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浙江t 业大学硕士学位论文 基于特征的图像视频铅笔画绘制技术研究 摘要 非真实感绘制指的是利用计算机生成不具有照片般真实感，而具有手绘风格的图形的 技术。其目标不在于图形的真实性，而主要在于表现图形的艺术特质，模拟艺术作品或作 为真实感图形的有效补充。 本文在研究非真实感绘制的主要技术和分类的基础上，分析了国内外铅笔画的主要绘 制方法和绘制模型，提出了一种基于特征的图像视频铅笔画自动绘制方法，该方法利用 图像处理的一些技术把一幅真实的图像转化为铅笔画风格。主要工作如下： 首先，本文在m a o 等人算法的基础上，提出一种面向铅笔画绘制的特征提取方法， 该方法准确地提取出了图像的特征轮廓，并以矢量线的形式保存该特征轮廓，以适应铅笔 画的生成。 其次，为丰富铅笔画的内容，提出一种以散乱数据为笔触的插入方法，并冠以补偿方 法来优化散乱数据点，使得绘制出的铅笔画更接近人类手工的绘制效果。 最后，综合s o u s a 和b u c h a n a n 的铅笔画工具模型，提出一种适应于自动铅笔画绘制 的铅笔和纸模型。 关键词：非真实感绘制，铅笔画，特征提取，图像处理，饥算法，散乱数据 浙江丁业大学硕十学位论文 r e s e a r c ho nf e a t u r e b a s e di m a g e v i d e o p e n c i ld r a w i n gt e c h n o l o g y a b s t r a c t 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 ) r e f e r s t ot h e t e c h n o l o g y f o r m a k i n g c o m p u t e r - g e n e r a t e dg r a p h s 丽mh a n dd r a w i n gs t y l e ，r a t h e rt h a n r e a l i s t i ce f f e c ta sp h o t o g r a p h i t f o c u s e so nt h eg r a p h sf e a t u r e ，r a t h e rt h a nt h eg r a p h sa u t h e n t i c i t y n p ri su s e dt oa n a l o g s w o r k so fa r ta n di ti sa ne f f e c t i v es u p p l e m e n to fr e a l i s t i cg r a p h s i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt or e s e a r c ho np e n c i ld r a w i n gm e t h o d sa n da n a l y s i so fd r a w i n g m o d e l sb o t hh o m ea n da b r o a d ，a na u t o m a t i cf e a t u r e b a s e di m a g e v i d e op e n c i ld r a w i n gm e t h o d i sp u tf o r w a r d r e a li m a g ec a nb et r a n s f o r m e di n t op e n c i ld r a w i n gb ya p p l y i n gt h e s ei m a g e p r o c e s s i n gt e c h n i q u e s t h ed e t a i l e dw o r kl i s t sa sf o l l o w i n g ： f i r s to fa l l ，b a s e do l lm a o sa l g o r i t h m ，f e a t u r ee x t r a c t i o nm e t h o df o rp e n c i lr e n d e r i n gi s c r e a t e d ，w h i c he x t r a c t sa c c u r a t e l