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文档简介

摘要 近年来,模拟某种艺术风格的非真实感绘制技术的发展丌始逐渐受到人们 的关注并已成为非真实感图形学的研究热点之。然而,非真实感绘制作为一 个新的研究领域,特别题鼙前其度量标准的不确定性,使得该研究领域在很多 方淄还处于不断发展之中。在用计算机进行j # 真实感绘嘲的模拟过程中获得场 景的基本明暗色调是必须要解决的阀题,如果把画家对明暗调子的“知识”存入 计算机,固然是一条路子,但构建个足够充分的知识库和相应的推理机制也 是非常困难的件事情。事实上,在用计算机模拟绘画的过程中,对色调的组 织无需像摄取照片那样精确的获得每一像素的明暗色调,只要求对整个场景以 及场景中豹客体与客体闻的明暗色调给以总体的把握即可。 掘此,本文对非真实感绘制技术进行了研究,提出了一种基于色调提取和 笔触模式的非真实感绘制方法,实现了模拟油画和铅笔素描画风格的非真实感 绘制。仓q 新性工作体现在以下几个方面:( 1 ) 通过基于小平面“提取器”的客体遮 挡信息提取方法获得场景中一个客体被其余客体遮挡的遮挡明暗信息:( 2 ) 分别 建茳了模拟油涵和铅笔素描画的笔触模型,其中模拟油域的笔触模型包括小平 面笔触和小球笔触等;模拟铅笔素描画的笔触则根据铅笔素揣画的特点,将其 分为怪线笔触、横线笔触和弧线笔触三种;( 3 ) 根掘绘画的特点,建立了基于划 分区域、预先保存送域内笔触绘制样本的笔触绘制模式,大大提高了绘制速度; ( 莲) 在翦适工作豹基础上,给出了菲真实感绘制油露和铅笔素描画的绘制过程。 所提出的方法为模拟绘画的非真感绘制方法探索了一条瓤的途径,所提出 的方法根据建立的绘制模型在3 d 场景中生成具有明暗效果的油画和素描铅笔 画风格的非真实感图像,该方法结构简堆、计算速度快,同时对绘制客体信息 的处理翼有同一性,便进行局部修改。实验结果验证了所提出方法的有效性。 关键词:非真实感绘制;小平面片;色调信息;笔触;绘制模式 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ,t h ed e v e l o p m e n to fn o n p h o t o r e a l i s t i cr e n d e r i n gt e c h n o l o g y w h i c hs i m u l a t e ss o m ea r ts t y l ei sg e t t i n gp e o p l e sa t t e n t i o na n db e c o m i n gah o ts p o t o fn o n p h o t o r e a l i s t i cg r a p h i c s h o w e v e r , a san e wr e s e a r c h f i e l d ,e s p e c i a l l y b e c a u s eo ft h eu n c e r t a i n t yo fj u d g m e n t ,n o n p h o t o r e a l i s t i ci ss t i l l d e v e l o p i n gi n m a n ya s p e c t s 。t oo b t a i nt h eb a s i cl i g h ta n ds h a d eh u eo fs c e n ei nn o n p h o t o r e a l i s t i c r e n d e r i n gw i t hc o m p u t e rm u s tb es o l v e d ,a l t h o u g hw ec o u l ds t o r et h el i g h ta n ds h a d e h u ea s “k n o w l e d g e ”i n t oc o m p u t e r , b u t ,c o n s t r u c t i n ga ne n o u g hs u f f i c i e n tr e p o s i t o r y a n dt h ec o r r e s p o n d i n gi l l a t i o nm e c h a n i s mi sa l s od i f f i c u l t 。i nf a c t , i nt h ec o u r s eo f p a i n t i n gc h a r c o a ld r a w i n g ,t h es e t u po fh u ei sn o tn e e dt oa c c u r a t e l yo b t a i ne v e r y p i x e l sl i g h ta n ds h a d eh u el i k es h o o t i n gp h o t o s ,o n l yg r a s p i n gt h eo v e r a l ll i g h ta n d s h a d eh u eo ft h es c e n ea n do b j e c t sb