（计算机应用技术专业论文）中国水墨画效果的三维渲染技术研究.pdf

中文摘要 近年来，非真实感渲染研究逐渐成熟，作为东方画系代表的中国水墨画仿真 研究也取得了令人瞩目的成绩，于是填补水墨画艺术仿真在3 d 渲染领域的空白、 赶上西画艺术仿真研究的步伐成为了对国内相关研究领域的迫切需求。而且，对 中国水墨画3 d 渲染技术的研究，无论在艺术还是科学方面，都有着深远的意义 及广泛的应用前景。 以传统3 d 渲染流水线为理论基础，通过借鉴典型3 d 非真实感渲染模式，本 文提出了一套新颖的、从水墨画本质着眼的、具有极大灵活性和可扩展性的3 d 水墨渲染模型。该模型主要由四个部分组成：特征信息提取、多层渲染模型、扩 散模块和颜色模型。 借鉴3 d 非真实感渲染领域以轮廓线为中心的渲染方式和相关算法的研究， 本文归纳了进行3 d 水墨渲染前需要从场景模型提取的特征信息并提出了提取方 法，它们包括轮廓线、纹理线条、组件中心线和国画色信息，特征信息提供了渲 染中所需的所有有用的模型数据。 多层渲染模型是本文的研究重点。通过观察和总结大多数水墨画构图技法中 的关键特征，本文提出了渲染模型的核心机制：基于组件的渲染和多层渲染机制。 这两个机制可以简要的概括为：物体模型分成组件，每个组件采用多个渲染器分 别进行渲染，最后合成。本文提出了轮廓渲染器、染色渲染器等来模拟水墨画创 作中的各种构图技法。基于笔道的渲染器使用虚拟毛笔来完成绘制，虚拟毛笔则 由笔模型和笔法模型组成，笔模型在笔法模型的控制下进行笔道的绘制。 为了仿真水墨画中独特的扩散现象，本文采用了基于物理的纸模型和扩散仿 真模型，对渲染的中间结果进行模拟扩散。 为了仿真设色水墨效果，本文的渲染和扩散都是以粒子( 包含墨粒子、颜料 粒子和水粒子) 作为中间结果的，颜色模型则基于胁颜色理论来将中间结果转 化为最终显示。 实验结果表明，本文提出的3 d 水墨渲染模型成功地实现了水墨画效果的3 d 渲染，并很好地在渲染效果中体现出国画所特有的笔法、墨法、用色和特殊的构 图技法，而且达到了灵活的可配置渲染的目标。 关键词：非真实感渲染，中国水墨画仿真，三维渲染，水墨扩散 a b s t r a c t r e c e n ty e a r s 。b o t hr e s e a r c h e so l ln o n - p h o t o r e a l i s t i c r e n d e r i n gf n p 鼬a n d s i m u l a t i o no fc h i n e s ei n k - w a s hp a i n t i n gh a v em a d eg r e a ta c h i e v e m e n t s s oi th a sc r y f o r b r i n g i n gt h ea r ts i m u l a t i o no f c h i n e s ei n k - w a s hp a i n t i n gi n t o3 dr e n d e r i n ga r e at o c a t c hu pw i t ht h es t e p so f 也ea r ts i m u l a t i o nr e s e a r c ho fw e s t e r np a i n t i n g s 1 1 1 e r e s e a r c ho nc h i n e s ei n k - w a s hp a i n t i n g s t y l e d3 dr e n d e r i n gh a sf a r - r e a c h i n g s i g n i f i c a n c ea n dm a n yp o t e n t i a la p p l i c a t i o n sb o t hi ns c i e n c ea n do nt h ea r t i s t i ca s p e c t b a s e do nt h e t h c o r i e so ft r a d i t i o n a l3 dr e n d e r i n g p i p e l i n e a n dt y p i c a l3 d n o n - p h o t o r e a l i s t i cr e n d e r i n gm e d e l an o v e lc h i n e s ei n k - w a s hp a i n t i n gs t y l e d3 d r e n d e r i n gm o d e l i sp r o p o s e d i th a st h ee s s e n c eo fc h i n e s ep a i n t i n gs k i l l si nm i n da n d i s0 fg r e a tf l e x i b i l i t ya n de x t e n d a b i l i t y i ti sc o m p o s e do ff o u rp a r t s ：f e t c h i n g c