（计算机应用技术专业论文）中国水墨画仿真中几个关键问题的研究.pdf

中文摘要 随着现代科学技术的发展 借助计算机对传统绘画艺术进行仿真成为近年束 人们研究的热门话题 计算机图形学作为科学与艺术结合而产生的 f 学科 在 其中扮演着举足轻重的作用 对油画 水彩画等西画系艺术品类的仿真研究 由 于丌展得比较早阻及技术上的强大优势 已经取得了卓越的可视化效果 然而对 于东方画系的中国水墨画 仿真研究尚处于初步阶段 在课题组前期研究工作的基础上 通过分析和观察大量水墨画作品 本文对 水墨画仿真中的几个关键问题进行了深入的研究和探索 并针对不同仿真目标提 出了相应的仿真模型 既降低了整体仿真的难度 也丰富了仿真系统的功能 取 得了令人满意的艺术效果 为模拟水墨在宣纸上扩散后笔道周围出现的不规则边界 本文提出了应用分 形仿真水墨扩散轮廓的方法 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 最终的扩散效果更自然 逼真 为了方便用户进行艺术创作 本文提出了建立毛笔笔划库的概念 并建立了 基于自回归模型的计算机书法模型 通过建立毛笔书法的笔划库 利用自回归模 型从笔划库中查找与用户输入相匹配的笔划 最终生成一个完整的毛笔字 本文还对水墨画中 梅 兰 竹 菊 四君子和树木进行了仿真 并提出了 一整套基于组件的生成方案 首先根据l 系统生成植物的骨架 然后在骨架的 不同部位用相应的组件束表示 可以对组件进行移动 变形 缩放 旋转等编辑 操作 最屠利用纹理合成技术生成大片具有自相似特征的树叶 关键词l 中国水墨画分形自回归模型l 系统纹理合成 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i tb e c o m e so n eo ft h e h o t t e s tr e s e a r c ht o p i c st os i m u l a t et h et r a d i t i o n a lp a i n tm e d i aa n dt o o l sb yu s i n g c o m p u t e r b e i n g a d i s c i p l i n eg e n e r a t e db y t h ec o m b i n a t i o no fs c i e n c ea n da r t c o m p u t e rg r a p h i c sp l a y sa ni m p o r t a n t r o l ei nt h i sw o r k m a n yw o r k sh a v eb e e nd o n e a b o u tt h es i m u l a t i o no fw e s t e mf i n ea r ts y s t e ms u c ha so i l p a i n t i n g w a t e r c o l o r p a i n t i n ga n ds oo n h o w e v e r a st h ea p o t h e o s i so ft h eo r i e n t a l f i n ea r ts y s t e m t h e c h i n e s e p a i n t i n g w a sn o tr e g a r d e da st h es u b j e c to fs i m u l a t i o nu n t i lr e c e n tt w o y e a r s b a s e do nt h ef o r m e rr e s e a r c ho ft h i sp r o j e c t t h i sp a p e re x p l o r e ss e v e r a lk e y i s s u e si nt h es i m u l a t i o no fc h i n e s ep a i n t i n gd e e p l y a n dp r e s e n mc o r r e s p o n d i n g m o d e l so fs i m u l a t i o nt o w a r d sd i f f e r e n ts i m u l a t i o nt a r g e t s t h i sn o to n l y h e l p s t o r e d u c et h ed i m c u l t i e so fs i m u l a t i o na saw h o l e b u ta l s oh e l p st oe n r i c ht h ef u n e t i o n s o ft h es i m u l a t i o ns y s t e m c o n s e q u e n t l y s a t i s f a c t o r ya r t i s t i ce f f e c t sa r ea c q u i r e d f i r s t l y t h i sp a p e rp r e s e n t s af r a c t a l b a s e d a p p r o a c h t os