e t w e e no b j e c t si ni ti se n o u g h h e r e b y , t h i sp a p e rr e s e a r c h e so nt h em e t h o do fn o n - p h o t o r e a l i s t i cr e n d e r i n g , a n dp u t sf o r w a r dan 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 t h o do fc h a r c o a l d r a w i n g p a i n t i n gb a s e do nh u e e x t r a c t i o na n db r u s h w o r km o d e i n n o v a t e dw o r k si n c a r n a t ei n s u c ha s p e c t s :( 1 ) o b t a i n i n gt h es h e l t e ri n f o r m a t i o nw h i c ho n eo b j e c ti ss h e l t e r e db y o t h e ro b j e c t si ns c e n e ,b yt h ew a yo fm e t h o do fo b t a i n i n go b j e c t ss h e l t e ri n f o r m a t i o n b a s e do nf a c e t “e x t r a c t o r ;( 2 ) e s t a b l i s h i n gt h eb r u s h w o r km o d ew h i c hs i m u l a t i n g c a n v a sa n dp e n c i lc h a r c o a ld r a w i n g ,h e r et h eb r u s h w o r km o d ew h i c hs i m u l a t e s c a n v a si n c l u d e sf a c e tb r u s h w o r k ,s p h e r u l eb r u s h w o r ka n ds oo n ;c l a s s i l y i n gp e n c i l l i n eb r u s h w o r km o d ei n t ou p r i g h t l i n eb r u s h w o r k ,t r a n s v e r s e l i n eb r u s h w o r ka n d a r c l i n eb r u s h w o r kt h e s et h r e ek i n d sb a s e do n p e n c i l c h a r c o a l d r a w i n g s c h a r a c t e r i s t i c ;( 3 ) c o n s i d e r i n gt h ep e n c i lc h a r c o a ld r a w i n g sc h a r a c t e r i s t i c ,w e e s t a b l i s ht h eb r u s h w o r kp a i n t i n gm o d eb a s e do nb r u s h w o r kp a i n t i n gs w a t c hi nt h e c a r v i n gu pa r e aa n db e f o r e h a n ds a v i n ga r e a , i tc o u l dg r e a t l ye n h a n c et h ep a i n t i n g s p e e d ;( 4 ) b a s e do nt h ef o r m e rw o r k ,w eg i v et h ec o u r s eo ft h es i m u l a t i n gc a n v a st h e p e n c i lc h a r c o a ld r a w i n gp a i n t i n g t h i sm e t h o de x p l o r e san e wa p p r o a c hf o rn o n - p h o t o r e a l i s t i cp e n c i lc h a r c o a l d r a w i n g ;i tc r e a t e sn o n 一曲o t o r e a l i s t i cc a n v a sa n dc h a r c o a ld r a w i n gp e n c i lp a i n t i n g w h i c hh a v el i g h ta n ds h a d ee f f e c ti n3 ds c e n eb a s e do nt h ee s t a b l i s h e dr e