h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o n , l a y e r e dr e n d e r i n gm o d e ld i f f u s i o nm o d e la n dc o l o rm o d e l r e f e r r i n gt ot h er e s e a r c hr e s u l t so ft h es i l h o u e r e s ，c e n t e r e d3 dn o n - p h o t o r e a l i s t i c r e n d e r i n ga p p r o a c h e sa n dr e l a t e dw o r k s ，t h ec h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o nt h a ti sn e e d e d t 0b ef e t c h e df r o mt h es c e n ef o rc h i n e s ep a i n t i n gs t y l e dr e n d e r i n gi sc o n c l u d e dt o f o u rk i n d s ：s i l h o b e y e r s ，t e x t u r el i n e s ，c e n t e rl i n e sa n dc h i n e s ep a i n t i n gc o l o r i n f o r m a t i o n c h a r a e t e r i s t i ci n f o r m a t i o np r o v i d e st h eo v e r a hu s e f u ld a t aw h i c hi s n e e d e df o rr e n d e r i n g l a y e r e dr e n d e r i n gm o d e li s 也ek e y s t o n eo f 也ew h o l er e n d e r i n gm o d e l b a s e do n t h eo b s e r v a t i o na n dc o n c l u s i o no fam a j o r i t yo fc h i n e s ep a i n t i n gc o m p o s i t i o ns k i n s 也i s p a p e rd e s i g n e d t h ec o r em e c h a n i s m so ft h e r e n d e r i n gm o d e l t ob e c o m p o n e n t - b a s e dr e n d e r i n ga n dl a y e r e dr e n d e r i n g 1 1 1 et w om e c h a n i s m sc a l lb e e x p r e s s e da sf o l l o w i n g ：t h eo b j e c tm o d e lc a nb ed i v i d e di n t os e v e r a lc o m p o n e n t s a n de a c hc o m p o n e n ti sr e n d e r e db ys e v e r a lr e n d e r e r s ，a n dt h er e n d e r i n gr e s u l t sa l e f i n a l l yc o m p o s e d s i l h o u e t t er e n d e r e r , c o l o rr e n d e r e ra n dm a n yo t h e rr e n d e r e r sa r e p r o p o s e dt os i m u l a t ev a r i o u sc o m p o s i t i o ns k i l l si nc h i n e s ep a i n t i n g t h es t r o k e - b a s e d r e n d e r e r sm u s tb ed r a w nb yv i r t u a ih a i r b r u s h , w h i c hi sc o m p o s e do f b r u s hm o d e ia n d b r u s h s t v l em o d e l t h es t r o k ei sd r a w nb yt h eb r u s hm o d e lw h i c hi sc o n t r o l l e db yt h e b r u s h - s t y l em o d e l i no r d e rt os i m u l a t i o nt h ed i f l u s i o ne 任b c to fc h i n e s