yt h ef e a t u r eo ft h ei m a g ec o n t o u ra n ds a v e di t sr e s u l t si nt h e f o r mo fv e c t o rc u r v e ss oa st oa d a p tt ot h eg e n e r a t i o no fp e n c i ls t y l e s e c o n d l y , i no r d e rt oe n r i c hp e n c i ld r a w i n gc o n t e n t s ，s c a t t e r e dd a t ai n t e r p o l a t i o ni s i n t r o d u c e dt od r a ws t r o k e sa n dt h e nc o m p e n s a t i o nm e t h o di su s e dt oo p t i m i z et h eo b t a i n e d s c a t t e r e dp o i n t s ，w h i c hm a k e sap e n c i ls k e t c hc l o s e rt ot h ee f f e c to ft h eh u m a nh a n dd r a w i n g f i n a l l y , o nt h eb a s eo fp e n c i ld r a w i n gt o o lm o d e l si n t r o d u c e db ys o u s aa n db u c h a n a n , a n e wa u t o m a t i cp e n c i la n dp a p e rm o d e li sr a i s e d k e yw o r d s ：n o np h o t o r e a l i s t i cr e n d e r i n g ，p e n c i ld r a w i n g ，f e a t u r ee x t r a c t i o n ，i m a g e p r o c e s s i n g ，l la l g o r i t h m ，s c a t t e r e dd a t a 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：朋日期：砷年r 月珈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名： 导师签名： 辨 k 丑 日期：彷辨y 月沁日 日期：讪卵年f 月矶日 浙江工业人学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景和意义 自2 0 世纪6 0 年代计算机图形学诞生以来，对仿真真实世界的追求一直是图形学界不 懈努力的目标。经典的真实感图形学致力于产生仿真图像和场景，其对真实世界的再现达 到了以假乱真的水平，使人无从分辨。用真实感绘制出来的图像逼真，符合人们平时所见， 顺应了人们的视觉习惯，较容易被人接受。计算机图形学发展的这些年，基本上都是围绕 在真实感绘制这个主要的领域，真实感绘制技术也因此被广泛地应用于计算机辅助设计、 多媒体教学、虚拟现实系统、科学计算可视化、动画制作、电影特技模拟、计算机游戏等 许多方面。 真实感图形研究达到了它所追求的“像照片一样真实”的效果。从心理学的观点来看， 真实感图形暗示着精确性和完美性，强调模拟场景对于现实世界的保真度。然而，由于真 实感绘制过于精确地反应现实，所以缺乏绘画作品应有的艺术感觉，很难表达艺术家想要 表达的意境。这恰恰是现在真实感绘制技术被人认为诟病最深的地方。今天，真实感图形 学面临一个严峻挑战，从技术上来说，真实感绘制的结果固然精确真实，但却流于古板冷 酷，完美过分以至于失去灵动和感情。从某种意义上来说，这种真实感偏离了人类对世界 认识的高层抽象本质，表现的反而近乎于一种“灵魂的贫瘠 【2 j 。 为了避免真实感绘制技术的不足，非真实感绘制作为真实感绘制的补充被科学家带入 研究之中。非真实感绘制技术是一个新兴的技术，其英文全称为n o np h o t o r e a l i s t i c r e n d e r i n g ，简称n p r 。