i m u l a t et h ei r r e g u l a r d i f f u s i o nb o r d e r t h i s a p p r o a c h f i r s t g e n e r a t e s ad i f f u s i o ns t r o k e t h r o u g h f l u i d s i m u l a t i o nm o d e l t h e ni ts i m u l a t e sa ni r r e g u l a ro u t e rb o r d e ro nt h ed i f f u s i o ns t r o k e f i n a l l y i tf i l l st h ei n t e r s p a c eb e t w e e nt h e mt om a k e t h ed i f f u s i o ne f f e c tm o r en a t u r a l a n da n t h e n t i c s e c o n d l y t h i sp a p e rp r e s e n t s t h e c o n c e p t o f b u i l d i n gc a l l i g r a p h y s t r o k e w a r e h o u s et o p r o v i d e u s e r sm o r ec o n v e n i e n c ef o rc r e a t i v ea c t i v i t i e s a n a u t o r e g r e s s i v em o d e l i sa l s op r o p o s e df o rt h em a t c h i n go fs t r o k e s f i n a l l y t h i sp a p e rp r e s e n t s aw h o l es e to fm e t h o d st os i m u l a t e t h ef o u r g r a c i o u s i nc h i n e s ep a i n t i n g t h es k e l e t o no fap l a n ti sg e n e r a t e df i r s tb yu s i n g l s y s t e m t h e nt h ed i f f e r e n t l o c a t i o n so ft h es k e l e t o na r er e p r e s e n t e db yd i f f e r e n t c o m p o n e n t s a n dt h e s e l f s i m i l a rl e a v e sa r e g e n e r a t e db y t h et e x t u r e s y n t h e s i s t e c h n i q u e s k e yw o r d s c h i n e s ep a i n t i n g f r a c t a l a u t o r e g r e s s i v em o d e l l s y s t e m t e x t u r e s y n t h e s i s 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 论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得墨叠太茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料 与我 同工作的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 学位论文作者签名 弘避注签字日期 2 d d 年年z 月 7r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基壅盘茔有关保留 使用学位论文的规定 特授权鑫建盘壁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 秘晤i 2 导师签名 卅禾叶 签字同期 2 岫忤2 月f 1 日签字r 期 y 口 年l 月f r 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 随着计算机图形学的飞速发展 人们对真实绘画进行了大量的仿真 研究 不断引入新的图形学技术 在 油画 水彩画等西画系的艺术品类上 取得了卓越的成就 然而 对于东方 画系的中国水墨画 研究尝试才刚刚 开始 这对计算机艺术领域不能说不 是个缺憾 由于中西两大视觉艺术的 文化差异以及中国水墨画自身的特 殊性 水墨画艺术效果的计算机仿真 幽1 1 一幅仿真作品 实现有着很大的难度 对水墨画的仿 真研究仍处于起步阶段 如图1 1 虽然西画艺术品类的仿真研究已经发展得极为成熟 但由于中国水墨画和西 画艺术品类的艺术效果差异太大 现有的谣画艺术仿真手段及仿真效果都是面向 西画艺术特征的 不适合也无法直接应用于水墨画的仿真研究 