ep a i n t i n g ap h y s i c a lp a r i e l m o d e la n dd i f l u s i o ns i m u l a t i o nm o d e li sa d o p t e dt ot a k et h ed i f f u s i n gt a s k i no r d e rt os i m u l a t et h ec o l o r e dc h i n e s ep a i n t i n g ，p a r t i c l e s ( i n c l u d i n gi n kp a t t i c l e ， p i g m e n tp a r t i c l ea n dw a t e rp a r t i c l e ) a r et a k e na st h em i d d l er e s u l to fr e n d e r i n ga n d d i f h l s i n g s oac o l o rm o d e li sp u tf o r w a r dt oc o n v e r tt h em i d d l er e s u l tt of i n a ld i s p l a y t h ec o l o rm o d e li sb a s e do nk mc o l o rm o d e l 叻ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a to u rm o d e lh a ss u c c e s s f u l l yr e a l i z e dc h i n e s e i n k - w a s hp a i n t i n gs t y l e dr e n d e r i n go f3 dm o d e l s ，t h ev a r i o u sb r u s hs t y l e s ，i n ks t y l e s ， c o l o rs t y l e sa n dc o m p o s i t i o ns k i l l s af l e x i b l ea n dc o n f i g u r a b l er e n d e r i n gh a sb e e n a c h i e v e d k e y w o r d s ：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 ，s i m u l a t i o no fc h i n e s e i n k - w a s h p a i n t i n g ，r e n d e r i n go f3 dm o d e l s ，i n kd i f f u s i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：拗： 签字日期： 汐以年月弦日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解吞盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：，余夷式 签字日期：弘形年7 , - 月以e l 导师签名：撕 签字日期：矽以年2 月药e t 第一章前言 1 1 研究背景和意义 第一章前言 随着计算机图形学技术的飞速发展，传统真实感渲染技术日趋成熟并标准 化，于是非真实感渲染研究( n p r ) 逐渐成为国内外图形学研究的焦点。在非真 实感渲染研究中，对传统绘画艺术的仿真无疑是最具吸引力和最具挑战性的课题 之一，在吸取传统绘画艺术的营养、泓扬传统绘画艺术成就的同时，对计算机图 形学和计算机仿真技术提出了新的要求。鉴于传统绘画艺术自身的魅力以及计算 机艺术的科学与艺术双重性，艺术效果的计算机模拟生成已经超出了科学仿真的 一般意义。 到目前为止，针对油画、水彩画等西画艺术系的仿真研究已经取得了卓越的 成果，无论在2 d 交互式绘画、2 d 图像的计算机艺术处理，还是在3 d 非真实感 渲染研究领域都逐渐形成了一些主流的、通用的技术标准和解决方案。对于东方 画系的中国水墨画，由于其成画机理的复杂性及艺术效果的特殊性给研究带来很 大的难度和挑战，基本停留在2 d 图像仿真范围内，至于3 d 水墨渲染领域鲜有人 涉足。近年来，随着研究的深入与仿真技术的逐步成熟，涌现出一大批有一定规 模的研究组织并取碍了不少令人欣喜的成果，水墨画仿真模型体系也日趋完善起 来，这些都为3 d 水墨渲染技术的研究创造了条件。 对中国水墨画3 d 渲染技术的研究，无论在艺术还是科学方面，都有着深远 的意义及广泛的应用前景： 首先，在三维空间中运用3 d 强大的表现力来创建三维水墨形象，从而创造 出丰富多彩的水墨虚拟世界，表现出传统水墨画所不能创建的运动空间，这继承 和超越了传统水墨画的审美理论及“写意抒情”的美学思想，更为广泛的表现和 传播了水墨画的美学成就，对中国水墨画的变革和发展有着积极意义。 。 其次，3 d 水墨渲染拓展了3 d 表现语言，对于3 d 建模及渲染领域来说是一 个不小的突破。