n d e r i n g m o d e t h i sm e t h o dc o m p u t e ss i m p l y , t h ep r o c e s st o w a r d st h eo b j e c ti n f o r m a t i o no f p a i n t e dc h a r c o a ld r a w i n gi si d e n t i c a la n de a s yt ol o c a l l ya m e n da tt h es a m et i m e t h ee x p e r i m e n tr e s u l t st e s t i f yt h ev a li d i t yo ft h i sm e t h o d k e yw 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 ;f a c e t ;h u ei n f o r m a t i o n ;b r u s h w o r k ; p a i n t i n gm o d e 模拟绘画的1 r 真实感绘制方法研究 学位论文独创性声明 本人承诺:所呈交的学位论文是本人在导师指导下所取得的研究成果。论 文中除特别加以标注和致谢的地方外,不包含他人和其他机构已经撰写或发表 过的研究成果,其他同志的研究成果对本人的启示和所提供的帮助,均已在论 文中做了明确的声明并表示谢意。 学位论文作者签名:备糖 i 同期:泐萝虹艿 学位论文版权的使用授权书 本学位论文作者完全了解辽宁师范大学有关保留、使用学位论文的规定, 及学校有权保留并向国家有关部门或机构送交复印件或磁盘,允许论文被查阅 和借阅。本文授权辽宁师范大学,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数扼库并进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。保密的学位论文在解密后使用本授权书。 学位沦文作者签名: 强$ l 指导教师签 f 1 模拟绘画的1 卜真实感绘制方法研究 第一章绪论 1 1 图形学绘制及其局限性 人类自很早以来就很重视以图形的方式认知和了解事物,自2 0 世纪6 0 年代 计算机图形学诞生以来,就在计算机科学领域占有重要的地位【1 1 。计算机图形 学的主要目标即为生成能仿效传统照相机效果的图像。当时的计算机图形学的 丌拓者们从一类流行于北美的画风中引入了真实感( p h o t o r e a l i s m ) 一词。真实 感图形绘制技术是计算机图形学绘制技术发展的结果,它的目标是根据几何场 景的造型,材质和光源的分布,将其转变成跟真实场景在视觉效果上非常相似 的图像,使观察者有身临其境的感觉。近年来,随着硬件技术和计算机图形学 的迅猛发展,真实感图形绘制技术取得了举世瞩目的成就,并且在c a d c a m 、 计算机动画、虚拟现实、科学计算可视化等众多领域都有着广泛的应用,为社 会的发展与进步做出了重大的贡献1 2 、5 1 。 用真实感绘制出来的图像精确逼真,符合人们同常中所见,顺应了人们的 视觉习惯,容易被人们轻易的接受。然而,这种逼真的真实感显示效果却存在 着许多不足之处1 6 i 。 首先,就真实感绘制技术本身来说,真实感绘制数据结构复杂、光照等色 调提取时计算量大、对于真实场景与物体的材质、细节的模拟比较困难,操作 员的负担过重,为了产生质量很高的真实感图像,操作员必须输入大量的几何 数据;还需要采用好的剖分方法,恰当地安排光源、视点以及环境布置;对于 图像进行调整和局部的修改都很困难。 另外,照片是瞬j 日j 的凝固,观察的视角也是有限的。这就导致了真实感的 表现形式从传递视觉信息的角度来看,并不是最好的表现方式。因为它包含了 太多的无关细节,而忽略了想要表达的重点信息。比如,在实际应用的工程制 图中,建筑工程师希望要重点突出、简洁明了的徒手绘图,而此时用计算机产 生的真实感图像就显得非常呆板、陈旧;同样在医学上,也习惯于使用手绘插 图而不是照片来做文字的说明,因为医学上的微小的被隐藏的重要部分用真实 感图像不能更清晰的表现出来,这样可能会造成尤法估量的后果:还有,电子 产品的使用说明图、机械设备的维修指南图也都需要简单明了的手绘插图而不 是真实感图像。 最后,从艺术的表现手法来看,真实感绘制过于古板冷酷,过分的追求完 美以至于失去了灵动和感情。艺术的目的是多重的,一幅图像除了对真实的模 模拟绘画的1 r 真实感绘制方法研究 拟之外还应该有许多其他的用途。绘画的生命力在于它的艺术表现力、感染力、 夸张程度,而真实感绘制过于精确的反应现实,缺乏绘画作品的艺术感觉,很 难表达艺术家想要表达的意境。 1 2 非真实感绘制发展的历史 由于真实感图像在很多时候并已不能满足人们的视觉要求,某些真实的物 体用真实感技术得到的效果并不好,因此人们逐渐丌始考虑能否用另一种方式 来实现画面效果。特别是,人类有着很多艺术表现形式的作品,如铅笔画、油 画:以及特定领域,如医学图像等,这显然是真实感技术所不能实现的,于是 非真实感绘制诞生了。 