和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，非真实感绘制的驱动力主要来自人类知识 的规律，其目标不在于图形的真实性，而主要是为了通过计算机表现图形的艺术特质、模 拟艺术作品( 甚至包括作品中的缺陷) 或作为真实感图形的有效补充，强调和传达某种人 们关心的特定信息而忽略其他内容【2 】。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。 由于非真实感渲染中对模型进行一定的抽象，省略了一些细节并突出加强了一些细 节，从而比真实感渲染能一目了然的体现设计者的设计意图，所以非真实感在工程技术图、 一1 一 浙江二r = 业大学硕士学位论文 装配说明图和某些视频教育领域比真实反渲染有更好的表现效果3 1 。 1 2n p r 研究现状 经过十多年的发展，非真实感绘制技术取得了长足的进步，并且催生出不少优秀的成 果，尤其是近年来计算机图形学领域的科学家们投入了更多的精力，非真实感绘制技术已 成为当前的研究热点。 国际上对非真实感绘制的研究则显得异常的活跃，在每年举行的s i g g r a p h ( 最高 级别的计算机图形学会议) 年会上围绕着非真实感图形学，已经产生了大量的论文和技术： 从使用其形状( 这些形状可能传递着自身的信息) 具有一定意义的微点来打印图像的艺术 屏蔽( a r t i s t i cs c r e e n i n g ) 方法，到以笔墨、水彩或雕刻蚀刻版画( e n g r a v e de t c h i n g ) 风格 绘制图像的技术，再到照明过程以及表明形状或指引观察者注意力的变形三维模型1 4 】。研 究领域涉及到医学数据视觉化、笔画( s t r o k e s ) 模型设计、轮廓( s i l h o u e t t e s ) 检测、多 种艺术风格( a r t i s t i cs t y l e ) 呈现( 铅笔，钢笔，水彩等) 和实时交互实现等内容，一些 n p r 技术模拟传统的艺术媒介如钢笔画【5 川、铅笔画o l 、水彩画【1 l 】、油画【1 2 1 、漫i 画【1 3 , 1 4 等都取得了很好的效果。 在钢笔画的模拟中，代表人物有w i n k e n b a c h l 6 1 ，他使用传统的钢笔画的形式来描绘 三维几何模型，并提出了“笔划纹理”这一名词，系统用笔划纹理填充表面并表现色调和 材质。在油画的模拟技术上较有代表性的是h e r t z m a n n 的系统【1 2 1 ，他使用一系列的样条 笔刷来描绘图形，从而得到了手工绘制的效果。h s u 等人【1 5 】扩展了画笔的概念，提供了一 种基于“骨骼笔画 的绘画和动画系统。s o u s a 和b u c h a n a n 使用电子显微镜扫描真实的 铅笔画，也开发了一个铅笔画的产生模型1 6 , 1 7 】。l i t w i n o w i c z 的系统【1 8 】贝u 可以将普通的视 频片段转变为具有手绘效果的动画形式。t e e c e 提出了一种n p r 的新的绘制方法【1 9 】，在 这个系统中，用户通过人机交互的方式将笔划放置到三维模型上，这些笔划能根据视点的 不同而进行相应的调整，从而产生逼真的动画效果。w o o d 等人【2 0 1 研究了基于3 d 模型和 照相机路径的自动多视角全景图的生成。c o r r e a 等人【2 1 1 向漫画家提供了制作手工艺术品 的纹理合成，并有效地控制了纹理瑕疵的生成。 国内对n p r 技术的研究主要在近几年，而且主要集中在浙江大学c a d & c g 国家重 点实验室，以及清华大学计算机科学与技术系的人机交互与媒体集成研究所。浙江大学 c a d & c g 国家重点实验室的工作主要涉及到卡通动画生成瞄2 3 1 ，水粉风格图形绘制州， 基于图形的国画风格图形绘制【2 4 1 等。在水粉图形绘制中，他们提出了一个三维计算机水 浙江工业大学硕士学位论文 粉笔刷模型，包括笔刷单元选取、颜料模拟、颜料扩散以及整体控制4 部分，该模型结构 简单并可以直接应用到传统三维曲面上，绘出的结构具有手工绘制水粉画的效果。在图画 风格的图形描述工作中，利用可编程图形硬件设计出对三维的山峦模型进行实时水墨效果 绘制的系统。 清华大学计算机科学与技术系的人机交互与媒体集成研究所的工作则侧重于图形学 和几何计算组，涉及到非真实感绘制的相关算法研究，如b e z i e r 曲线的算法及b e z i e r 曲 面的离散算法研究。 