3 d 水墨画渲染技术研究对于引导水墨画仿真研究向3 d 渲染领域 进军、丰富图形渲染领域的处理手段、推动计算机仿真技术的发展、推动非真实 感渲染技术研究的发展乃至推动计算机图形学的发展都能起到积极作用。 第三，3 d 水墨画渲染技术的研究成果在电影艺术，动画制作、非真实感全 景巡游、3 d 虚拟游戏等方面都有着极为广泛的应用前景，从而使水墨画艺术的 视觉感，或者说表达事物的符号得以引入3 d 影视及各种媒体，让不易在2 d 里表 现出来的水墨动画比较容易和高效地表达出来。 l 一 第一章前言 1 2 研究内容 真实感绘制的目的是使绘制出来的图像看上去与真实照片没有任何区别，而 非真实感渲染，亦称为风格绘制( s t y l i s t i cr e n d e r i n g ) ，与追求完全的真实 感相反，它的主要目的是将某个对象以简洁、含蓄、带有美学特征的方式借助计 算机表现出来。为了解决如何将3 d 模型以带有国画美学特征的形式表现出来的 问题，3 d 水墨渲染的( 也即本文的) 主要研究内容包括： 1 特征信息的提取。 传统3 d 渲染是通过光照计算来渲染物体的，而艺术演染则是以物体的三维 的图形信息为依据，使用各种风格的笔道在二维空间绘制物体的。所以3 d 水墨 渲染的第一步就是通过三维观察变换提取有用的二维投影数据，它们是渲染绘制 的主要对象，包括轮廓及边界、法向量投影图( n o r m a lm a p ) 、物体表面的斜率投 影图( s l o pm a p ) 、物体的深度图( d e p t hm a p ) 等等。根据水墨画创作的特点，提 取详尽而有效的特征信息是进行渲染的基础，也是影响最终渲染效果的最直接的 因素。 2 体现水墨画风格的渲染方法 如何让渲染的效果体现出国画中特殊的构图技法，多种多样的笔法和墨法， 甚至变化万千的用色技法? 首先，总结和借鉴传统3 d 渲染流水线和经典3 d 非真实感渲染模式的算法和 特点，以水墨画的本质为依据，设计出能够体现水墨画风格效果的渲染流水线和 渲染模型。 其次，借鉴非真实感渲染中“风格化绘制”，分析提取水墨画构图技法的关 键特征，设计有水墨画特色的基于笔道的渲染机制。 再次，分析提取和模拟实现水墨画典型笔法，并总结提取这些笔法的规律和 本质，研究和设计笔和笔法的模型，以解决基于笔道的绘制。 最后，研究渲染过程中的用色问题。分析国画颜料的独特的视觉效果的起因 以及国画中用色的技巧，提出解决实现设色水墨效果渲染的方法，并建立水墨画 色彩模型以解决国画色的显示问题。 3 扩散效果仿真 扩散效果是水墨画的主要效果之一，扩散仿真研究也已有很多出色的成果， 这部分的研究不是本文的重点。不过，本文需要研究如何将扩散模型整合到渲染 模型中。 2 - 第章前言 1 3 研究路线及创新 以传统真实感渲染理论为指导，借鉴国内外许多非真实感渲染研究的成果， 本文提出了一套新颖的、从水墨画本质着眼的、具有极大灵活性和可扩展性的 3 d 水墨渲染模型。该模型以充分体现中国水墨画创作中“整体布局、层层复加” 的构图技法的多层渲染机制为核心，使用由笔模型和笔法模型构成的笔道绘制模 型来仿真笔法，使用物理扩散模型来仿真墨法，在渲染流程中全面模拟真实水墨 画创作的过程，以期达到自然逼真的水墨画风格艺术渲染效果。 该渲染模型包括四大模块：特征信息提取、多层渲染模型、扩散模型和颜色 模型，其中多层渲染模型是本文研究的重点，它包括基于组件的渲染机制、多层 渲染机制、笔模型和笔法模型。3 d 水墨渲染模型的创新之处主要体现在以下几 个方面： 第、将非真实感渲染中基于轮廓的渲染方法拓展为基于特征信息的渲染方 法，并指出了水墨画风格渲染中的特征信息。 第二、创新地提出了基于组件的渲染和多层渲染机制，以模拟真实水墨画创 作技法为实现永墨风格渲染的根本途径和核心思路。 第三、将笔和笔法分离，更能灵活地仿真真实水墨画中千变万化的笔法效果， 且构建了一个可扩展的笔道绘制模型。 第四、为了仿真设色水墨以及实现仿真扩散，提出以粒子( 包含墨粒子、颜 料粒子和水粒子) 作为渲染绘制的中间结果，使用水墨画颜色模型将中间结果转 化为最终显示。 1 4 本文结构 本文的整体结构如下： 第一章介绍了论文的研究背景和意义、本文的主要研究内容、创新点及论文 的结构。 第二章首先从绘画材料的角度分析了国画的艺术特征，并介绍了水墨画仿真 的研究现状和主要成果；然后介绍了非真实感渲染在2 d 和3 d 领域的研究现状； 最后分析了3 d 水墨渲染的研究现状。 第三章介绍本文的主要研究路线和思想。首先从分析传统3 d 渲染流水线和 3 d 非真实感渲染一般模式入手，提出了3 d 水墨渲染的流水线；然后逐个阐述 3 d 水墨渲染模型的各个部分：第一部分阐述包括轮廓线、纹理线、轮廓中心线 和国画色信息的特征信息提取算法；第二部分阐述基于组件的渲染和多层渲染机 制，以及几个典型的渲染器的渲染方法；第三部分阐述笔模型和笔法模型的基本 - 3 - 第一章前言 原理以及用于实现基于笔道的绘制的方法；第四部分简要介绍基于物理纸模型和 扩散模型的扩散仿真方法：第五部分阐述了基于k m 理论的水墨画颜色模型及 其在3 d 水墨渲染中的应用。 