与水墨画效果最 接近的西画品类也就是水彩画 二者都以水作调剂 都有扩散和渗透现象 但出 于水墨画绘画材料的特殊性 它还具有潜在的渗化作用 效果纹理的形成过程也 与水彩画截然不同 故而 水彩画仿真手段虽然可以借鉴 1 但无法直接应用 于水墨画效果的模拟生成 现有的其他图形仿真成果或产品 即使有些类似的效 果 其艺术效果的真实性以及艺术特征都无法满足真正的水墨画艺术创作的需 要 中国水墨画的仿真研究必须采用新的思路 研究新的方法 本课题组基于长期的绘画实践 对中国水墨画这一复杂而丰富的系统进行了 科学的分析 详细客观地描述了水墨画各组成要素的材料特性及相互间的作用关 系 采用分解水墨画效果的研究方法 提出了一套针对水墨画效果的仿真模型 较为成功地实现了中国水墨画的一些典型艺术效果 弥补了计算机艺术领域在东 方绘画艺术品类上仿真研究的空白 本文将在后面的章节介绍相关的研究成果 尽管水墨画的仿真研究已经取得了一些成果 2 但和传统水墨画的典型艺术 效果相比 仿真结果规律性太强 缺乏真实感 如图1 2 无法体现水墨在宣纸 上扩散后产生的丰富多变的艺术效果 这将是本文要解决的首要问题 第一章绪论 a 原始笔迹 b 扩散效果 鉴l1 2 文献 2 1 中的扩散效果 解决了上述问题 熟练的书画家就可以在交互式仿真系统中绘制出具有水墨 画风格的艺术作品 这极大地鼓舞了我们的信心 但问题并不象我们想象的这么 简单 这就是用真正的笔和墨在宣纸上面不出有水墨画艺术特征的作品的人 在 电脑上同样画不出真 f 的水墨画作品 这真是个悲哀 如何让更多的人 尤其是 没有书画基础的国画爱好者也能利用该仿真系统进行艺术创作 使电脑真正成为 他们创作的好帮手 将是本文着重解决的又一问题 1 2 解决的方法 在观察了大量水墨画的艺术作品之后 我们发现当毛笔含的水和墨比较多 时 水墨在宣纸上扩散后会出现较明显的不规则轮廓线 这条轮廓线犹如绵延不 断的海岸线 形状上具有某种程度的自相似性 这种自相似性虽然不是严格意义 上的自相似性 只是 近似的自相似性 但在一定的尺度范围内 仍可以把水 墨砸的扩散边界看成是分形集 如图1 3 所示 a 内扩散边界模糊 分形边界消晰b 内扩散边界清晰 分形边界清晰 幽1 3 具有分形特性的水墨画笔迹 为了使计算机最终模拟的扩散效果更真实 自然 我们想到在课题组前期提 第一章绪论 出的流体仿真模型模拟的扩散效果基础上 通过在扩散笔迹的最外层模拟出一条 不规则的扩散边界来达到这一e l 的 分形几何学作为描述自然界无限复杂但具有 一定规律的自相似图形和结构的几何学 在这旱正好可以发挥作用 本文提出了 应用分形仿真不规则水墨扩散轮廓的一整套方法 为了提高水墨画仿真系统的智能性 以便让没有书画基础的国画爱好者也能 利用该仿真系统进行艺术创作 本文从两个侧面对这一问题进行了研究和探索 首先 我们以计算机书法的仿真为突破口 找出一种方法可以使没有书法功 底的用户也能像书法家一样 写 出一手漂亮的毛笔字 从而达到使计算机真正 帮助我们进行艺术创作的目的 同时 在一个仿真系统中既能作画又可写字 也 是对国画界和书法界普遍追求的 书画同源 意境的最好诠释 本文通过建立毛 笔书法笔划库 提出了基于自回归模型的计算机书法仿真方法 不仅方便了用户 进行书法等艺术创作 而且生成的书法作品具有用户自己独特的风格和个性 如 图1 4 幽l 4 计算机l0 法 其次 本文提出了参数生成和基于组件的思想 从而使仿真系统可以自动生 成花鸟画中的 梅兰竹菊 四君子和山水画中的树木 用户不必再像传统绘画那 样 一笔一笔地画每一笔划 只要拖动一下鼠标 选择相应的组件 并设鼍合适 的参数 一幅水墨画风格的树或 梅兰竹菊 便跃然纸上 这样即使用户没有绘 画基础 也能像专业的画家一样 画 出赏心悦目的水墨画作品了 1 3 课题背景及现实意义 对传统绘画艺术进行仿真是计算机艺术领域最具挑战性的课题之一 在吸取 传统绘画艺术的营养 弘扬传统绘画艺术成就的同时 对计算机仿真绘画技术提 善专冬 重lk li 第一章绪论 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已经超出了科学仿真的一般意义 随着计算机图形学的飞速发展 人们对真实绘画进行了大量的仿真研究 不 断引入新的图形学技术 在油画 水彩画等西画系的艺术品类上取得了卓越的成 就 然而对于东方画系的中园水墨画 研究尝试彳 刚刚丌始 这对计算机艺术领 域不能浇不是个缺憾 中国画作为东方艺术的典范 有着举世无双的悠久历史 其独特的审美与鲜明的本体特征使其自成一体 独立于世界艺术之林 鉴于中国 画重要的美学地位以及对世界美术的贡献 中国画的发展与变革对整个人类的文 明史有着重要的影响 对中国水墨画进行计算机仿真研究 无论在艺术还是在科学方面 都有着深 远的意义 首先 在计算机艺术中引入和继承中国画的审美理论 表现和传播中国画的 美学成就 对中国画的变革和发展是有着积极意义的 由于计算机这种新的绘画 工具消除了不同绘画品类问绘画材料的物理差异 实现了前所未有的绘画工具的 统一 使得不同艺术品类间的融合成为可能 3 艺术界持续几十年之久的中西 之争 在超越绘画材料的限制之后获得了新的自由度 在关于中国画前途熊论争 中或许能够得到一些有益的启发 正视计算机对艺术领域的冲击 客观地分析计 算机艺术与中国传统艺术的关系 