非真实感陶形绘制的发展历史不是很长,从单纯处理图像到利用绘元绘制, 从利用图像技术到利用图形技术,从二维到三维,从仅靠软件实现到现在开始 利用g p u ,从不可交互到可交互,在不断的发展中。参照b e n n a n 【7 j 和t e e c e 【8 1 , 非真实感绘制技术的发展历史可以用图1 1 来表示。 图i in p r 的发展历史 、 从图中可以看出,在发展初期非真实感绘制技术大多在2 d 平面上依靠用户 交互式的实现,并主要集中在简单的划线技术上,女h v e r m e u l e n 和t a n n e r 实现的 铅笔画草图系统1 9 i 。上世纪9 0 年代初,非真实感绘制技术有所发展,产生了一系 列交互式的绘踊系统,如h a e b e r l i 丌发了一个交互式2 d 绘制系统i l o i ,该系统由用 户输入一幅原始图像,再通过用户交互式的操作来改变绘笔的轨迹、颜色和形 模拟绘画的1 r 真实感绘制_ 力法研究 状以达到一定效果。还有,l i t w i n o w i c z 丌发的i n k w e l l 是在节果高级技术组基础 之上发展成的墨水池系统,包括一系列对在定时曲线下的浓密间隔控制点进行 数值滤波的有效工具。此后,某些非真实感绘制技术从2 d 过渡到2 d 2 5 d ,它在 后期处理时通过利用某些附加信息来进行图像处理。血i s a s a d a 的l a n d s c a p e 系统 就是使用了2 5 d 的方法表示树叶和植物束覆盖整个的场景,通过将2 d 的树叶和 植物进行移位、缩放或者旋转到视点处等操作,然后用不同的深度值绘制来表 现出森林等风景。随着非真实感绘制的发展,n r p 的研究重点转移到3 d 图形方 面,它要求人们可以变换视点从不同角度都能够获得非真实感图形。3 dn r p 绘 制由2 d 2 5 d t 乍真实感绘制和3 d 真实感绘制发展而来,比如近期,m i n g t ec h i 和t o n g y e el e e 在2 0 0 6 年实现的s t y l i z e da n da b s t r a c tp a i n t e r l yr e n d e r i n g 系统i , 提出了一种新颖的交互式3 d 程式化、抽象化的美术绘制框架,在这个框架中, 输入的模型首先用3 d 点集柬表示,这些点集被用来构建一个多解限制域层。从 叶节点到根节点,各种范围的区域在l 一纸上被表示成不同尺寸的笔画。限制域 层使用多重区域分割来展丌。这个分割将有相似特征规则的区域汇集为一个有 意义的域层,这些特征包括颜色、位置和曲率。 非真实感绘制很难用定义来说明,其目标是能在形式上指定种可展现绘 画作品的方式,并随之编写生成非真实感绘画作品的计算机程序,这种目标可 以定义为仿效人类手工创作图形能力的一种尝试。该种绘画机制从2 0 世纪9 0 年代丌始受到关注并成为计算机图形学的个研究热点,其中l a n s d o v c n 等于 1 9 9 5 年首次一般性的总结了非真实感绘制中的问题1 12 。,e u r o g r a p h i c s 9 9 和 s i g g r a p h 9 8 均为非真实感绘制这一主题设置了专题。 1 3 非真实感绘制的应用背景 非真实感绘制技术是计算机图形学一个重要的发展,可以实现铅笔画、水 彩画、油画、水墨画等许多艺术效果的图片,并且借助于交互手段可以更加贴 切的模拟各种不同的绘画j x l 格。非真实感绘制技术还在医学数据可视化,动植 物体的三维显示,科学技术插图方面有不错的表现。由于软硬件的不断进步, 动画1 1 3 1 9 】和虚拟漫游系统【2 0 2 5 】的实时绘制依靠非真实感绘制技术可以达到更 好的效果。下面结合图示,展示了几种在不同领域中如何应用非真实感的图形 形式束达到信息交换的目的【1 1 。 - ( 1 ) 科学和医学插图 模拟绘画的1 卜真实感绘制方法研究 科学和医学插图或许是精细程度最高的插图领域。医学书中充满了独特插 图的漂亮样本,其中的一些是如此之好,以至于数十年来一直在医学书中重新 使用。文字变化了,但是些插图却在医科学生问代代相传。如今,科学和医 学插图己从艺术领域中分离出来,成为了科学研究领域,许多大学提供科学插 图或医学插图方面的学位课程。 图1 2 取臼解剖学教科忙的手i :创作的医学插幽实例 图1 2 展示了一幅医学插图,图中使用了不同宽度的线条和不同密度的影线 对不同光照条件进行了编码,并且为编码附加信息而使用的颜色情况,这些都 旨在强调重要信息。 ( 2 ) 技术插图 与科学和医学插图相比,手工技术插图往往较为简单且缺少变化。在技术 插图的领域,人们已经做出了很大的努力来指定标准,现在的工程制图己由 s o 规范予以标准化,现在不仅能由受过训练的绘图员绘制完成,并且可以借助特 殊的软件( c a d 和c a a d ) 来完成。然而,工程插图作为一个领域,不仅仅包 括这些工程制图,能够说明问题的图像,比如:在用户手册中见到的插图,也 是这个领域的一部分( 如图1 3 所示) 。此外,工程插图还包括其他类型工程文 档中的插图。 在这类插图中,忽略了许多被描绘物体的细节,仅需显示在当前情况下感 兴趣的部分。另外,工程插图一般包括抽象图形符号以展示附加信息。 