟洞库展示以及游戏等各个 环节。为壁画的保护与研究开拓新的方法、提供有效的研究工具【8 】：计算机提 供这样的操作，可以大大提高壁画保护工作的效率。提供了新型的壁画保护研 究与临摹复制的技术手段和辅助工具，大大提高了壁画临摹t 作者的工作效率 克服传统壁画保护研究与临摹复制工作复杂、难度大、难以熏现和逆转等缺点， 使古代珍贵壁画保护与利用工作跨上一个新的台阶。 另一方面，本论文的研究成果，促进了计算机图形学，人上智能在文物数 字化领域的发展。对于计算机学科，尤其是计算机图形学学科，通过本课题的 研究，找到了图形学的一个新的应用领域应用于擘画保护领域。l 司时，由 j 二壁画保护领域的特殊性，对原有的计算机图形学技术提出了新的更高的要求， 其中的有些图形学技术的技术需要加以改进以后才能使用，如面向壁画临摹的 轮廓线描智能化提取技术、线描图笔划模型和基于壁画轮廓图的风格线描图生 成技术等。 敦煌壁画，艺术价值连城，并且敦煌壁i 画经千百年j x l 日侵蚀，色彩多有退 变，变色严重而形成古拙面貌，通过临攀，可以进入敦煌艺术殿掌，了解敦煌 艺术，进一步了解我国古代社会文明地发展历史；通过临摹，可以对敦煌艺术 的美学和历史进行探索，为迸步繁荣敦煌艺术奠定基础。i 临摹作品可以更盘 地展示敦煌壁画的宏伟气概，为敦煌艺术地发展提供更好地交流甲台，为祖国、 为世界艺术文化发展起到积极地推动作用。 1 4 本文的主要工作 通过需求调研和资料总结，提出了计算机辅助临摹得流程，给出了计算机 辅助壁画临摹系统的总体设计框架，提出了计算机辅助壁画线描图生成方法。 查阅了相关文献，总结t q ：算机辅助临摹相关技术得发展和应用现状，并 对计算机辅助临摹相关得图像i n p a io t in g 技术、虚拟毛笔技术、线描图建模、 线描笔划形式化表达技术，计算机辅助着色技术进行了总结和分析，并实现了 其中经典、前沿的边缘检测和图像分割算法，并用敦煌壁画进行了测试。结合 浙江人学硕。i ，学位论文计算机辅助壁l 圃临摹技术研究与系统开发 敦煌壁画本身的特点，对这些算法进行了改进。 另一方面，在查阅文献的基础h 通过对壁画特定历史时期的绘制风格和 技法的研究，根据壁画语义特征、形状特征，提出了基丁x m l 的壁画线描图表 达模型。利用分段b e z i e f 曲线来表达笔划的轨迹，实现了任意风格的笔划的矢 量化表达；建立了敦煌笔划样本库，创造性地将样本学习技术应用到壁画临摹 巾，利用风格转换算法，交互的实现壁画线描图轮廓线的风格增强； 同时，通过结合笔触模型，研究了基于压感笔的交互绘制技术。在建立敦 煌色彩库的基础上，采用区域增长算法进行区域选择着色。最后，研究了基于 虚拟画刷的交互着色和计算机自动着色，提供了各种交互式绘制的辅助工具， 辅助艺术家进行临摹绘制，最终形成了临摹作品。成功地将艺术家经验知识和 计算机技术融合在壁画数字化保护与临摹中，取得了开创性得结果。 1 5 本文的组织 本论文组织如下： 第一章：绪论。阐述了本文的研究背景、研究的主要意义、所做的工作和 内容组织。 第二章：计算机辅助临摹技术及应用综述。综述了计算机辅助临摹相关技 术研究的国内外现状、总结了计算机辅助l 临摹的发展历史和在国内外的应用现 状，阐述了图像i n p a i n t i n g 技术、边缘检测与图像分割技术、虚拟毛笔建模技 术、笔划轨迹建模技术以及计算机辅助着色技术。 第三章：计算机辅助临摹关键技术研究和相关数学模型。分析了传统临摹 的流程，提出了计算机辅助临摹的流程，并对系统中采用的计算机辅助临摹相 关技术进行了分析和描述，建立了线描图形式化表达模型、线描壁画模型、笔 刷模型等，给出了基于颜色空间距离和视觉聚类距离的图像分割算法，提出了 基r 样本笔划学习的风格线描牛成技术，提出了去除双钧线生成线描图技术， 并给出了相关实例。 