在计算机艺术的发展中积极地溶入中国传统艺 术的审美成就 对弘扬民族文化以及使中国几千年的艺术文化在未来的历史进程 中发挥其应有的影响和作用 是有积极意义的 其次 水墨画计算机仿真生成的研究成果在计算机图形技术应用中的非写实 渲染 自动水墨画效果处理 交互式作图以及虚拟作画等方面有着广泛的应用前 景 对于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也将起到积 极作用 最后 交互式水墨画仿真绘制系统的丌发和应用 对于促进中国画的普及具 有积极意义 1 4 本文结构 本文基于长期的绘画实践 对中国水墨画这一复杂而丰富的系统进行了科学 的分析 客观详细地描述了水墨画各组成要素的材料特性及相互间的作用关系 鉴于水墨厕艺术体系自身的复杂性以及考虑到仿真研究的可行性 本文采用了分 解水墨画效果的研究方法 对水墨画仿真中的几个关键问题进行了深入的研究和 探索 并针对不同仿真目标提出了相应的仿真模型 成功地实现了中国水墨画的 些典型艺术效果 弥补了计算机艺术领域在东方绘画艺术品类上仿真研究的空 第一章绪论 白 仿真结果是令人满意的 其艺术效果所表现的是中国传统艺术韵味 然而又 有所变化 具有一种新的艺术魅力 虽然我们的水墨画仿真模型是基于实际的水墨效果并考虑了一定的物理规 律 但不是严格准确的物理仿真 模型得到的仿真结果及艺术效果爿是计算机图 形艺术家最关心的 也是最重要的 我们的目标就是要产生和合成体现中国水墨 画特征 表现中国水墨画艺术韵味的典型艺术效果 并且在应用上为效果的产生 提供一定的可预见性和可控性 本文的结构是这样安排的 作为整个研究工作的大背景 第二章概括地回顾 了西画的仿真研究成果以及水墨画仿真的研究现状 并介绍了本课题组的相关工 作 第三章介绍了中国水墨画的基本特点 抽象出了表现水墨画特征的典型艺术 效果 便于后续进行分析和仿真 第四章使用三种不同的扩散算法实现了水墨画 的基本效果 并创造性地提出了应用分形理论模拟不规则扩散边界的方法 第五 章为方便用户进行艺术创作 提出了建立毛笔笔划库的概念 对计算机书法进行 了仿真研究 第六章对水墨画中 梅 兰 竹 菊 四君子和树木进行了仿真 提出了一整套基于组件的解决方案 进一步提高了仿真系统的智能性 最后 对 所有研究成果及其应用领域进行了分析 同时对未来的研究方向和发展前景进行 了大胆的展望 第二章中国水墨画仿真的研究现状 第二章中国水墨画仿真的研究现状 2 1 西画的仿真成果 近些年来 随着计算机图形学的飞速发展 人们对真实绘画的模拟实现方法 进行了大量的研究和探索 取得了一些令人瞩目的成果 其中尤其以油画 水彩 画等西画艺术品类的仿真成果最为突出 目前已经提出了比较成熟的仿真模型 并有相应的仿真产品问世 2 1 1 水彩i 画 w a t e r c o l o r 仿真 水彩画仿真的最初试探者s m a l l 于t 9 9 i 年发表了著名的文章 4 在这篇文 章中 他首次提出应用细胞自动机 c e l l u l a ra u t o m a t a 理论来仿真水彩画 1 9 9 7 年c a s s i d y 等人对浚模型作了扩充 引入了一个更复杂的浅水流动仿真模型以及 一个更可靠的渲染手段 同时依据k u b e l k a m u n k 色彩模型进行颜料层的光混合 算法 以实现更多更真实的水彩画效果 1 见图2 1 幽2 1 年uj 1 k m 模獭生成的一幅水彩画作品 c a s s i d y 分析总结了水彩画的多种效果 力求尽可能多地实现 同时又尽可能 接近画家创作的实际需要 其仿真体系的核心部分是基于细胞自动机理论的三层 流体仿真模型 即浅水层 颜料沉淀层及毛细作用层 第一二章中国水墨画仿真的研究现状 2 1 2 钢笔m 画 p e n a n d i n k 仿真 在水彩画仿真研究的同时 西方学者对钢笔画的计算机生成也进行了研究 w i n k e n b a c h 和s a l e s i n 在1 9 9 4 年提出了钢笔画仿真的四要素 笔划 纹理 色 调和轮廓 5 1 其中笔划由不同长度和宽度的曲线段组成 纹理由不同密度的笔 划集合组成 整体或局部图像的次度决定钢笔画的色调 钢笔画的轮廓指区分绘 画实体与周围背景的边界线段的集合 随后s a l i s b u r y 等构造了一个交互式钢笔 画渲染系统f 6 1 该系统参照一幅扫描的图像作为钢笔画轮廓和色调的指导 使 用笔划纹理产生钢笔画的纹理和色调 从而使用户只使用鼠标就能够创作出精美 的钢笔画作品 见图2 2 图2 2 利州交互式钢笔域渲染系统生成的一幅作晶 2 1 3 其它风格的n p r 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 在非真实感渲染领域 学者们还对诸如铅笔画 p e n c i ld r a w i n g 炭画 c h a r c o a ld r a w i n g 卡通 c a r t o o n 机械部件插图 t e c h n i c a li1l u s t r a t i o n 等风格的渲染进行了研究 并提出了相应的仿真模型 n a nl i 等提出了基于图 像特征的铅笔画生成方法 7 通过分析一幅图像不同区域的纹理特征 产生 幅与之对应的铅笔画j