1 3 相关工作 作为n p r 其中一个分支的铅笔画绘制技术也是研究重点之一。本文的工作重点也是围 绕铅笔画绘制方法展开的。对于铅笔画绘制技术的研究，现有的绘画方法主要分为两类， 第一类方法主要是对绘画用的工具( 如铅笔和纸) 和绘画的风格进行物理的模拟，它能够 得到复杂而丰富的绘画效果，但整个绘画过程建模复杂、系统庞大，而且大部分都采用人 工交互的系统中，通过设置大量的参数来实现绘制过程。如一种早期的2 d 绘图系统 p e n c i l s k e t c h t 2 5 1 ，它使用鼠标和一个虚拟桌面，让用户交互的给出一些参数，比如铅笔的 硬度，使用铅笔时的压力，条纹的方向等等，这种技术的绘制需要设置大量的参数，从而 达到绘制的效果，它要求绘画者具备一定的铅笔画绘制基础，从而限制了它的应用。后来 s o u s a & b u c h a n a n 使用电子显微镜扫描真实的铅笔画，开发了一个铅笔画的产生模型 1 1 6 , 1 7 ，此模型包括对铅笔、纸以及铅笔和纸的交互的模拟，将铅笔画笔触定义为由一条矢 量线段、绘制路径和特征函数组成。特征函数包含了绘制铅笔画的一些参数，在这个模型 中，当获取到笔触矢量线段，并在用户指定一些参数后，针对特定的绘制路径，它能把一 张2 d 图片转换成一张铅笔画效果。t a k a g i 和f u j i s h i r o 等人对彩色铅笔画的生成进行了研 究【9 l ，属于另一种风格铅笔画方法的研究。 第二类方法是对真实图像的非真实感处理，主要利用图像处理的一些技术把真实的图 像转化为铅笔素描画的一种方法，这一类方法适合于铅笔画的自动生成。目前主要流行的 通过图像的纹理笔触来实现绘制的过程。典型的算法如x i a o y a n g m a o ，yn a g a s a k a 等人 通过研究电脑模拟素描笔触【8 ，2 6 1 ，利用l i c ( l i n ei n t e g r a lc o n v o l u t i o n ) 运算来达到铅笔笔 触效果。l i c 是一个基于纹理的特征向量，c a b r a l 和l e e d o m 在1 9 9 3 年首次提出来的。 m a o 利用l i c 运算能提供流场的纹理方向的特点，通过使用白色噪声图像和向量域的综 合线积分运算，最终输出的图像具有铅笔画的风格。随后，l in a n 等人在此基础上又作 浙江t 业大学硕士学位论文 了一些改进工作啦7 】，采用基于特征区域的铅笔画绘制方式，并将其绘制结果与p h o t o s h o p 软件的铅笔画绘制结果进行了比较，得出了该方法更接近人类手工绘制的结果。然而由于 他们没有对原始图像的轮廓特征做任何操作，导致产生的铅笔画中保留了太多不太重要的 细节，基于这点考虑，李龙生1 2 8 捌等人分别采用u s m 锐化和霓虹处理生成铅笔画中的轮廓 特征，这些改进算法使得绘制结果越来越接近人类手工绘制结果，然而对于铅笔画这种艺 术表现形式，更强调对象的结构、形状和神态【3 0 】，在绘制过程中，有时并不过分要求保 留原图的全部特征，而更需要提取一些图像的重要特征，然后在这些重要特征的基础上进 行取舍和添加，从而留给欣赏者更多的联想空间。同时，使用l i c 来模拟铅笔画的纹理， 色调比较单调，手法比较单一，针对这些不足，本文有一些铅笔画绘制的想法。 1 4 本文的思想和工作 本文的研究目标是要在p c 机上实现基于图像视频的自动铅笔画绘制系统的开发。由 于视频是由一幅幅图像帧组成的，因此本文主要针对图像自动铅笔画算法做出探讨和研 究。 如何从一幅二维图像自动获取到相应的铅笔画效果，从过程来说类似模拟人类手工作 画的过程，首先勾勒出图像的大致轮廓，然后再进一步深入刻画出各部分的不同色调。2 0 0 6 年h y u n gw k a n g 等人在其论文中采用了局部增量的c a n n y 边缘检测算法【3 l 】提取图像的 特征，然后根据所提取的主要特征线来添加一些特征区域内部的笔触，从而得到了图像的 绘制笔触。然而此方法需要人工交互，不利于自动铅笔画绘制。本文采用了一种新的特征 提取方法，该方法弥补了上述方法在轮廓提取中的不足，也能产生不错的特征提取效果。 同时，为了突出铅笔画的绘制纹理，本文通过分析s o u s a 和b u c h a n a n 提出的铅笔画绘制 模型的基础上，结合铅笔绘画工具的特征，采用了一种简单的铅笔和纸模型，从而实现了 一定的铅笔画绘制效果。