第四章：给出了开发的计算机辅助临摹系统，总结了计算机辅助临摹系统 的功能结构，并且给出了该系统示范应用的实例。并对浚系统进行了评价和总 结。 第五章：总结与展望。 ，曲江人学堪【学位论文 计算机辅助壁面临摹挫求研究j 系统卅敏 第二章计算机辅助临摹技术研究和应用综述 2 1 计算机辅助临摹技术发展及国内外应用现状 临摹是门古老的艺术，南齐谢赫的六法论甲最厉一条捉到传移摹与， 这里说的是为传移而摹写，日的是流传，顾恺之在谈蝓摹妙法时，特别强调临 攀水能走样，在表现人物心灵活动的面部不能宵一毫小失。 训算机辅助临摹技术则是瓤生的产物，是计算机芝术的分支。随着计算机 辅助设计以及计算机艺术的发展而产生的。门交叉学科，足艺术与科学的融 合。国内外很多艺术专家，计算机专家对此技术进行了长期的研究，不断改进 拄术，提高训算机辅助临摹作品的逼真性。 计算机辅助临摹设计的除了基本的图像处珲之外，丰要设计对临摹环境的 建模，包括纸、墨、笔、运笔风格等。对于传统毛笔，纸张的建模早在8 0 年代 就开始研究。 1 9 8 b 年，同本的鼬- v es 【r a m m 通过对笔刷中二b 发和纸张对墨水的吸 收的建模来模拟传统的h 本荧术，称为s u m ie 项目” 。其效果如幽i i 所示： 图11s u m i e 效果围 2 0 0 1 年， = | 本y u 1 e n a s h l 大学的学者利用卷积从2 n 图像自动7 l 成钳笔阒 效果的方法”“，利用矢量场束定义笔划方向，然后用与原始罔像反度自关的自 噪声作为线性卷积运贯的输入柬成功地生成铅笔画效果。如图12 所示 噪声作为线性卷积运算的输入柬成功地# 成铅笔画效果。如图12 所示 计算机辅助难岫临摹技术研究，系统开发 第二章计算机辅助临摹技术研究和应用综述 2 1 计算机辅助i 岛摹技术发展及国内外应用现状 临摹是一门古老韵艺术，南齐谢赫的六法论中最后一条提到传移摹写， 这罩说的是为传移而摹写，目的是流传，顾恺之在谈i 6 j 摹妙法时，特别强调临 攀不能走样，在表现人物心灵活动的面部不能有一毫小失。 计算机辅助临摹技术则是新生的产物，是计算机艺术的分支。随着计算机 辅助设计，以及计算机艺术的发展而产生的一门交叉学科，是艺术与科学的融 合。国内外很多艺术专家，计算机专家对此技术进行了k 期的研究，彳i 断改进 技术，提高计算机辅助临摹作品的逼真性。 计算机辅助临摹设计的除了基本的图像处理之外，主要设计对临摹环境的 建模，包括纸、墨、笔、运笔风格等。对于传统毛笔，纸张的建模早在8 0 年代 就开始研究。 1 9 8 6 年，日本的s t e v es t r a s s m a n n 通过对笔刷中毛发和纸张对墨水的吸 收的建模来模拟传统的f = 1 本美术，称为s u m le 项p 1 1 9 1 。其效果如图1 1 所示： 图11s u m i - e 效果图 2 0 0 1 年，门本y a m a n a s h i 大学的学者利用卷积从2 d 图像自动生成铅笔四 敛果的方法i i 0 1 ，利用矢量场来定义笔划方向，然后用与原始图像灰度有关的自 噪声作为线性卷积运算的输入来成功地生成铅笔画效果。如图12 所示 浙江人学硕l 。