第四章介绍了实验设计和实现：主要列举了实验系统的逻辑设计结构，包括 渲染子系统、绘图子系统和扩散子系统的逻辑结构。 第五章首先针对各个仿真目标，演示和分析3 d 水墨渲染系统的渲染能力和 渲染效果，然后分析了它的运行效率，最后给出了一系列综合效果图。 第六章是结论与展望。 - 4 - 第二章3 d 水墨及相关研究现状 第二章3 d 水墨及相关研究现状 中国水墨画源远流长，有着朴素抽象、富于暗示的画风，独特而鲜明的艺术 特点，可以说是东方艺术的象征，中华文化的瑰宝。随着计算机的出现和飞速发 展，科学和艺术的融合逐渐成为现代艺术发展的趋势，于是数字艺术和传统绘画 艺术的结合提上了日程，艺术仿真研究蓬勃兴起。然而，水墨画因其绘画材料的 特殊性以及绘画技法的多样性，其仿真研究要滞后西方艺术仿真研究很多。近十 几年来，随着传统3 d 计算机图形渲染引擎研究的发展和成熟，基于3 d 模型的 n p r 渲染研究在西方艺术仿真领域可谓硕果累累。可是作为东方艺术流的代表， 水墨画在3 d 渲染领域还仍处于萌芽状态。如何借鉴西方艺术仿真研究成果，针 对水墨画独特的艺术特点，提出有国画艺术风格的3 d 渲染框架，引导中国水墨 画仿真研究进一步走向成熟，赶上西画仿真研究的步伐，成为国内研究领域需要 迫切解决的问题。这正是本文的研究内容。 2 1 国画艺术与计算机仿真 中国水墨画，简称“国画”，我国传统造型艺术之一，在世界美术领域中自 成体系。大致可分为：人物，山水、界画、花卉、瓜果、翎毛、走兽、虫鱼等画 科；有工笔、写意、钩勒、设色、水墨等技法形式，设色又可分为金碧、大小青 绿，没骨、泼彩、淡彩、浅绛等几种。主要运用线条和墨色的变化，以钩、皴、 点、染，浓、淡、干、湿，阴、阳、向、背，虚、实、疏、密和留白等表现手法， 来描绘物象与经营位置；取景布局，视野宽广，不拘泥于焦点透视。有壁画、屏 幛、卷轴、册页、扇面等画幅形式，辅以传统的装裱工艺装璜之。人物画从晚周 至汉魏、六朝渐趋成熟。山水、花卉、鸟兽画等至隋唐之际始独立形成画科。五 代、两宋流派竞出，水墨画随之盛行，山水画蔚成大科。文人画在宋代已有发展， 而至元代大兴，画风趋向写意；明清和近代续有发展，日益侧重达意畅神。在魏 晋、南北朝、唐代和明清等时期，先后受到佛教艺术和西方绘画艺术的影响。中 国画强调“外师造化，中得心源”，要求“意存笔先，画尽意在”，强调融化物我， g , j 带j j 意境，达到以形写神，形神兼备，气韵生动。下面是一幅毕晋吉的争春图， 从中可以看出水墨画独特的线条和墨色变化。 + 第二章3 d 水墨及相关研究现状 图2 1 毕晋吉的争春图 对水墨画的仿真方法大致趋向两类：基于艺术效果分解的方法和基于物理模 型的方法。 中国水墨画的特殊性主要体现在其绘画材料的特殊性和绘画技法的多样性 第二章3 d 水墨及相关研究现状 上，基于物理的仿真方法正是从模拟各种绘画材料特性入手，用计算机仿真模型 ( 如笔模型、纸模型和扩散模型) 去模拟这些绘画材料的物理运作机理，从而达 到仿真水墨画的目的的。物理仿真方法是实践证明了的达到仿真水墨画艺术的最 直接也是最有效的方法。 2 1 ，1 国画材料与物理仿真方法 中国水墨画，简称“国画”，在世界美术领域内自成体系。“文房四宝”讲的 就是水墨画的绘画材料，包括笔、墨、纸、砚。除此之外，水墨画还使用石青、 石绿、赭石、朱砂、藤黄、胭脂，花青等国画颜料。特殊的绘画材料是水墨画中 各种特殊视觉效果形成的客观的原因。 2 1 1 1 笔 毛笔，是中国水墨画专用的工具，是“文房四宝”之首。柔软而有弹性的毛 笔，奇诡万状，富有意想不到的表现力。我国独有的毛笔，软中见刚，运动幅度 大，起伏节奏强，能表现线，亦能表现面，粗燥、平滑、坚硬、柔轻的物体质感 都可从笔端流出。正是这具有魔力的毛笔在画家手上成功地描绘出峻秀的山石， 坚劲的枝干，漂渺的烟云，达到生机盎然的艺术美感。 毛笔的分类 个备必备振的零 毛笔是用兽毛加工成笔头，配上笔杆 制作而成。毛笔的性能总的来说是柔中有 刚，刚柔兼备。不同制作的笔性能又略有 区别。 笔毛的原料质地直接影响着笔迹的形 状和洇水的参数，按质地可以将其分为三 类：一类是硬毫笔，用弹力较强的兽毛制 成，其代表是用黄鼠狼制作的狼毫笔，用 深紫色野兔毛制作的紫毫笔，此外还有用鼠须、鹿毛、猪鬃等材料等制成的硬毫 笔。第二类是软毫笔，用弹性较差的禽兽毛制成，其代表是用羊毛制作的羊毫笔， 此外还有用鸡毛、鸭毛等制作的软毫笔。软毫笔性能柔软，蓄水性强，含墨量大， 书写时易得血肉。米点山水与泼墨山水常用羊毫，能收到笔酣墨饱、水墨淋漓的 效果。第三类是兼毫笔，用软硬两种不同材料合制而成，硬毫为柱，软毫为被， 性能介于刚柔之间。合成比例不同，性能也显示出轻微的差异。 另外，根据笔锋的长短，毛笔可以分为“长锋”、“中锋”、“短锋”。长锋笔 - - 7 - 第二章3 d 水墨及相关研究现状 贮墨多，锋腹肉；短锋笔贮墨少，锋腹刚；中锋笔则介于二者之间。根据笔的大 小，毛笔还可以分为小楷笔、中楷笔、大楷笔，再大的有对笔、提笔、楂笔，比 小楷还小的笔是圭笔。不管何种种类的笔，都要求笔杆直，笔锋尖，笔头饱满里 圆锥状，笔毛整齐而有弹性。