x i 格的艺术作品 见图2 3 第二章中国水墨画仿真的研究现状 剀2 3 a 原始照片幽2 3 0 钳笔画风格处理后的照片 d o u gd e c a r o 等提出了一种将照片抽象化的非真实感渲染算法 8 该方法 按照一定的颜色阈值将照片分割成若干区域 然后每个区域分别采用浚区域的颜 色平均值进行渲染 最终生成具有抽象f x l 格的艺术作品 见图2 4 豳j 4 a 原始 片幽2 4 伯 抽象化趣鲤t f 亓的照片 2 1 4 成熟的绘画软件 综合上述西画的仿真成果 现在市场上早已出现了非常成熟的针对西画效果 的2 维商业绘画软件 其中最著名当属c o r e l 公司的p a i n t e r 和a d o b e 公司的 p h o t o s h o p 它们提供多种不同风格的画笔 利用特殊的2 d 贴圈的技巧可以仿真 各种传统绘坷的效果 如水彩画 油画 粉笔画和铅笔画等等 通过调整画笔的 参数以及灵活使用不同效果的画笔 即使是没有绘画经验的普通用户也可以创作 出栩栩如生的艺术作品 8 一 第二章中国水墨画仿真的研究现状 2 2 水墨画的绘画工具和材料 在用计算机仿真中国水墨画的艺术效果之前 我们先简单介绍1 下中国水墨 画的绘画工具和材料 以便于后续进行分析和仿真 作为中国水墨画的 文房四 宝 笔 墨 纸 砚这四种基本的绘画工具和材料对于水墨萄艺术效果的形成 起着主导作用 其中 毛笔和宣纸是中国水墨画的两大主要材料 它们产生出的 扩散 渗化 笔痕等特殊效果 是中国画与西画形式上的主要区别 2 2 1 毛笔 中国毛笔的产生已经有2 0 0 0 多年的历史了 它与西方画笔的主要区别在于 笔锋 中国毛笔呈 楔 形 有很尖锐的笔尖 着墨落笔时可产生 形的笔触 丽西画笔呈 刷 形 产生 i 形的笔触 按照不同的原料和性能 可把毛笔分为硬毫 软毫 兼毫三种 硬毫笔包括 老兔颈毛制成的紫毫与黄鼠狼尾毛制成的狼毫两种 笔毫均为棕色 笔性硬健 弹力强 蓄水少 画出的线条苍劲爽利 山水画中树木的立干 出枝 勾叶 点 叶 山石的勾勒 皴擦 点擢 屋宇 人物 舟 桥 水波 瀑布等细线 都需 靠弹性强的硬毫爿 能得以表现 软毫笔 用羊毫制成 笔性软 蓄水性强 山水 画的渲染多用它 米点山水与泼墨山水也常用羊毫 能收到笔酣墨饱 水墨淋漓 的效果 兼毫笔由硬毫与软毫配制而成 有紫狼毫 紫羊毫 鸡狼毫等品种 硬 度在狼毫与羊毫之间 可根据个人的习惯与需要选用 根据笔锋的长短 毛笔又有长锋 中锋 短锋之别 性能各异 长锋容易画 出婀娜多姿的线条 短锋容易使线条凝重厚实 中锋则兼而有之 画山水以用中 锋为宜 根据笔锋的大小不同 毛笔又分为小 中 大等型号 画山水各种型号 都要准备一点 一般 小山水 小狼毫 大山水 大狼毫 各备一枝 小自云 大白云 羊毫笔各各一枝 再有一支更大的羊毫 斗笔 就可以 了 新笔锋多尖锐 只适宜画细线 皴 擦 点擢用旧笔效果更好 有的画家喜 用秃笔 点线别有苍劲朴拙之趣 好的毛笔 都具有圆 齐 尖 健四个特点 使用起来运转自如 画笔用后要及时冲洗干净 避免墨汁干结损坏 不同的用笔方式又产生了多种多样的笔法 如中锋 侧锋 藏锋 拖锋 逆 锋 顺锋等等 仅仅山水画中的皴法就十几种 披麻皴 斧劈皴 雨点皴等 在 艺术家眼中 这些笔法不仅差别很大 而且是彼此独立的 但是 为了使问题简 化 以便于对毛笔的行为进行仿真 我们将所有笔法都归结为两种基本的笔法 其它笔法都可由这两种变化得来 这两种笔法就是 中锋 和 侧锋 第二章中国水墨画仿真的研究现状 中锋 行笔时锋尖处于墨线中心 画出的线条挺劲爽利 多用于勾勒物体的 轮廓 结合用笔的力度 速度 走势可将中锋用笔演化成拖锋和逆锋等 侧锋 行笔时锋尖在笔迹一侧 画出的线条粗壮而毛辣 多用于山石的皴擦 结合用笔的速度 粒子数量多少 生命值长短 可将侧锋用笔演化为多种皴法 2 2 2 宣纸 中国水墨画纸 洇 的效果 应该说是最能体现中国水墨画 水墨味道 的 这也就要求我们对宣纸要有较为深入的了解和认识 宣纸品类繁多 从加工制作 工艺可分为熟宣 生宣和半熟宣三类 熟宣用矾水经过加工处理 水墨不易渗透 适合进行工整细致的描绘 可反复渲染上色 适宜画青绿重彩的工笔山水 表现 会碧辉映的艺术效果 尘宣没有经过加工 吸水性和洇水性都强 易产生丰富的 墨韵变化 适合进行泼墨 积墨 可产生水晕墨章 浑厚华滋的艺术效果 写意 山水多用它 熟宣作面容易掌握水墨 但也容易出现光滑呆滞的毛病 生宣作画 虽多墨趣 但落笔即定 水墨渗泅迅速 不易掌握 故一般画山水者喜用半生半 熟的宣纸 因其既有墨韵变化 又不过分渗涸 皴 擦 点 染都易掌握 可以 表现复杂丰富的笔情墨趣 2 2 1 3 水墨 水景画效果层出不穷 千变万化 墨在其中起着至关重要的作用 墨的行为 规律历来是水墨画家热衷研究的课题 关于用墨 古人总结出了大量宝贵的经验 墨法因此和笔法一起构成了中国水墨画精深画学的精要 近代山水画家黄宾虹先生总结出了 七墨法 即泼墨法 淡墨法 破墨法 积墨法 渍墨法 焦墨法和宿墨法 其中泼墨 破墨和积墨又是三种使用最多的 墨法 泼墨法顾名思义泼而成之 如泼水一般 用书法的方式一气呵成 是典型的 大写意墨法 往往在一大片墨中同时有干 湿 浓 淡的变化 破墨法是全部的 墨法中用途最广 变化最多的墨法 无论是浓破淡还是淡破浓 均要在前一遍墨 