学位论文汁算机辅助譬画临摹技术研究1 j 系统开发 图12 铅笔画效果 2 0 0 0 年，加拿大a 1 b e r t ae d m o n t o n 人学的m a r l 0c o sl as o u s a 等学者对 炭墨笔进行了建模研究【l l l ，选取笔的物理参数有笔的硬度，石墨中粘土和蜡微 粒的数目，f 笔的厚度，尖端形状，压力分布系数等等，并月为纸建立了一个 3 d 模型，参数有颗粒的高度等等，它还考虑了炭笔和纸的交互时的一些参数， 硬笔画后软笔再覆盖时纸的颗粒高度变化，橡皮对笔划和纸的影晌，取得的不 错的效果，效果图如图1 3 所示： 图13 炭墨笔画效果图 2 0 0 1 年，美国北卡罗莱纳州大学的w b a x t e r ，v s c h e i b ，m l i n ，a n dd 、1 a n o c h a 学者将个虚拟的笔通过传感器真正的跟实际的物珲毛笔结合起来， 该系统真正获取了绘制过程中的各种感觉包括视觉，触谥，动作和绘制的艺术 灵魂等，实现了一个交互式3 维绘制系统| 1 2 j 。如图1 4 所示： 图143 维绘制系统及其效果 从2 0 0 2 年到现在，中国浙江大学的徐颂华等学者对中国毛笔和中国毛笔书法 进行了研究，对具有国粹风味的毛笔进行了3 d 建模，宣纸等进行了建模，建立了 绘制过程完备的数学模型，为中国临摹与美术创作奠定了基础。如图1 5 所示： 6 扰7 t 人学倾l 学位论文 计算机辅助碲回临摹技术研究，系统开发 图15 浙江大学对中国毛笔的研究 2 0 0 4 年，美国u n i v e r s it yo fm i s s o u r i s t l o u is 大学的h y u n gw k a n g ， w e n j i ei t e ，c h a r l e sk c h u i ，a n du d a yk c h a k r a b o rl y 等人，对图像线描旧 的产生进行了深入的研究似l 。他们改变了传统的轮廓线提取的方法对具有艺术 风格的线描图的产生进行了开创性的研究”】。如图i 6 、图1 7 所示： 图16 树叶线描图 图17l e n a 线描图 2 2 计算机辅助临摹关键技术研究现状 在计算机辅助临摹中，要得到一个优秀的临摹作品，如何解决艺术领域的 难题是关键。随着计算机的发展和艺术的深化，上述领域的结合越米越完美： 方面，美本上提出了更高的要求，要求更好的用计算机表达出艺术创作的灵 魂；另外， ”方面，美术上提出的要求，进一步促进了讣算机的发展，促进了 计算机图形学的深化研究。 从美术的需求发展来说，美术创作或设计的三要素是形、色和构图q ，称为 两个单元和一个关系，美术创作的原理与方法都是基丁这三个要素展丌的。形是 指表现内容的形态，或称为造型。形有大，j 、形状、式样和风格等。而具体道临 淅江大学硕l 学位论义 计算机辅助璀i m i l 艋摹技术酬究2 ，系统开发 挚q ，要体现出两个方面， 一是，i 摹作品必须尽力符合原创作品的要求，不能 随意修改，必须忠于原始作品，必须尽可能的获取原始图像中的线描信息。另外 个方面，临摹必须体现艺术家的灵魂，所渭的艺术作品的神，临摹作品讲究起 笔和落笔，必须做到游刃有余，线条变化丰富，虚实结合富有活力。 为了满足美术的需求，计算机辅助临摹主要涉及到以下几个方面的技术： 2 2 1 图像预处理中的i n p a i n u n g 技术 图像i n p a i n t i n g ( 修描) 技术属于图像复原的研究领域，是图像处理的个 小的分支，也是现在大家研究的热门课题之。修描图像就是用不显跟的方式 来处理图画、照片或影片，包括使受损的图像恢复、移走或取代照片中被选择 的物体等等。它也是一项古老的艺术创造，早在文艺复兴时期，人们就开始修 复中世纪的一些艺术品，他们的目的就是想通过填补些裂缝来使中世纪的一 些图画翻新。这样的工作就叫做“r e t o u c h i n g ( 润饰) ”或者“i n p a i n t i n g ”( 润 饰或修描) 。