4 模拟绘画的1 卜真实感绘制方法研究 幽1 3 取臼一种p c i 殴备埘户手册的技术插幽实例 ( 3 ) 考古插图 在类似考古这样一些科学分支中,特定的图形风格已成了为捕获可见现象 而选择的方法。在这罩,科学家将画图作为观察其发现物的微小细节和较大特 征的手段。在这类插图中,主要采用点画完成,在点画中,图画由覆盖表面的 小圆点组成,如图1 4 。 幽1 4 手l 。创作的考占插图实例 ( 4 ) 讲故事 迪斯尼公司将使用漫画和动画支持讲故事的艺术发挥到了极至,他们以可 视化的方式传递信息以增强角色任务所讲述的故事。的确,虽然迄今为止这类 作品仍山专家手工设计,但设计与实现自动地对这类故事进行可视化处理的方 法与工具仍是令人激动的挑战。图展示了复制与纸上的、手j :创作的图形表达 的实例( 如图1 5 ) 。 罄霪 图1 5 手1 :创作讲故事的图形表达的实例 一移剿一 霪蓬 模拟绘画的1 r 真实感绘制方法研究 n p r 在科学、教育、娱乐、艺术、多媒体等领域有着广泛的应用背景和发展自,j - 景。 这些应用引起了人们广泛的兴趣和关注,越柬越多的学者i f 逐步地将精力投入 到这一领域。 1 4 非真实感绘制技术综述 目前有关非真实感图形绘制技术的分类总体上有两种方式【2 6 l ,一种是基于 绘制表现方式的分类方案,另一种是根据在绘制过程中是否需要用户交互的2 d 或3 d 绘制的分类方案。本文以第一种分类方案为线索,对非真实感绘制技术进 行分析和讨论,按照另外一种分类方法的综述讨论参见文献 2 6 】。 以计算机生成图形和以已有的图像为基础的非真实感绘制技术尽管均可以 产生某些特定的效果,但二者的实现方式存在着很大的不同,前者以对计算机 图形的处理为基本手段,结合一些特定的图形处理技巧来实现绘制,而后者则 通过对图像像素的处理,结合一些特殊的图像处理技术来实现绘制,这种以图 形和图像为基础的基于绘制表现方式的非真实感图形绘制技术总体上可分为如 下四类:即基于模型的绘制模式、基于图像的绘制模式、基于模型和图像相结 合的绘制模式,以及交互式绘制模式。 1 4 1 基于模型的绘制模式 所谓基于模型的非真实感图形绘制是对传统的绘制媒介的模拟,通过绘元模 型来实现非真实感图形的绘制2 7 3 2 1 。1 9 8 6 年,s t r a s s m a n n 最早明确提出了一个 简单的画笔模型f 3 3 1 ,奠定了基于模型的非真实感绘制的基础。该绘制模式可以 模拟不同效果的绘画作品,比如:毛笔字和水墨画效果【3 3 3 9 1 、铅笔画效果【4 0 4 2 1 、 和水彩画效果【4 3 】等等。以下按照生成的不同种类的图画效果为线索进行说明。 ( 1 ) 毛笔字和水墨画的模拟 s t r a s s m a n n 提出的是一种毛笔模型,该模型将画笔在绘制过程中所涉及的 对象归结为四个要素,即笔刷( b r u s h ) 、笔画( s t r o k e ) 、蘸墨( d i p ) 和纸张( p a p e r ) , 并建立一个模型库。通过对库中不同要素的选择所绘制的笔画可呈现出各种类 型的纹理。这个模块化的系统可以实现各种随机的墨水模型和颜色改变。文献 3 4 实现了墨水和在纸张上的扩散,提出了一个多维的扩散模型,该模型可以 出色的实现和真实图片几乎相同的墨水强度分布。文献 3 5 】提出了一种基于水 和墨水特征的简单行为模型一2 d 点格自动计算模型,该模型可以模拟出水墨 画效果的3 d 树木。 j i n t a el e e 给出了一种新的墨水扩散和纸张模型1 36 1 。文章定义了种新型柔 6 模拟绘画的1 r 真实感绘制方法研究 软的笔触来模拟真实的毛笔,这样在其受外力时可以产生形变。另外,j i n t a el e e 又在纸张模型上定义了无规则分向纤维和有规则网状纤维以模拟真实的纸张纹 理,这样能够更好更逼真的模拟毛笔在真实纸张上晕染的效果,而且,通过定 义这种网状纤维的纸张模型,墨水的扩散轨迹更加有迹可循,便于用户控制。 d e r - l o rw a y 实现的系统l 了7 l 可以很好的模拟中国水墨画中的岩石纹理,该系 统首先勾勒出山体的大体轮廓,并用不同密度的网格来覆盖山体,再通过毛笔 和纸面的距离和角度来控制笔刷在纸面上的形状,利用墨水量缩减、墨水浸透、 笔毛材质、干燥笔画、润湿效果、不同笔画之间的墨水混合这些详细参数柬模 拟毛笔的绘制效果。考虑到中式山水画固有的特点,作者还增加了纤细笔毛的 绘制模式,按照定义好的特有的岩石纹理线条,可以画出效果很好的水墨画风 格的岩石效果。 ( 2 ) 铝笔画的模拟 s o u s am c 和b u c h a n a nj w 通过对铅笔绘画过程的真实模拟,提出了一种 基于模型3 d 的铅笔绘制方法1 4 0 i 。该方法对绘画过程的模拟分为四个步骤:绘 画材料的模拟、绘画色调与纹理的模拟、基本绘画方法的模拟和绘画步骤控制 的实现,其中对绘画材料的模拟提出了一种铅笔痢纸模型,该模型包括四个主 要部分,第一,对铅笔的硬度进行分类,即将铅笔的硬度分为十九个级别;第 二,定义铅笔点触,即一个多边形和点触表面的压力分布率,用以局部的度量 铅笔被使用的压力;第三,定义画纸纹理,根掘c u r t i s 在文献【4 1 】中提出的具有 高度( o h 1 ) 的纸面模型,在其内部定义纹理模型,这些纹理的高度可由程序 自动生成或从实际纸面样本中提取;第四,铝笔与纸张的交互,铅笔芯材料通 过摩擦被遗留到画纸上,遗留的数量取决于铅笔尖的形状、使用铅笔时的压力 和铅笔的硬度。