将干未干时进行 即乘漏往上加 破墨破坏了原来不好的效果 建立起了一个 新的更完美的效果 破墨法有以重破淡 以淡破重 以干破湿 以湿破干 以水 破墨 以墨破色等 画面效果多呈水墨 水色交融多变 生机活泼之感 积墨法 指多层积累 堆积 层层渍染 层积而厚 每遍积墨要求每笔本身不宜变化太多 干 湿 浓 淡的效果是靠多遍积累起来的 笔触纵横交错 墨色浓淡交眸 层 层透清而不浊 第二章中国水墨画仿真的研究现状 不同墨法的使用产生了千变万化的艺术效果 这其中水的作用功不可没 不但润 笔 研墨 沈笔 调墨 调色 或破墨 破色等都离不开水 而且水作为笔 墨 色和纸发生相互作用的中介 它起着调和 分解色阶 烘染画面 增加水墨淋漓 等效果的作用 一切材料的成分元素 都必须经过水和纸的检验彳能通过 而水 更是时刻影响着画面的艺术效果 近代山水画大师黄宾虹先生更是将水提高到 法 的地位 水的作用可想而知 2 3 水墨画仿真的研究现状 尽管目前对西方画类的仿真研究成果比对东方画类更为成熟 但对作为水墨 硒 文房四宝 之一的毛笔的研究 却在西画仿真研究之前就开始了 2 3 1 毛笔建模的研究 早在1 9 8 6 年 m i t 多媒体实验室的s t e v es t r a s s m a n n 就对毛笔进行了建模 他把笔刷看作笔毛的一维数组 笔刷的运动路径和笔刷自身 f 交 9 其后陆续 又有其他研究者对毛笔或笔道的几何模型进行了研究 基本上分为两种思路 基 于轮廓的笔道建模和基于平板笔刷的毛笔建模 在基于轮廓的笔道建模中 笔道 出一系列首尾相连的b e z i e r 或b 样条曲线组成 用户可以通过拖动控制点来改 变笔道的形状 1 0 1 基于平板笔刷的方法把毛笔建模成一个二维笔刷 该笔刷具 有不同的形状 大小和样式 拖动不同的笔刷可以产生特定的笔道 1 1 1 c h i n g c h a n 等建立的毛笔模型由许多随机分稚在一圆形区域的笔毛组成 1 2 1 该圆形区 域被分割成若干小难方形 每根笔毛随机位于 f 方形的某个位置 毛笔移动过程 中 每根笔毛独自画出一条曲线 所有的曲线共同形成一道笔划 以上是从几何建模的角度对毛笔仿真进行研究 然而离模拟传统水墨画的典 型艺术效果还有一段差距 近些年束 国内外学者又从物理角度对毛笔进行了仿 真 并提出了几种不同的仿真模型 大大提高了仿真效果的逼真性 n e l s o nc h u 等提出了一个3 d 笔刷模型 1 3 该笔刷模型几何上由骨架和表面两部分组成 并遵循能量最小化进行变形 j e n gs h e n gy e h 等提出了另一个3 d 毛笔模型 1 4 毛笔笔头由若干笔毛组成 每根笔毛相当于一根弯曲弹簧 笔毛在结构上用粒子 系统模拟 视作许多粒子连接而成的弹簧 每个粒子代表那部分的质量中心 粒 子系统的行为用牛顿第二定律描述 此外 s o n g h u ax u 等提出了基于绘画原语 的毛笔模型 1 5 每个原语通过c a d 晕的s w e e p 操作来构造 由n u r b s 曲面描述 在绘画过程中原语的形状动念变化 并在虚拟纸张上留下笔道的轨迹 第二章中国水墨画仿真的研究现状 2 3 2 宣纸建模的研究 欲模拟水墨画的典型艺术效果 仅仅对毛笔建模是远远不够的 作为 文房 四宝 中另一组成部分的宣纸 对于水墨画艺术效果的形成具有同样重要的作用 学者们对宣纸的建模也进行了研究 g u o 和k u n i i 首次提出了纸纤维结构的模型 1 6 1 他们用显微镜观察到纸纤维结构由随机分椎的网格组成 为了使纤维网格 的局部呈现随机分布而整体分布统一 他们把整个模型分成若干小区域 并遵循 以下两条规则 每个区域中的平均纤维网格分布相同 而区域内部的网格分布随 机变化 该模型仅仅把纸建模成随机分御的网格 没有考虑宣纸特殊的纹理结构 因此对于模拟水墨画典型的扩散效果 该模型仍然无能为力 随后 l e ej i n t a e 考虑了宣纸的纹理 并将其建模成两种类型 随机分布的纸纤维网格和规则分布 的纸纤维网格 提出了基于纸纤维结构模型的扩散算法1 1 7 1 但其生成的扩敏效 果规律性强 不够真实 此外 q i n gz h a n g 等提出了基于2 d 细胞自动机理论的 纸模型 1 8 1 2 3 3 水墨传输模型的研究 单纯从建模的角度进行仿真很难达到理想的扩散效果 实现起来也相当困 难 于是有些学者借鉴水彩画 油画等西画的仿真方法 走出了另一条水墨画仿 真路线 焦景山等在考虑水墨画自身艺术特点的基础上 参考水彩画仿真所采用 的浅水流动模型 即模拟一定量的水和颜料流过纸表面 提出了由二维纸纤维 结构构建的流体仿真模2 u 2 1 并初步模拟了水墨画的扩散效果 l e ej i n t a e 在其建立的纸纤维结构基础上 提出了一个 波动 理论来描述水 墨粒子在宣纸上的流动 以及最终扩散效果由粒子浓度决定的理论 1 7 1 q i n g z h a n g 等提出了应用2 d 细胞自动机计算模型来模拟水墨粒子的扩散行为 1 8 1 s h e n g w e nh u a n g 等提出了基于物理机理的水墨扩散模型 来描述不同绘画材料 之问的相互作用和水墨粒子的流动过程 1 9 1 2 3 4 水墨画的n p r n p r 泛指一切产生不以真实为目标的图像的方法 它的范围非常广泛 而以 