图像i n p a i n t i n g 算法的基本思想就是根据修描区域周围沿着同色 线方向平滑地向前传播扩散信息。用户只需指出待修描的区域，剩下的r 作可 根据算法在几分钟内自动完成。且被修描的图像非常清楚，看不出有人为的色 彩添加。这种结果可作为最终的修复结果或为人工修复提供一个最初的指引方 向。因此，从：作量上来说减少了整个修复时间。 b e r t a l m i 0 等人提出用偏微分方程的方法进行图像修复| l ”，取得了较好的 效果。用户需要指定需要修复的区域，该算法将图像分为3 个独立的通道，对 每个通道，算法将待修补区域边界的等值线( i s o p h o t el i n e s ) 外部的信息沿轮 廓线法向扩散到内部待修补的缘素上去。 作者采用一系列的偏微分方程来解决这个问题。他们的关键贡献就是提出 了一个算法，解决了如何将等值线的外部信息扩散到内部待修补区域。利用颜 色的光滑度，沿着等值线扩散。然后采用迭代，直到沿着等值线没有发牛变化。 孵且改进了以前轮廓线法线方向计算的方法，随着时问，寻找最小变化的方向 作为轮廓线新的法向。作者提出的偏微分方程如下所示，效果如图2 i 所示： ，( f ，) - 1 ”( j ，) 十f r ( f ，) v ( i ，) e 卫 浙江人学_ ! 顶上学位论文 计算机辅且j j 壁俩临摹技术 i ：| f 究i 系统开发 图21i n p a i n t i n g 技术修复壁画实例 2 2 2 边缘检测和图像分割技术 图像分割是图像处理中的主要问题，同时也是一个经典难题。尽管从七十 年代起图像分割问题就吸引了很多研究人员为之付出了巨大的努力，但到目前 为止还不存在一个通用的方法，也不存在一个判断分割是否成功的客观标准。 敦煌壁画的计算机辅助临摹第一步：i ：作就是彩色图像的边缘检测和分割。 不同于灰度图像，彩色中还包括了诸如色调、饱和度等有用信息，彩色图像分 割可以通过计算图像中彩色信息的统计特征来实现。 常用的图像分割技术可划分为四类：特征阈值或聚类、边缘榆测、区域生 长或区域提取以及递归象素分类。虽然这些方法分割灰度图像效果较好，但用 i ：彩色图像的分割往往达不到理想的效果。 阈值方法是灰度图像分割普遍采用的方法，特别是对具有双峰特征的图像， 采用这种方法效果较理想。但彩色图像有更大的灰度范围，这给阈值的选取增 加了难度。彩色特征聚类是阈值概念的多维扩展，在每 色彩分量上可得到不 同的直方图，分别确定各自的阂值后，将结果组合起来，并映射到空域构成分 割的彩色图像。用这种方法得出的分割结果往往会出现彩色聚类相互重叠，这 是由于1 ) 仅依赖色彩分割是不全面的；2 ) 彩色图像直方图一般尖峰不明显，各 色彩分量的闽值难以确定；3 ) 象素的色彩映射到三个不同的直力图上，色彩信 息被消耗。另外，不同色彩分量的闽值的组合也不是个简单的过程，往往会 影响到最终图像分割的结果。 边缘检测是另一种常用的分割方法。所旧边缘是指图像中一种或多种特征 突变的地方。彩色图像的边缘检测通常可采用三种方法：1 ) 在每一彩色分量上 独立检测，再综合所得的结果；2 ) 仅在亮度分量上检测；3 ) 按三分量图像场中 浙江人学硕上学位论文 计算机辅助碓向临摹技术研究。i 系统开发 的梯度检测。边缘检测方法的突出问题是检测出边缘的连续性难以保证，特别 是图像中的细小区域或噪声图像更加严重，往往会产：生错误或额外边缘。此外， 边缘检测本身并0 i 是一个分割过程，它仅是利用边缘象素将图像中的区域分离 丌来，并没用产生具有单一色彩和封闭边界的分区面。一种较好的分割算法往 往利用边缘信息提取出大的分区，而利用其他方法分割图像的其余部分。 