在绘制算法的研究过程中解决了如下难题： ( 1 ) 对原始图形进行了一定程度的主观抽象，采用了优于传统边缘检测和锐化算法 的一种特征提取算法一饥算法，有效的实现了目标图像的轮廓勾勒过程。 ( 2 ) 考虑到人类绘画过程中会添加一些额外的线条来丰富绘制的内容，本文在已获 取的特征轮廓的基础上，采用了一种随机散乱的笔触添加算法，并解决了添加的笔触既要 具备随机性，而又不凌乱的难题。 ( 3 ) 为了突出铅笔画绘制的效果，本文分析了s o u s a 和b u c h a n a n 的铅笔和纸模型， 给出了一种简单的绘制模型，当然这个模型存在着诸多的不足，也将成为本课题将来讨论 一4 一 浙江t 业大学硕士学位论文 的重点之一。 当然，为了使第一阶段的特征提取能更有效，首先要对图像进行一些预处理操作，比 如图像灰度化、图像锐化增强等，如果图像存在着噪声的情况，还要进行相关的滤波去噪 操作，这将不作为本文的重点。 1 5 论文的组织与安排 本文总共分为六章对所研究的内容进行了详细阐述，安排如下： 第一章：绪论。介绍了非真实感图形学的研究背景和意义，以及它目前的研究情况。 第二章：非真实感图形绘制技术研究。比较了真实感和非真实感绘制的不同，并从非 真实感图形绘制的成功标准、发展历史、分类及目前主要绘制技术介绍了非真实感领域。 第三章：铅笔画绘制技术。简单介绍了素描铅笔画的意义、主要难点问题以及本文铅 笔画绘制所要采用的铅笔和纸模型。 第四章：基于特征的图像视频铅笔画研究。首先对图像进行预处理，然后采用l l 特征线提取方法获得图像的特征，通过给定的特征线，采用向量的表示方法来获取插入向 量以便绘制出插入笔触，并采用一定的模型来实现绘制的目标。 第五章：基于特征的图像视频铅笔画绘制系统的实现。本章在前面章节相关理论以 及研究的基础上，实现了人脸铅笔画绘制系统。 第六章：总结与展望。对全文工作进行了总结并对未来的研究内容乃至n p r 研究前 景进行了简要的阐述。 浙江丁业大学硕士学位论文 第2 章非真实感绘制技术研究 2 1引言 以图形的方式观察和认识客观事物，是人类最便捷的认知方式。计算机图形学自诞生 的时候就在计算机科学领域占有重要的地位，借助图形硬件近年来的飞速发展，真实感图 形学生成图片的效果已经达到了几乎可以乱真的地步，对真实感的追求造就了绘制技术的 历史，包括真实感绘制技术和基于图像的绘制技术等。随后，从真实感绘制和图形绘制技 术上，开始出现的非真实感绘制技术，从其实现角度来看，采用了真实感图形显示的一些 技术方法，因此n p r 技术并不是真实感绘制方法的替代品，而是它的一个超集【3 2 1 。 2 2 真实感图形绘制技术的不足 自2 0 世纪6 0 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，不论是丌发人员还是计算机动画艺术家，都以追求“真实 为目标，这个 真实是指物理上的真实，视觉上的真实，越真实，就越成功，几十年来，这个目标就没有 动摇过。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。 真实感图形学已经有了非常广泛的应用，在计算机辅助设计、多媒体教学、虚拟现实 系统、科学计算可视化、动画制作、电影特技模拟、计算机游戏等许多方面，发挥了重要 的作用。然而，一方面真实感图形的绘制结果越来越接近真实的世界，一方面它所存在的 问题也越来越明显【2 j ： 首先，由于真实世界的丰富多样，自然界的种种过程极其复杂，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其复杂的工作。在传统的基于物理模型的方法 中，研究人员在定义场景时，对对象的场景光照和材质等进行精挑细选，来产生令人信服 的结果图像。为了避免极端的计算机复杂性，很多研究致力于采用特殊方法实现特定类型 的对象的模拟，比如微观世界或者化学过程的仿真，但是我们仍然无法用一个通用的模型 浙江工业人学硕士学位论文 来描述真实世界。 其次，通过模拟真实世界进行真实感绘制的研究常常并不是为了模拟本身，而是为了 产生结果图像。尤其是在技术人员的工作中，他们进行设计时，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。对他们来说，这种要求让计算机生成和照片 一样的结果图像是没有意义的。 再次，真实感图形学从技术上来说，其结果虽然精确真实，但也古板冷酷，缺乏灵活 性与感情。