水墨画的艺术效果最根本还在于人的用笔技巧，即 对毛笔的控制能力。能力强，软笔也可以画出刚劲的笔道；能力差，硬笔也难免 画的软弱无力。 毛笔的用法 水墨画中笔法多变，也是一大特色，中锋、逆锋、侧锋、拖锋、散笔等等， 光皴法就不下十几种，斧劈皴、雨点皴、披麻皴、如此种种。运笔施墨时，由于 疾徐( 速度) 、提按( 力度) 、中偏( 角度) 、顺逆( 向度) 、浓淡( 色度) 、枯润 ( 湿度) 等因素的参与，可以发生更丰富的变化，形成更多层次的组合交响。中 国水墨画，正是依靠了毛笔运动的灵活多变和水墨的丰富性，留下斑斑迹相，在 纸面上形成有艺术意味的黑白构成。水墨画线条主要是靠运笔完成的，运笔变化 会造成不同形质的线条。下面是几种主要的笔法： 中锋运笔n 鹏 图2 - 2 中锋与侧锋示意图 1 中锋与侧锋：这是指行笔时笔锋在笔画中所处位置的技巧。中锋，又称 正锋，就是笔锋在运行过程中始终居于正中。侧锋，又称偏锋，即运笔时笔锋偏 向笔画的一侧。中锋写出的笔画丰腴圆润，富有立体感，使人感到充实刚劲。侧 锋写出的笔画轻盈峻峭，给人洒脱劲秀的感觉，令人舒气爽神。 2 藏锋和露锋：主要指点画两端的运笔技巧。藏锋就是指将笔锋藏敛于笔 画之内，不使外露：而露锋则有意令笔锋外露。藏锋的运笔方法是：起笔用逆入， 转而顺行，收笔回锋。露锋的运笔方法是：起笔斜入或直入顺行，收笔不用回锋， 顺行直至点画末端。 3 转锋与折锋：这是行笔过程中方向改变的技巧。转锋的方法是：行笔至 转弯处，不停不顿，转动笔杆，令笔锋改变方向，并始终居中运行。折锋的方法 是：行笔需转折时，笔锋稍做停顿，先提后按，不转笔杆，改变原来方向，完成 后部分笔画。俗谓：“转以成圆，折以成方。”转锋写出的笔画圆润清秀，在书法 中多用于篆书、行草等，给人的感觉是柔韧、秀美。折锋写出的笔画棱角分明， 第二章3 d 水墨及相关研究现状 多用于隶书和楷书，给人的感觉是苍劲、峭拔。根据书画本身需要及个人艺术风 格特点，二者结合运用，可以收到刚柔相济的效果。 4 提笔与按笔：这是指运笔时笔锋上下用力变化的技巧。提笔就是笔锋微 微向上提起，但不离纸面，着纸面由多到少，是逐渐减力的过程。按笔就是将笔 锋用力下按，着纸面由少到多，力量也由轻逐渐价重。重按为“顿”，按后有转 为“挫”。提按是避免平均用力的重要手段，可以增加线条的粗细、轻重变化， 使其形态丰富，节奏鲜明，从而产生感人的审美效果。 5 疾笔与涩笔：这是指运笔时笔锋行进速度变化的技巧。疾笔又称速笔， 涩笔又称迟笔，但又不是简单的迟速问题，它们是富有弹力的笔锋与一定渗透力 的纸面摩擦时有意追求的艺术效果，以丰富线条的形态和神韵，并与内心要抒发 的性情相适应。 图2 - 3 毛笔的若干用法效果图 2 1 1 2 墨 墨在中国绘画中占有独特的地位，墨有固体墨与液体墨两种。固体墨因其所 用原料不同，又分为油烟、漆烟和松烟三种。一般作画多用油烟墨与漆烟墨。松 烟墨无光泽、色调偏暖，适于写字。墨乃是中国画的主要用品，它没有腐蚀性， 具有很强的凝聚附着能力。液体墨一般保持了油墨的特点，用于意笔画为宜，工 笔画略差。 墨分五色 国画传统上有墨分五色之说：“运墨内五色具”。主要是说明墨的从浓到谈有 五个色阶的差别。五色可用“焦、浓、重、淡、清”概括，含水量依次增多，应 用到不同的墨量上，对比的画，就有“千裂秋风，润含春雨”的效果。需要强调 的是：墨的变化实际上就是水的变化，墨的干湿度也就是水的干湿。 在对墨的仿真中，不用对固体墨和液体墨的单独仿真，而直接把墨粒子化， 并且赋予几种属性，如粗糙度，颜色深度等。同时加入一定量的水粒子，混合后 再模拟它们在纸结构中的流动。 墨法 与笔法比较起来，墨法更为复杂。墨法讲求皴、擦、点、染交互为用，干、 第二章3 d 水墨及相关研究现状 湿、浓、淡合理调配，以塑造型体，烘染气氛。一般说来，中国画的用墨之妙， 在于浓淡相生，全浓全淡都没有精神，必须有浓有淡，浓处须精彩而不滞，淡处 须灵秀而不晦。用墨亦如用色，古有墨分五彩之经验，亦有惜墨如金的画风。用 墨还要有浓淡相生相融，做到浓中有淡，淡中有浓；浓要有最浓与次浓，淡要有 稍谈与更淡，这都是中国画的灵活用墨之法。王维所作的山水决中说：“夫 画道之中，水墨最为上，肇自然之性，成造化之功”。 尽管墨法如此复杂，但可归结为水墨在纸上发生的两种现象：单笔扩散和多 笔叠加。纸不同，每笔中的水墨含量不同，可以形成千差万别的墨法效果。水墨 画中各种各样精彩的墨法，都可以抽象成特定的扩散和叠加现象。 2 1 1 3 国画色 国画色的分类 1 石色：石色是矿石制成，有赭石、朱砂、石青、石绿、雄黄、石黄等。 2 植物色：有藤黄、胭脂，花青等色。 设色水墨按颜色又可分为金碧、大小青绿，没骨、泼彩、淡彩、浅绛等几种。 用色 中国绘画历来都十分讲究色彩的运用，南齐的谢赫，在古画品录中将” 随类赋彩”作为”六法”之一。这以物象的种类不同面赋以不同色彩的理论，便是 中国画用色的基础。 中国画讲究”随类赋彩”的同时，还十分重视空间环境对物象的影响，随着空 间环境对物象的影响，随着空间环境的变化，物象的色彩也会随之发生变化。南 北朝时的萧绎对这一现象曾作过仔细的观察，在山水松石格中谈到：“秋毛 科骨，夏荫春英，炎绯寒碧，暖日凉星。”