区域生长与合并方法i l 卅的缺点在于它们固有的顺序特征，结果好坏受种子 选取和区域生长与合并的次序影响较大，且这种方法的时空花费较大。 最近的研究包括了一系列的新技术，比如采用分水岭和区域连接图算法的 彩色图像分割，这种方法基于分裂的形态学快速分水岭算法，但是这种算法有 过度分割的问题存在。 2 0 0 3 年，中国s c t h e n 等人提出3 d 颜色聚类和松弛标签算法【2 0 l ，该算法 将同一类型的象素归为一组，同时，采用松弛标签技术避免选择种子点的依赖 性，但是这个算法过分依赖与平滑函数。该算法主要包含三部分：首先采用 s m o o t h 算法进行平滑分类，其次采用标签技术标识每个象素的属性，最后根据 象素的属性实现图像的分割。效果如图2 2 所示： 圈223 d 颜色聚类和松弛标签算法 2 0 0 5 年由微软亚洲研究院的学者发表在s i g g r a p h 上的论文l a z ys n a p p i n g 是图像分割技术的最新发展【“1 ，l a z ys n a p p i n g 技术主要采用g r a p hc u tl i n g 的思想，利用定义的能量函数，对图像进行区分前景和背景，即f o r e g r o u n c l 和 b a c k g r o u n d 。效果如图2 3 所示： 1 a z ys n a p p in g 技术分为两步： 目标对象标识，即分别用曲线大致标定要选择出的区域 轮廓线编辑，对模糊区域或者阴影区域的轮廓线进行编辑，更好的进行图 像分割。 4 1 算机辅助壁画临摹技术研究j 系统开发 幽像分割削题司以表达为一个二进制的标识问题。口j 以将酬像表达为一个 图g ”，7 ，其中v 表示图中的节点，表示节点之蚓的互连关系。那么标 识问题可咀表达为：对于图中每一个节点i fv ，我们都赋予一个唯一的标识， 。 f 0 7 。g r o “”d ( ；1 ) ，b “k g r o u n d ( - 0 ) ，具体的计算可以通过g i b b s e n e r g y ( 茁) 能量函数来计算： e ( x ) - - e 巨( 一) 十入易( 一，x ，) m i ，) 娃 其中巨( 一) 是活化能，表示当把节点i 表达为薯的代价； 岛( 一，_ ) 是优先能，表示分别标识邻接的两个节点f ，的代价： 图2 3l a z ys n a p p i n g 实例 实验表明，l a z ys n a p p i n g 技术是最先进的图像分割技术，与p h o t o s h o p 中的智能剪刀或者魔术套索工具相比，更快，更精确的区分轮廓线，得到分割 后的图像。 2 2 3 虚拟毛笔的建模技术 近年来计算机图形学领域的发展，可以分为两个研究方向：一个是对于真 实物理光影模型的研究，做出最接近人眼所看到的真实世界的效果，称为真实 感绘制技术，在电脑游戏，电影特效中应用很多；另外个方面是研究艺术家 通过画笔勾勒出其想象创作空间及其抽象意境所创作出的效果作品，此研究方 向称为非真实感绘制技术，即n p r 。 沙汀犬学硕卜学位论义算机辅助壁画临摹技术研究，系统开发 非真实感绘制领域，目前发展比较成熟的技术中，大都是与两方绘l 丑l 艺术 中关的，如：索描、水彩画的计算机模拟；关f 中国水墨画的方面的研究，考 虑了宣纸的纹路构造，将水墨扩散不等方向的特性模拟冉来。对中崮毛笔的模 拟研究是最近的热点，因为毛笔特殊的艺术性和表达力，中国一直用毛笔来写 字绘画。j 9 9 8 年h e m m i 和y o s h i k a w a 的论文描述了一个虚拟的书法系统1 2 2 1 ， 1 9 8 6 年s t r a s s m a n n 的论文中对虚拟毛笔的效果进行了分析和模拟l9 1 。