绘画的表现形式来呈现出真实的事物当然也属于n p r 的范畴 现在模拟绘画效果 的n p r 研究 大多还是以西方绘画为主 探讨东方绘画特别是中国画的文献很少 近鼯年才有所发表 z e n c h u a n g s h i h 可谓是水墨画在n p r 方面研究的第一人 于 第二章中国水墨画仿真的研究现状 2 0 0 1 年提出了一种合成山水画中山石纹理的方法 2 0 该方法首先通过人工绘 制出山石的轮廓线 然后再在轮廓内部合成具有不同长度 密度和角度的皴法纹 理笔划 j u n w e iy e h 等提出了可以自动地将3 d 动物模型渲染成水墨画风格的一 整套算法 2 1 该方法通过两个步骤柬实现 3 d 模型轮廓笔划的产生和内部渲 染 c h i n gc h a n 等更加大胆地提出了创建3 d 水墨动画的思路 利用现有的3 d 软件包通过建模 渲染以及光照处理制作出了一系列水墨j c l 格的动画作品 1 2 y uj i n h u i 等提出了基于图像的山水画合成方法 该方法首先收集山水画中典型 的皴法笔划作为绘画原语 然后再在控制图像的协助下匹配出山石轮廓内部的纹 理 2 2 2 4 本项目组的相关工作 本项目组承担的中国水墨画仿真课题是圜家自然科学基金支持的项目 研究 工作开展两年多来 已取得了丰硕的成果 除了本文后面章节着重指出的研究成 果外 下面简要介绍一下本项目组其他成员的研究工作 2 4 1 中国水墨画各组成要素的材料特性 中国水墨湎经过长期的演变和发展 不仅形成了诸多风格派系 而且技法繁 多 再加上艺术创作过程中偶然因素和感性因素的大量存在 使得这种极为随意 挥洒的艺术形式很难和计算机这种严谨规范的技术相融合 这就需要首先深入研 究水墨画绘面材料特征及相互作用关系 从繁多的技法中抽取体现中国水墨画特 征的典型艺术效果 并对感性的艺术效果进行图形分析 实现其数字化定义 2 3 1 2 4 2 4 2 毛笔行为的模拟研究 作为水墨画仿真的用户输入部分 首先基于对水墨画感性艺术效果的图形分 析 建立画笔模型 然后对其进行数字化 标准化处理 通过初始化不同画笔的 数据结构 使用户通过鼠标 键盘以及压感笔等输入设备 生成易交互 可控制 结构化的水墨画典型艺术效果 2 5 3 2 4 3 宣纸的模拟研究 为便于分析宣纸在作画时所超的作用 将纸元素抽象成出纤维团和纤维丝两 第二章中国水墨画仿真的研究现状 部分组成 前者的作用是吸水吸墨 后者的作用是传递水墨 两者的分布共同决 定了宣纸的属性 纤维团和纤维丝都包括宏观和微观两种属性 纤维团的宏观属 性包括密度分布 容水率 蒸发率和积墨率 微观属性包括表面积 团半径 团 位置 容水量 积墨量等 纤维丝的宏观属性包括密度分布 方向分布和导水系 数 微观属性包括长度 方向等 纤维团和纤维丝共同构成了水墨运动的外部环 境 由此 纸行为可以总结为吸水 传递 蒸发 沉积四大行为 经过大量的试 验和分析总结 建立了一整套纸参数的生成规则 在这些规则的控制下 可以建 立具有不同属性和特质的纸模型 使得水墨在其上运动时呈现出不同的扩散效 果 2 4 4 基本扩散效果的模拟研究 由于水墨画的水墨主要是在宣纸的内部进行扩散和渗化 水的流动不单单靠 重力作用 更主要的是由于纸纤维的吸水作用和墨粒子的粘附作用 将水墨分解 为众多的水墨粒子 通过相邻粒子之间的相互作用柬产生水墨的整体扩散效果 对单笔扩散和多笔叠加 依掘复杂性的不同 提出并实现了不同的算法 并且通 过试验对这些算法进行了比较 与一般图像处理软件中的粒子发射引擎不同 我 们定义的是出水粒子流动作为主要推动力的水流推动引擎 各个纸纤维细胞间水 分不平衡是水流动的动力 每个纤维团与它周围的多个纤维团进行粒子的交换 墨的浓度影响水粒子的流动 纸纤维的内部结构影响流动和渗化的效果 这些复 杂的水墨运动规则和纸行为规则 控制着最终扩散效果的生成 2 6 2 4 5 应用粒子系统模拟动态的扩散效果 由于水墨扩散的过程具有很强的随机性 提出应用粒子系统由大量粒子的不 规则运动来表征这一现象的方法 这种宏观上规则运动 微观上随机运动的现象 称之为 伪布朗运动 根据粒子的特性归纳出了许多参数 为了便于理解 这 些参数尽量用它们的物理意义而不是实际意义来表达 如 吸水性 扩散类型 含水量 墨浓度 水分蒸发率等 2 7 2 4 6 干笔飞白 等复杂效果的仿真研究 通过深入分析 飞白 笔道的纹理特征 总结像素之问的分布规律 提出了 应用纹理映射对 干笔飞白 这种水墨画的特殊效果进行仿真研究的方法 该方 法涉及两个操作对象 笔道和样图 笔道确定了飞白轮廓 用户通过使用鼠标或 第一二章中国水墨画仿真的研究现状 压感设备绘制而成 样图决定了飞白纹理 事先存放在样图库中 2 8 2 4 7 山水画仿真生成的研究 中国山水画在漫长的发展过程中 形成了独特的风格和审美情趣 对l l i 水画 的研究不仅丰富了中国水墨画的仿真研究 也简化了用户操作的复杂度 提高了 仿真系统的智能性 山水画的生成采用两个研究方案 参数生成和图像类比 参 数生成法包括轮廓生成和皴法渲染两个步骤 2 9 图像类比法需要一对源图a a7 和一幅目标图b 其中a 是a 的原始参考图 目的是通过图像类比的方法 由b 得到具有水墨韵味的山水画b 该算法的基本思想是从a 和a7 中找到 特征对应关系 然后把这些特征传输到目标图中 