这是我国最早说明季节、气候的不同， 所以起的物象色彩的变化，特别是冷暖色调的变化。宋代郭熙的林泉高致中 则概括了季节的变化对水色和天色的影响：“水色：春绿，夏碧，秋青，科黑： 天色：春晃，夏苍、秋净，科黯。”清代的唐岱绘事发微引用郭熙的话，更 是形容得有声有色：“山有四时之色，风雨晦明，变更不一，非着色以像其貌。 所谓春山艳冶面如笑，夏山苍翠而如滴，秋山明净而如淡，冬山惨淡而如睡，此 四时之气也。” 2 1 1 4 纸 中国画用纸主要是宣纸、皮纸和绢。宣纸又分为生宣纸、熟宣纸两种。生宣 渗化速度快。熟宣纸是将生宣纸用适当的胶矾水刷制而成，不吸收水份。皮纸性 能与生宣纸相似，纸质坚，经得起拖，但不易留笔痕，色易灰暗。绢为丝制品， 有生绢和熟绢两种。熟绢上过胶矾，性能近似生宣，但不“发墨”也不易“定笔”。 第二章3 d 水墨及相关研究现状 下面给出了5 0 0 倍显微镜下的宣纸纤维结构图( 如图2 _ 4 ) ，图中白色的为纸 纤维，黑色的为空隙。不同的纸纤维结构对水墨扩散有着不同的影响( 如图2 5 ) 。 另外，纸的纹理也会对最终效果造成影响。 铆嘲衲 图2 4 纸的显微结构图2 - 5 不同的纸纤维结构对扩散效果的影 所以，纸和水墨扩散有紧密联系的。因为不同的纸质，具有不同的纤维结构 以及粘水性、粘墨性，直接影响了水墨扩散的效果。另外，纸的纹理也会影响扩 散。 2 1 1 5 物理仿真方法 基于物理模型的仿真从水墨画成画机理出发，以毛笔、纸、墨为主要研究对 象，通过对这三个主要绘图工具和材料的建模，模拟其固有的物理属性和动态交 互行为，从而进行仿真。 笔模型的研究比较早，很多研究人员一开始就想到了从仿真毛笔的行为着手 去研究水墨画的仿真。1 9 8 6 年s t r a s s 1 首先一维笔模型。1 9 9 9 年l e e 2 提出了 三维笔刷模型模拟有弹性的毛笔笔头。2 0 0 0 年w o n g 4 贝l j 提出将笔头视为倒置的 圆锥体，将笔道视为纸平面与锥体相交而成的椭圆面的“脚印”( f o o t p t i n t ) 。2 0 0 1 年b a x t e r 5 也给出了一个交互式的3 d 虚拟毛笔模型。2 0 0 2 年c h a n 6 n 提出一 个二维的笔模型，他将笔头分割成多个大小相同的方格区域，每个方格有一根笔 毛。2 0 0 2 年徐颂华【7 】提出笔元的概念。2 0 0 2 年c h u e 8 提出将毛笔分成几何模型、 动态模型和水墨传输模型三部分来分别研究，并提出了一个基于能量最小化原理 的3 d 毛笔模型，很好的模拟了毛笔与纸接触时的扁平效果和笔毛分散效果。2 0 0 5 年，孙美君 5 0 】在前者的基础上提出了3 d 虚拟笔模型，将物理模型与经验模型 相结合，成功地模拟了毛笔的一般形变和分叉效果。 纸模型的研究则源于1 9 9 1 年g u o 和k t m i i 9 ，1 0 】提出了第一个2 d 纤维结 构的纸模型。1 9 9 7 年c u r t i s 【1 1 提出了一个简单的分层的纸张模型用来仿真水彩 绘画。1 9 9 9 年l e e 2 ，3 】改进了k u n i i 的纸模型，使用正方形区域划分，并使用 s i n 曲线来模拟纤维束。然而这些纸模型都有几个根本性的缺陷：首先，为了模 拟宣纸纤维分布的随机性和无规律性，它牺牲了巨大的计算量去计算纤维的交点 第二章3 d 水墨及相关研究现状 数；其次，他们所提出的纸模型都以固定大小的“区域矩阵”( l e e 的纸模型中 为“方格矩阵”) 为扩散过程中粒子的承载单位，这势必造成扩散区域的过于规 则平滑和扩散边界的走样；再次，它没有考虑不同种类的宣纸对扩散效果的影响， 是一个不可控的纸模型；最后，它也没有考虑到如何表现纸纹理的问题。后来 2 0 0 2 年y o u n g 【1 2 提出纸的三个功能层模型，这种功能的划分则十分值得借鉴。 对墨法的仿真基本集中在对于墨扩散的仿真研究上。扩散在水墨画效果生成 过程中起到了非常重要的作用，关于扩散模型的研究成果相对较多。1 9 9 5 年k u n i i e ta 1 1 3 】提出了一个多维的扩散模型来描述在纸张表面的复杂扩散现象，并对水 墨笔道边界所产生的黑边效果比较完善的解释。1 9 9 9 年z h a n ge t a l 1 4 】提出了 一种关于水和墨粒子的动作模型，它是基于一种纸元的自动计算模型( 即协n k s 模型) 。1 9 9 9 年l e e 【2 ，3 】发展了一种波形规则( “w a v e s c h e m a ) 来表现墨粒子是如 何流动并通过一个纤维网格的，扩散被认为是来源于笔道的边界点，这过程类似 于当一个石头被扔到湖中时会制造出不断向外扩散的环形水波一样。2 0 0 2 年y u e ta 1 【1 2 提出了一种局部平衡模型( l e m ) ，可以用来确定每个时间片纸张细胞的 状态。2 0 0 5 年，白海飞【5 l 】提出以“浓度差”为原动力的粒子扩散方程，并将墨 扩散分为动水墨扩散和静水墨扩散，充分考虑水扩散对墨扩散的推进和制约作 用，建立了一套水墨扩散机制。