2 0 0 0 年 w o n g 和1 p 通过虚拟笔刷来合成中国书法作品，在这! 醴而主要用圆锥型和椭 嘲来模拟。对虚拟毛笔硬件的研究也有很多，比如g r e e n e 的虚拟毛笔系统， 通过传感器等来实现硬件模拟。 虚拟毛笔的最终研究结果就是可以生成具有很强艺术水平的作品，攻克的 难题不仅仅在于笔刷本身的建模，还在于纸张和墨水的建模。1 9 9 5 年，il k u n ji g v n o s o v s k i j ，a n dt h a y a s h i 等人提出的墨水扩散模型可以模拟很多不同 的墨水扩散效果2 4 1 。 1 9 8 6 年，门本的s t e v es t r a s s m a n n 通过对笔刷中毛发和纸张对墨水的吸 收的建模来模拟传统的日本美术，称为s u m i e 项目1 9 1 。在其发表的论文h a i r v b r u s h 中，开创性的对虚拟笔刷进行了建模研究。提出拉( 1 ) 笔刷模型，( 2 ) 估计 模型，( 3 ) 笔尖模型，( 4 ) 纸张模型。 其中笔划轨迹定义为一系列的位置和压力信息的点组成的，中肺j 采用i 次 样条插值完成。笔划轨迹的宽度有相应点的压力信息获得。其笔划轨迹图如图2 4 所示： 图24 样条曲线的笔划骨架模型 其中相邻插值点的宽度线组成四边形，通过填充四边形形成来实现笔划。 可以通过宽度离中心线的距离来计算相应线上的点的颜色信息，浓淡信息，通 过压力信息来控制笔划的粗细。 具体计算如f ： 每一个笔划可以表达为 浙江大学倾1 j 学位论文| 十算机辅助晕i 【f | j 临摹拄术研究t i 系统开发 每一个点可以表达为 s t r o k e = n o d e ( i ) li ；1 ，2 ，3 n o d e ：p ( x ，y ，p ，s ) 其中。，y 分别表示点在纸张上的位嚣信息，p 表示j _ i - is j 信息，j 表示该点到 中心曲线的近似距离。其中5 ，的计算如1 - 铲0 ，旷壹瓜了i i 瓦了了 刊 对于墨水的颜色，主要考虑纸张的吸收和笔触模型中毛发的干湿程度决定。 主要是光顺相邻笔毛的颜色，例如， c ，是第f 根笔毛在，时刻的颜色 d 是墨水的扩散速度，介入0 和1 之问 假设毛笔中毛的分布是均匀的，则r 1 时刻，经过纸张的吸收，此处的颜 包为： c 川：c ，+ ( 1 一d ) 斗( ! 华) + d 示意如图2 5 如下： 图25 各种笔刷效果 该算法都是对2 d 的笔刷模型进行模拟，从2 0 0 2 年到现在，中圈浙江大学 的徐颂华等学者对中国毛笔和中国毛笔书法进行了研究，对具有国粹风味的毛 扎江人学颂上学位论文 f _ 算机辅助壁臧临摹披术研究j 系统开发 笔进行了3 d 建模 1 3 ，宣纸等进行了建模，建直了绘制过程完备的数学模型。 3 d 虚拟毛笔的实体模型h a i r yb r u s h ( 1 l b ) 是有一系列的w r i t ep r i m i t i v e s ( w p ) 构成，w p 足+ 群具有样属性的毛束的集合。 h b 皇( c w p ，q p ) c w p 皇( 啷，喝，鸭) 秽皇( 妙1 ，秽2 ) 其中，胛指的是w r i t ep r i m i t i v e s 。( 驴是控制画刷艺术风格的参数， 1 控制画刷线条的边界，勿2 控制画刷所绘线条纹理。 胛是一群具有样属性的毛束的集合。