3 0 第三章廊川分形仿真水墨扩散轮廓 第三章应用分形仿真水墨扩散轮廓 扩散性是水墨画的最基本的特点 如图3 1 但是在实际的绘画过程中 由 于水墨用量 扩散时间 用笔速度 角度等原因 甚至笔墨纸砚的类型不同 水 墨在纸上的扩散效果也具有很大的不同 这既是水墨画的魅力所在 同时也给仿 真研究带来了很大困难 幽3 1 一幅水墨画作i i i 本章首先对基本扩散效果进行模拟和实现 然后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 提出应用分形仿真水墨画不规 则扩散边界的一套方法 很好地克服了以往仿真效果的扩散边界整齐的缺点 3 1 基本扩散效果仿真 由于水墨画的效果样式繁多 而且非常复杂 想用一种方法来实现各种各样 的扩散效果 几乎是不可能的 所以我们提出了三种不同的扩散算法来进行仿真 这些方法具有各自不同的特点 极大地丰富了仿真效果的多样性 它们的原理虽 然不尽相同 但都在一定程度上实现了水墨画的扩散效果 三种算法都是在原始笔迹的基础上产生扩散笔迹 第一种方法通过建立物理 模型近似地模拟水墨画的扩散过程 并提出了一整套仿真模型体系 另外两种方 法虽不是基于物理模型 但也借用了l j 者水墨粒子和纸纤维细胞的概念 它们在 程序的具体实现中与位图的像素相对应 三种方法各有千秋 分别适用于不同场 合的扩散效果 第三章廊h 分形仿真水墨扩散轮廓 3 1 1 细胞交换法 水墨画中水墨的扩散主要是在纸的内部进行 影响最终效果的是纸的内部结 构 而不是表面高度细节 水的流动不单单靠重力作用 更主要的是纸纤维的吸 水作用和墨粒子的粘附作用 f 是纸纤维的内部结构差异 才会发生不同的扩散 及渗化效果 进 而产生扩散纹理 所以我们提出构建一个纸纤维内部结构模型 模拟液体在其内的流动扩散行为 该模型包含三个部分 1 水墨 一定量的水墨粒子 2 纸模型 具有一定的吸水力和容量的纸纤维细胞组成的三维矩阵 3 水流推动引擎 控制水墨粒子与纸模型及环境之间的相互作用的行为规 则 这里的 水墨粒子 并不是指纯粹的粒子系统 而只是借鉴粒子系统的基本 概念 用来形容离散的水墨粒子 水墨粒子可以看作是包含一定属性信息的水墨 单位 在后面的两个方法中 也借鉴了水墨粒子的概念 但实际上它们只是与图 像单个象素的简单对应 与这里的物理模型并无关系 像水墨粒子一样 每一个纸纤维细胞也包含一定的属性信息 如自身的容量 当时的吸水力 所含水墨粒子的数量等 纸纤维细胞可以想象为一个个具有不同 容量的吸水的棉球 它们可以和互相连通的相邻棉球交换水墨粒子 细胞棉球之 间的连通管道是虚拟的 只是粒子流动的通道 并不存储粒子 只起导通作用 细胞的状念由它的属性及它所包含的水墨粒子的属性共同决定 在水流推动引擎作用下 水粒子的流动是主要的推动力 各个纸纤维细胞间 水分不平衡是水流动的动力 每个细胞要与它周围的五个细胞 前 后 左 右 下 进行粒子的交换 墨的浓度也可以影响水粒子流动 纸纤维的内部结构影响 流动和渗化的效果 当粒子的流动停止以后 整个扩散过程随之结束 只要控制好平衡的条件 就可以模拟出简单的水墨效果 如图3 2 出于该算法是通过判断相邻两细胞是 否满足某种条件 以决定水墨是否进行交换 所以我们称之为细胞交换法 第三章庶州分形仿真水墨扩散轮廓 幽3 2 不同平衡条什f 的 细胞交换法 仿真效果 本方法通过建立物理模型来模拟水墨画的扩散过程 实现了水墨画的基本扩 散效果 实现简单 效果清晰 容易控制 即可单独计算 也可以配合其他方法 适应性很强 但本方法也存在一些问题 如扩散边界的边缘比较整齐 不自然 扩散笔迹处出现模糊现象等 3 1 2 逐圈扩散法 首先根据原始笔迹的颜色对纸纤维细胞的水墨粒子数进行初始化 同时本算 法对纸纤维细胞还赋予了一个新的属性 最少墨粒子数 通过判断相邻两细胞的 最少墨粒子数是否满足给定条件 决定每次是否向外扩散一个像素 循环一遍后 原始笔迹向外扩散一圈 通过设定循环次数 可以控制扩散的圈数 即扩散范围 由于算法可以通过预先控制循环次数 然后一圈一圈地由原始笔迹向外扩散 直 到达到给定的圈数为止 因此我们形象地称该算法为 逐圈扩散法 这种方法的扩散范围很容易进行控制 扩敝笔迹的颜色与相应处原始笔迹的 颜色有关 可以方便地控制扩散的效果 灵活性大 该方法的缺点是 所实现的 扩散笔迹的宽度在笔迹各处都相同 无法体现由于用笔 用力 用腕的不同引起 的扩散边界宽度的变化 不易控制出现不规则的边界 3 1 3 颜色传递法 首先根据原始笔迹的颜色对纸纤维细胞的水墨粒子数进行初始化 然后给定 某种交换条件 相邻两细胞的水粒子数大于某一数目 相邻两细胞的水粒子数 进行交换 同时两个细胞的颜色值按照某种规律单独变化 而不是像前述算法那 样 相邻两细胞的水墨粒子数同时交换 并把交换结束后细胞的墨粒子数转化为 第三章虑川分形仿真水墨扩散轮廓 最终的颜色值 由于本算法直接对细胞的颜色进行操作 相邻细胞交换水粒子的 同时 水粒子数多的细胞把一部分颜色值传递给水粒子数少的细胞 颜色传递的 结果 在原始笔迹的周围出现扩散效果 因此我们称该方法为颜色传递法 本方法直接对细胞的颜色进行操作 所以对扩散效果的控制比较直观 但另 一方面 由于颜色是由红 绿 蓝三种原色组成 当细胞的颜色需要变化时 我 们只知道r g b 值的变化方向 增加