同年8 月，n e l s o nc h u 1 5 提出了使用基于 l b e ( l a t t i c eb o l t z m a n ne q u a t i o n ) 的流体仿真方法来模拟水墨扩散。 2 1 2 基于艺术效果分解的仿真方法 所谓效果分解，就是以一种逻辑、虚拟的离散步骤来解释和描述正常、真实 的连续绘画过程。效果分解在早期的西画仿真研究中曾普遍使用，其合理性是不 言而喻的。考虑对所有因素进行真实模拟是不可能的，所以将水墨画的各种艺术 特征进行抽象和划分，针对不同的艺术效果采用不同的算法，从而为3 d 水墨渲 染研究的展开打下基础。 以作者所在水墨画仿真课题组为代表的基于艺术效果分解的水墨画仿真研 究中，w a n g 4 2 首先分析了中国水墨画各组成要素的材料特性及相互作用关系， 总结出水墨画的笔法、墨法特征。q i 4 3 和s h i 4 4 模拟了水墨画的基本扩散效果， 并提出应用粒子系统模拟水墨画的动态扩散过程。z h a n g 4 5 】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，提出应用分形模拟不 规则扩散轮廓。l i 4 6 建立2 d 画笔模型，通过对毛笔行为的仿真模拟，能够实 时、交互地生成水墨画的中锋、侧锋等效果，并实现了焦、浓、重、淡、清的墨 色效果。2 0 0 3 年b a i 4 7 提出纹理映射法仿真“干笔飞白”效果。为了实现山水 画的模拟，w a n g 4 8 和s u n 4 9 分别提出基于“l 形邻域匹配搜索算法”的图像 第二章3 d 水墨及相关研究现状 类比及纹理合成技术来进行仿真。 各种水墨画仿真算法几乎涵盖了水墨画各种典型艺术效果的模拟生成，构建 出一个相对完善的水墨画仿真模型体系，成为3 d 水墨渲染研究的基础。 2 2 非真实感渲染研究现状 2 2 12 d 西画艺术仿真 非真实感研究起源于早期2 d 交互式系统的开发，比如q u a n t e lp a i n t b o x ，它 们提供一些艺术画笔供用户使用。之后随着研究的进一步发展，逐渐形成两个不 同的领域：2 d 交互式绘画系统研究和图像艺术处理研究。 2 d 交互式绘画系统主要研究一些笔刷模型、画布模型和笔道模型，以供用 户作画时使用。这些年来，国内外研究人员们在这方面的研究成果可谓数不胜数， 针对各种艺术提出了很多仿真模型，也开发了许多交互式系统。比如在仿真钢笔 画方面，s a l i s b u r y 1 6 提出的用参数化钢笔笔道来合成笔道纹理；水彩画方面， c u r t i s 1 1 开发了一种流体仿真模型用来生成水彩画；s c h o f i e l d 1 7 ，1 8 】等人还开 发了一个绘画系统：p i r a n e s ip a i n t i n gs y s t e m 。另外，近年来一些知名的绘图软件 如p h o t o s h o p 、p a i n t e r 等也提供各种艺术笔头和艺术滤镜，都属于该领域研究的 成果。 图像艺术处理则主要研究对原始图像进行艺术处理，以合成各种绘画效果的 图像，这方面的研究成果也不少。比如l i t w i n o w i c z 1 9 从真实图像( 视频) 自动 生成手绘 ( h a n d - p a i n t e d ) ；h e r t z m a n n 2 0 使用样条笔席l j ( s p l i n eb r u s hs t r o k e s ) 自动 绘制手绘图。 2 2 23 d 艺术渲染 传统3 d 计算机图形渲染引擎研究的发展和成熟，给3 d 非真实感渲染技术提 供了基石。3 d 非真实感渲染又可根据其应用划分为两类：一是实时n p r 算法， 主要应用于n p r 场景巡游；另一个是3 0n p r 预渲染，主要应用于n p r 动画的制 作。不过这两类有很多相通之处，研究人员大都致力于共同的关键技术的研究。 这方面的研究有：w i n k e n b a c h 2 1 ，2 2 的3 d 钢笔画艺术渲染，g o o c h 2 3 ，2 4 发明的n p r 光照模型，m a r k o s i a n 2 5 提出的实时n p r 渲染技术，t e e c e 2 6 ，2 7 以及r o b e r ta n dl e e 2 8 分别提出的直接在3 d 物体上作画的方法，n i c k 2 9 提出的用于3 dn p r 动画开发、编程和设计的通用的渲染系统一o p e n n p a r ，等等。 第二章3 d 水墨及相关研究现状 2 33 d 水墨渲染研究现状 对于东方画系的中国水墨画，由于其成画机理的复杂性及艺术效果的特殊性 给研究带来很大的难度和挑战，所以基本还停留在2 d 图像仿真范围内，至于3 d 水墨渲染领域才刚刚起步。2 0 0 2 年d e r - l o rw a y 3 0 结合纹理合成法渲染3 d 树， 他在论文中主要描述了基于概率模型的纹理合成来合成树纹理的方法，3 d 渲染 部分则是沿用传统3 dn p r 渲染框架。同年菜俊绰 3 1 在他的论文中介绍了自动 渲染3 d 动物模型的方法，但是他的渲染流程也是照搬通用3 dn p r 渲染的框