在绘画色调与纹理的模拟方面,将铅笔和丽纸模型进行交互来 实现不同的色调,还有,将笔画定义为不同的笔势走向和组合成形态各异的交 叉方式及擦除操作,通过笔画实现各种纹理的绘制。然后在已经建立好的3 d 模型上,利用铅笔绘制引擎来操作铅笔笔画的基本绘制方式,并在模型的基础 上生成阴影及明暗效果。该系统从结构上可以分为低层( 画纸的模拟) 、中层 ( 纹理、笔势、轮廓线及高光和阴影的绘制) 和高层( 色调整合) ,通过以上 步骤柬分层仿真艺术家的绘制过程,每一个过程通过配置铅笔参数和绘制方法 予以实现。 此外,s a e k ot a k a g i 等人充分利用了被绘制三维客体到屏幕可视的空削距离 7 模拟绘画的1 卜真实感绘制方法研究 偏移量及客体上的完整封闭曲线,提出了一种基于体绘制的彩色铅笔绘制( c p d ) 系统1 42 | ,该系统包括三个子模型,即三维形体的空| 、日j 特性模型;纸张模拟模型, 该模型考虑了纸张的纹理特性和材料,以及纸张的厚度,笔画绘制之后颜色的 晕染和表现深度都要依赖于纸张的物理特性;颜料在纸张上的分配、再分配系 统,根据现实中彩色笔画绘制的特点定义颜色的渲染效果,其中颜料分配系统 可以按照目光所触及的物体表面的空间距离差来分配颜料,同时利用一种3 d 线状卷积可以在纸张上达到色彩扩散和色彩消隐效果,色彩的扩散模型同时考 虑了颜料在纸张模型上扩展的广度和深度。对于色彩的消隐效果,使用的是创 立柔和风格色彩。该系统所提出的c p d 算法能够描绘出铅笔画的柔和、粗糙和 薄雾的效果,并且考虑到了被绘制三维客体的空间特性,这样它能够很好的表 现三维客体在平面图上的立体效果。 ( 3 ) 水彩画的模拟 c u r t i scj 等人实现了一个计算机生成多种特殊效果水彩画系统1 4 3 i ,提出了 水彩画绘制模型和特殊效果模型。系统中包括两个主要的模型,首先是原料模 型包括四个部分,分别为:绘画纸、固体颜料( 即画笔) 、粘合剂和活性剂,其 中的粘合剂z 只1 匕l - - , 够使颜料附着在绘画纸上:活性剂能够使颜料被纸张纤维所吸收, 这四个部分是由用户根据所要的效果来交互式的控制。其次,文中提出了一个 水彩i 画特殊效果模型,该模型是建立在对真实的水彩绘画创作过程可能出现的 各种特殊的艺术效果的模拟基础上,该模型主要包括:干笔效果、边界暗化效 果、颜料反转效果、颜料颗粒分离效果和颜料扩散效果。 该系统可以交瓦式的进行水彩风格画的绘制,也可以自动的生成水彩j x l 格 画,同时也是非真实感3 d 渲染的一种良好机制。这个水彩画的模拟系统是基 于现实的绘画经验柬模拟,系统中存在着基于现实的物理模型,不只是精确的 物理模拟,而更强调绘画过程的重新创造性,并且对水彩画的最典型性的艺术 特征的模拟用一种可预测可控制的模型来进行模拟,这样不仅得到了完美的模 拟效果,同时也为基于模型的非真实感绘画提供了一种新的模拟角度。 基于模型的绘制方法在非真实感绘制中具有着重要的地位,绘画者可以根 据自己的需要定义具有各种性质的绘元模型,采用以绘元为单位来进行绘制就 避免了对点、线等的繁冗的计算和操作,这样会大大提高绘制效率;此外,就 绘元模型的定义以及绘制方法的选择而言,也可以很大程度的体现绘画者的创 作风格。采用该种绘制模式的重点和难点是如何针对所模拟的图画进行绘元模 8 模拟绘画的1 卜真实感绘制方法研究 型的建立与控制,它会直接影响绘画的效果与效率。此外,随着对各种特殊艺 术效果的追求,基于模型的绘制方法的模型设计也发生了一些转变,例如:上 文水彩画模拟中对水彩画特殊效果模型的设计就是一种新的方向。 1 4 2 基于图像的绘制模式 所谓基于图像1 4 4 叫7 1 的非真实感绘制是指对输入的2 d 图像进行相应的图像 处理,比如边缘检测、图像增强、图像去噪、图像锐化、图像融合等等,以生 成具有特定风格的非真实感绘画。目的采用这种绘制模式可以很好的模拟两 种典型的绘画效果,铅笔画的模拟【4 8 q 1 1 和油画的模拟 5 2 , 5 3 1 。当然采用基于图像 的绘制模式也可以模拟其他的绘画效果,但效果略显一般,下面就对典型的铅 笔画和油画的模拟进行说明。 ( 1 ) 铅笔画的模拟 文献1 4 9 提出了一种基于图像生成铅笔画风格绘画作品的方法,该方法基 于真实铅笔画的创作思想,即一个画家在绘画过程中,会将整个场景分成若干 个区域,观察各个区域内特有的性质,然后相应的运用笔画来绘制。在绘制过 程中,该方法利用图像各个区域的矩和纹理所获得的特征几何属性,同时考虑 到了笔画的定位点和局部区域的颜色信息,具体过程包括:使用基于颜色的图 像分割方法将源图像细分成不同的区域;将每个区域作为一个特征区域,提取 每个区域的边界;使用图像矩函数和纹理分析来获得特征几何属性; 出源图像 生成白噪声图像;使用特征几何属性来生成向量域;使用线性卷积方法生成最 终的渲染效果。在一i - _ 述过程中,对于改变客体的形状和纹理来说,笔画的方向 是非常重要的,笔画方向的控制室通过特征域属性来实现的,如果纹理表现为 一种方向特征,那么笔厕的定位应该与源图像的纹理方向相匹配。