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。这方面的研究就是非真实感图形学的内容，建模和动画的过程建立在真实感图形 学共有的基础上( 比如曲面造型、反走样等等) 。但是非真实感绘制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区别。术语表达式( 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，而这些术语也明确地表达了非真实感绘制研究的目标。 2 3 真实感和非真实感绘制比较 非真实感图形绘制又称之为风格化绘制，它并不关心像照片般真实地再现客观世界， 尽可能真实的反映客观世界，恰恰相反，它更关注于图形个性化和艺术化的表达，在非真 实感图像绘制中，需要对绘制内容和方式做出主动的选择，强调的是人眼看世界的主观感 受。对内容创造者来说他认为重要的部分要重点表现，而且要用他认为合适的方式来表现， 而被创作内容在视觉上的真实并不是被考虑的重点。非真实感图像绘制经常由一个应用程 序实现，程序以一幅图像或三维实体作为输入，而输出则为特定风格的绘制图像。 真实感和非真实感图形学之间的差别可以用下面的表2 1 来阐明： 浙江工业大学硕士学位论文 表2 1真实感和非真实感绘制的比较 比较项目真实感非真实感 方法模拟仿真风格化 特征客观的主观的 效果物理过程的仿真和艺术过程一致，基于感觉 准确性精确的近似的 诚实，观看者明确知道图像是场景的一 可欺骗性 不诚实，观察者可能被误导认为图像是真实的 种描述 不能避免传递无关紧要的细节，信息太多而且细节 细节层次可根据观看者的注意力改变细节层次 层次固定 完整性完整不完整 适合表达 刚性面自然的和有机现象 可以看出，真实感图形与非真实感图形在方法上、精确性、效果、细节表达等方面都 有很大的差别，它们共同构成了计算机图形学研究的领域。非真实感绘制领域的研究大体 可以用图2 1 来概括。 图2 - 1n p r 绘制过程及研究内容 从一个3 d 场景出发，可以通过两种方式来获得非真实感结果： 1 经过一个2 5 d 的中间处理过程。即分析3 d 场景，计算绘制3 d 场景的笔划并通 过虚拟媒质表现生成的笔划，从而获得最终的非真实感结果。 2 中间经过一个真实感图像。即先用传统方法生成真实感图像，然后再通过图像重 浙江t 业大学硕士学位论文 构笔划或采用传统的滤镜方法来产生非真实感的结果图像。 2 4 非真实感图形绘制 通过模拟真实世界进行真实感渲染的研究经常并不是为了模拟本身，而是为了产生结 果图像。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， 而不是通过对象物理建模得到的结果。对他们来说，这种计算机生成的结果图像和照片无 从分辨的错觉是没有意义的。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一开始就招致了批评，这种真实偏离了艺术，表现的反而近乎于一 种“灵魂的贫痔”。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， 逐渐被艺术界认可，从而获得灵魂的涅架。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图形学的内容。由于建模和动画的过程建立在和真实感 图形学共有的基础上( 比如曲面造型、反走样等) ，而非真实感渲染与传统的关于真实感 渲染的研究无论在目的、结果和方法上均有本质不同，因此非真实感渲染构成这一领域的 核心。术语表达型绘制、艺术绘制、美术绘制以及说明性绘制等，都属于非真实感渲染的 研究范围，而这些术语更明确地表达了研究目标。由于非真实感渲染中对模型进行一定的 抽象，省略了一些细节并突出加强了一些细节，从而比真实感渲染更能一目了然的体现设 计者的设计意图，所以非真实感在工程技术图、装配说明图和某些视频教育领域比真实感 渲染有更好的表现效果。 2 4 1 成功的目标及标准 如果将非真实感绘制视为一个科学挑战，而不顾研究结果的应用，那么非真实感绘制 的确是一个有趣、有潜在回报、值得努力的领域。然而，人们仍不清楚在上述情形下如何 测度这项工作的成功。在真实感绘制中，成功的量度标准是得到的图像与照片的接近度。 虽然这是一个与应用无关的、有用的量度标准，但对非真实感绘制而言，并不存在类似的 量度标准。