毛束的数学模型为： 岬皇( e ，巨，厶，4 ) 其中，l j 丰旨的是底部控制网( t h eb o t t o mc o n t r o lc i r c e ) ，巨指的是中 目控制椭圆( t h em i d d l ec o n t r o le l l i p s e ) ，厶指的是顶部控制线段( t h et i d c t ) n t r 。1 l i n e ) 。其中，c 从开始确定后就一直卜变，在刚蘸完墨水时是 个点。4 指的是中轴控制线( t h em i d d l ec ( ) n t r 。1a x i s ) ，它是一个b 样袋曲线， l l | 系列控制点来表示。靠近c 处控制点比较稀疏，沿着轴线往三，方向下， 控制点越来越密集，这样就可以很好的反映出毛笔画刷的实际变形过程。 w p 的物理模型如图2 6 所示： l j l el i pc o n t r o ll i n e 图263 d 笔刷实体模型 模拟毛笔的绘制，虚拟毛笔在绘制过程巾有三个状态：初始状态，浸渍状 渤i 工人学颂l 擘位论文汁算机辅助个l 岫i 摹技术研究1 ，系统开发 态，t 作状态。 初始状态 仞始状态是指当毛笔刚开始构建，还没有沾墨水，刈应物理毛笔的自然状 态。存这个状态下，头部控制线段l 蜕化为个点，中轴线蜕化为直线，中间 挎制椭圆蜕化为圆。改变中间控制椭圆的半径和它的位置可以产牛各种效果的 模型。 浸渍状态 当毛笔处在浸渍状态时毛笔浸渍了墨水但没有与纸接触。通过浸渍墨水， 毛笔的w p 获得墨水相关信息，包括颜色和湿度信息。 假设只”只川，只，p + n 是胛上的控制点，对于浸渍在墨水里而的控制 点，它的颜色简单的设置为墨水的颜色，而对于没有浸浈在墨水中的控制点通 过线性插值获得，且假设。，- = 0 ，即白色。浸渍以后颜色的分布公式如下： c o l f 。i n kc o l o r ( f ：，女十1 ，一) t ，：坚剑 c o ，：0 对于每个控制点的湿度分布也类似。我们假设w “m0 即是干燥的。其分 布公式如f ： w e t 叫= t h ed e g r e eo f w e t n e s s ( ，：，女f1 ，n ，) w e t , t 监坐业掣掣墨墨地堕( 3 ，一加1 ) 1 1 c c , 一鹎l | 1 w e t , l l ，0 工作状态 当毛笔处于工作状态时，毛笔发生变形。毛笔j 纸相互作用产生作用力。 它将改变中间控制椭圆的离心率，头部控制线段和巾轴线，导致系列模型变 化效果，在绘制过程中，当压力达到一定的闽值，毛笔m 现分义效果，如图2 7 所示： 浙江夫学坝 学位论文 | + 算机辅助壁l 圆临摹技术研究与系统开发 0 “彭夕，少+ 夕”夕痧震一、。，7 夕夕多乡，扩毋毽 a ) 计并 状态 1 舞。髫 霉毋霉矽痧毋每舞 b 侔状恕 图27 笔刷状态示意图 在某个时问t ，每个w p 都会与虚拟纸交互j “生。个截面。通过在这个截面 罩绘制得到w p 与纸交互产生的纹理，所有w p 产生的纹理综合就是面刷在绘制 过程中某一是个在纸上产生的印记即笔触。可以通过改变该e i l i 己内点的颜色信 息和湿度信息来得到不同的艺术效果。具体计算如下： 1 首先给定一个w p ，这个w p 是通过c a d 中s w e e p 操作产。生的n u r b s 表面 s s ( s ，f ) 2 把砜( j ，f ) 与虚拟纸平面进行相交获得封闭曲线。w ，即足当前墨水印 记。如图28 ： 图28 笔刷切面 3 把封闭曲线。“0 上的点k 叫殳影到w p 的中轴线a 上得到点k 。通过最 靠近k 一点的控制点”i 和jv 插值计算k ，点的墨水相关信息，公式如 下： ，蕊* ， i | j # 酽 _ ；渺 浙汀人学顺i j 学位论茁 l 算机辅助蹙画临摹技术鄙 究与系统开发 c o i ，；： w e t ：