文献【5 0 】也 提出了一种基于图像的铅笔画生成算法,该算法首先通过对输入的2 d 数字图 像进行“霓虹”处理和反相处理以获得铅笔画的轮廓线效果,然后通过颜色缩 放处理( 即对图像的颜色分量进行等比例缩放) 、白噪声图像获取、图像分割、 局部纹理方向的确定和线性卷积处理等过程获取铅笔画的纹理,从而突出了铅 笔画表达的重点区域,该方法在模拟更加丰富的明暗色调方面仍有待于进一步 提高。此外,文献【5 1 】也给出了一种基于分层的铅笔画生成方法,该方法将输 入图像的边缘细节和图像的线性卷积分结果进行叠加,然后以此叠加结果与 u s m ( u n s h a r pm a r k 图像锐化) 相结合进行透明处理,从而得到了较好的铅笔画 效果,该方法具有较快的计算速度。 9 模拟绘画的1 卜真实感绘制方法研究 ( 2 ) 油画的模拟 文献1 5 2 1 提出了一种自动的、基于流体模拟的方法来生成具有梵高后期风格 的油画图像。该方法对于输入的2 d 图像,对流体线条进行提取,并通过对原图 像进行模糊和噪声处理得到流体参考图,然后以源图像和流体参考图为依据: 以流体线条参考图颜色梯度的法线方向作为画笔方向,对原图进行多层绘制, 同时采用一种多光源局部光照模型来有效地反应不同光照条件下艺术图像的不 同表现力;此外,还设计了一种在光照条件下模拟画笔物理特征的方法,通过 b u m p m a p p i n g 增强模拟油画的涂料层叠感:最后通过颜色转换将特定的艺术原 画色彩特征转换到绘制图像上,生成具有梵高后期风格的油画作品。该方法改 进了传统光照模型对绘制图像的渲染,同时设计了一种快速简单的涂料层叠方 法使模拟效果更加逼真,此外颜色转换方法也使绘制图像的色彩更加趋近于原 图。 基于图像的绘制模式不仅包括对单幅图片的操作,也包括对视频流的处理 方法。文献 5 3 1 实现了出视频片段自动生成油画风格的美术动俪效果,第一次 提出了由输入视频序列通过追踪像素的运动来产生油丽风格的动画制作方法, 该方法的关键技术包括:笔触的绘制和裁剪技术、笔触定位技术、帧到帧的移 动技术和添加删除笔触技术。笔触被设定为平滑线条或给定的纹理,并且通过 一定的随机操作束扰动笔触的长度、颜色和方位,以提高手绘作品的感觉,同 时使用光流域来促使笔触从一帧到一帧沿着像素运动的方向进行绘制。此外, 通过确定原始图像的边界来剪断不适当的笔触,使被绘制的客体具有更好的细 节和轮廓;而在从一帧移动到另一帧的过程中,考虑到笔触可能会变得过于稀 疏或稠密而不能很好的覆盖整幅画面,方法中还设计了一个添加和删除笔触的 算法。 基于图像的绘制方法主要是针对2 d 数字图像的处理,将已有的照片和图画 转换成为各种风格的绘画过程,该种绘制模式的关键是如何针对绘俪效果设计 相应的图像处理算法,该方法省却了用户的干预,可以完全的实现系统的自动 化,但对于绘画者的创作意图则不能很好的表现,毕竟对绘画过程的模拟也包 括着对人类创造性思维的模拟。 1 4 3 基于模型和图像的绘制模式 基于模型和图像的混合方法是指在一幅作品的,成中同时用到了基于模型 和基于图像的这样两种非真实感绘制方法。在实际图形绘制过程中,有时单靠 l o 模拟绘画的1 卜真实感绘制方法研究 基于模型的绘制模式或基于图像的绘制模式很难达到令人满意的效果,这是通 常采用二者的混合绘制模式,比如,人物素描写真的模拟,如果单独采用基于 图像的绘制模式,首先将人物照片输入到计算机,然后对于这个2 d 的数字图 像应用一些特定的图像处理技术处理生成一张素描风格的铅笔画,但是采用图 像处理技术生成的头发线条的效果要做到生动形象就会比较困难,这样如果采 用基于模型的2 d 非真实感绘制方法,用事先定义好的不同的线条绘元在特定 的区域进行进一步的绘制,获得的效果将更加逼真。 1 4 4 交互式绘制模式 交互式绘制系统需要用户和系统有机的结合1 5 4 5 9 1 ,通常在特定的应用场合 下被采用,它们侧重于辅助艺术家创造各种风格的场景。在文献 4 8 】中,s o u s a 和b u c h a n a n 丌发了一个交互式铅笔画绘制系统,通过用户指定的一些参数,系 统可以将一张2 d 图片转换成一张铅笔画,也可以将输入的3 d 场景直接渲染成 铅笔画1 4 叭。交互的2 d ,3 d 系统需要用户和系统的有机结合。一般交互的2 d , 3 d 系统是和上面的方法结合使用,同样是基于一些特定的应用场合而被采用。 例如上文提过的文献 3 8 1 中的基于模型的2 d 书画交互式绘画系统,就是依据已 经定义好的笔触绘元模型,由用户通过键盘和鼠标的结合使用方式来模拟绘画 的创作过程。这样可以更好地表现出绘画者的意图。还有上文中的文献 4 3 1 所 实现的水彩画绘制系统,同样是由已经设计好的原料模型和绘画效果模型通过 用户的选择束生成符合用户意图的水彩画图像。 在这样的交互式系统中,绘元与虚拟纸张的求交算法以及绘元的运动轨迹 算法是必要的元素,这两个算法的效率与有效性直接的影响着整个系统的效率 和有效性。应此在交互的2 d ,3 d 系统中,对这两种算法的提高应该是系统的 设计的侧重点。 对于交互的2 d 、3 d 系统主要是面向特性的应用场合而设计的,当然在这 样的交互系统中,具体的实现手段仍然可以采用上面提到的3 种方法,其主要 的特点是:在这样的系统中,用户可以交互式的选择绘画工具以及绘制方法等 等,来进行自己的“艺术创作”。对于绘画者的创作性思维可以很好的体现,但 对于这样的一个系统来说,系统的效率以及实时响应性都有很高的要求,这也 是实现的难点。 1 5 非真实感绘制的发展趋势 由于鉴赏绘画的标准是主观的,每个人都有不同的标准,因此在判断非真 模拟绘画的1 卜真实感绘制方法研究 实感绘制效果上没有统一的基准。此外,人们要求的只是最终结果是否满足某 - - j t , 格领域的平面、立体效果,包括三维基于模型的非真实感绘制最终也是在 计算机二维平面上呈现,因此单纯的基于二维三维或者是图形图像的技术显然 不能达到相对完美的效果,很多人选择图形图像相结合的方式,并借由交互式 操作生成能够满足用户需求的图像,相反,如何做到减少交互而由计算机自动 的生成图像值得进一步研究。同时,很多的数学工具被应用到这个领域,各个 领域的重要技术都可能被用到,如何与现有的各种其他技术比如人工智能、g p u 等有机的结合是一个很好的研究方向。现如今,对视觉效果的追求同趋白热化, 若是追求单幅图像的效果,那么算法实现的速度并不显得很重要,但若是涉及 到三维实时绘制( 许多虚拟场景漫游,三维游戏) ,那么就必须要在绘制速度和 画面效果i 取一个折中以保证实时性。非真实感技术大多是针对某一特定风格 图像的需求而产生很多算法,因此这主要是一个应用领域上的问题,可以更好 的市场化。 1 6 本文的主要工作 本文对非真实感绘制的原理与技术进行了一系列的研究,提出了一种模拟 绘画的非真实感绘制方法,其中,包括其色调的提取方法和笔触的绘制以及一 种笔触绘制模式的建立,实验结果证明了方法的有效性。论文的章节组织如下: 第一章:绪论,首先介绍了非真实感绘制产生的背景及其发展史;并针对 基于绘制表现方式的分类方法进行了说明与比较,包括国内外的一些经典算法 的主要思想与特点;最后概括了非真实感绘制的主要应用背景与发展趋势。 第二:章:介绍了非真实感绘制的一些相关理论基础,包括主要的造型与光 照技术,然后对非真实感中应用到的一些特殊技术也做了简要的说明。 第三章:阐述本文所提出方法的主要原理,提出了一种基于平面片“提取 器”的色调提取方法,并且从提高系统效率的方面考虑,又建立了一种笔触绘 制模式。 第四章:模拟油画风格的笔触绘制方法,首先介绍了建立的“油画笔触” 模型,再根据上一章的原理实现了模拟油画风格的非真实感绘制,并对实验结 果进行了说明讨论。 第五章:模拟铅笔画风格的笔触绘制方法,首先介绍了建立了模拟铅笔画 的“线条笔触”模型,再根据第三章的原理实现了模拟铅笔画的绘制方法,并 对实验结果进行了说明讨论。 1 2 模拟绘画的1 r 真实感绘制方法研究 第六章:总结与展望,对所作的工作进行了总结,并对进一步的工作进行 了说明。 1 3 模拟绘画的1 r 真实感绘制方法研究 第二章非真实感绘制相关理论基础 2 1 造型理论 一个物体的计算机描述叫做造型,它能被计算机所懂得,并在一定的条件 下( 变换和投影) 被转换成相应的图形在屏幕显:- ,o ,+,出1 6 0 】;图形 是模型的一个具体可见像,是人们所看到的模型的表征1 6 1 i 。无论是对于真实感 绘制还是非真实感绘制,几何造型理论都是非常重要的。 在三维空间,几何形体多以封闭的表面表示,例如,由平面围成的多面体, 由平面和曲面围成的曲面体。一个几何体在空间上应是完备的( 几何性和拓扑 性) ,而且包含足够的用于推导的任何空间函数( 如直线方程、平面方程、曲面 构造等) 以及进行各种形体运算与处理的信息。 面是构成体的最基本元素,本文实现的算法中主要是采用以面为主,几个 面合成体的构造方式。下面介绍几种常用的几何造型理论。 ( 1 ) 旋转体 旋转体表面是指:在定义域内,以任意自由曲线绕中心轴旋转而得到的俩, 如图2 1 所示。 设y 轴是旋转体的轴线,它的母线是x o y 平面上的一条曲线f ( x o ,y o ) = o , 它的参数方程为: ix o = x ( t ) ( f ) o ) y o = y ( f ) iz o = o 则以此为母线的旋转体的参数方程为: ix = x c t ) - c o s 9 一z ( f ) s i n 0 y = y ( ,) lz = z ( t ) s i n 口+ z ( ,) c o s o 在实际的造型中,可以利用一段或者几段旋转体构成客体的表面部分。 幽2 1 旋转体 1 4 吣 三 灭 一 x 二 o 一 卜一 模拟绘画的1 卜真实感绘制方法研究 ( 2 ) b s z i e r 曲面 b 6 z i e r 的基本思想来自于制作铸造砂型的过程【6 2 】。砂被紧压在个盒子罩, 砂型上表面形状由用木质样板刮去多余的部分得到。为了能获得更复杂的形状, 在样板移动时,又使它改变形状。可以看到,在这罩曲面被定义为同时变化着 形状的曲线在空间划过或者说运动的轨迹。 将这个直观的概念用数学公式表示,就得到曲面的数学描述。 假设运

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