因此对非真实感绘制成功标准的量度标准应该从更主观的应用和艺术角度考 虑，大致可以分为如下几个方面。 ( 1 ) 模拟智能。可以在人工智能领域的许多早期的相似基础上研究非真实感图形绘 一g 一 浙江f t 业大学硕+ 学位论文 制。这一工作的目标过去是，现在有时仍然是能够模仿人的智能。类似地，可以将非真实 感图形绘制的目标定义为仿效人类手工创作图形能力的一种尝试。有趣的是，绘画作品的 风格往往是由手工制图所用工具的局限性所决定的。例如，用铅笔作画时，要精确地对表 面进行明暗处理是一件困难的事，由此发展出基于明快线条的交叉影线作为一种好的逼近 方法。人工智能团体的目标远远超出了非真实感绘制的目标，并强调了用户界面中更多的 自适应性。虽然如此，非真实感绘制方法有一个固有的量度成功与否的标准：计算机生成 的图像能在多大程度上接近手工创作的图像。可以想象一个“非真实感绘制图灵机测试 ： 计算机可以生成具有手工创作的绘画作品中的错误的图像吗? 当然，该测试的基本原则仍 然停留在单纯科学挑战的层次上。 ( 2 ) 传达意图。存在超越科学好奇之外的研究非真实感绘制的其他基本理由。首要 理由是，有大量的证据表明，非真实感绘画作品在许多情况下，在传达特定信息方面实际 上比照片或真实感绘画作品更为有效。在上节中展示与照片几乎没有相同之处、用于传递 信息的手工创作图形的实例时，曾间接地提到过这一点。尽管照片和由计算机生成的真实 感作品已经存在，这些非真实感绘画作品仍被使用着。除这一经验证据之外，认知和教育 心理学家们已经完成了许多研究，以证明这类手工创作图形较之于照片类图像的优势。在 这些情况下，评判非真实感绘制的标准是观察者能否确定图形信息所预期的意图，评判中 可使用的参数包括理解信息所需的时间、错误率以及不同文化问方方面面的现象。 ( 3 ) 澄清语言与图片之间的关系。另一个研究非真实感绘制的基本理由涉及到研究 图片和语言之间的关系。勿庸置疑，自然语言是世界上占主导地位的沟通工具。这种说法 假设了语言和思维之间的关系，并认为语言实际上已经塑造了人的心智能力。读写是学校 教学所传授的基本技能之一，而使用这些技能的能力一般被认为是通向富贵的入场券。相 比较而言，图片绝大多数时候仅作为一种附加品用于展示图片伴随的文字所描述的主要结 果。学校教育一般很少或不包含将图片用于进行思想沟通或图片解释的教育。 随之出现的一个有趣的问题是，将语言用于沟通是真的更好，还是说其强势发展和广 泛使用更多地是由于习惯的原因。假设后者成立，则掌握用计算机生成图形的方法将非常 有用，因为社会的大多数成员并未经过手工绘图的训练。由于其灵活性和大量与表达相关 的可能的细微差别，非真实感绘制将在这里扮演重要角色。在这些情况下，一个测度非真 实感绘制成功程度的标准是一致性。利用一致性，可以向使用者传递复杂的信息。一个可 能的测试是为受试者展示大量图形，并要求他们用自然语言写下他们所肯定的东西。与受 试者的叙述之相似性以及这些叙述与所预期的意图相匹配之程度相关的变量代表着可能 浙江t 业大学硕士学位论文 的评估变量。 ( 4 ) 提供新产品和服务。研究非真实感绘制时，也存在着需要达到的、非常好的实 际目标。可以假设，在线参考材料和所谓的电子书成为印刷品的正式替代品的一个先决条 件是，必须开发出能有效生成接近手工创作图形质量的非真实感绘画作品的系统。以解剖 学这一科目的医学学生用书为例，这类书记包含了手工制作的图形，这些图形由经过专门 训练的、高度熟练的插图画家制作而成。如果需要在线获得这些材料，在没有非真实感绘 制的方法和工具时，这些在线材料将仅能包含手工制作图形的扫描版。这将严重地限制读 者与这些图像的交互，而且要对手工制作的图形做出改动也是相当困难的。此外，由于不 能在算法上维持图像文本的连贯性，这也将限制可能的文本操作。所有这些意味着， 如果不能掌握非真实感绘制，在线材料将不能增加与交互图形相关的附加值。 2 4 2 发展历史 非真实感绘制最早出现在2 0 世纪8 0 年代的早期论文中如：s t r a s s m a m 【3 3 1 ( 1 9 8 6 ) 和 s a s a d a 【3 4 1 ( 19 8 7 ) 。9 0 年s a i t oa n dt a k a h a s h i t 3 5 1 和h a e b e r l i 冈在s i g g r a p h 会议上发表了两篇 非常有影响力的论文。到9 4 年，随着几篇论文在s i g g r a p h 会议的发表( 如w i n k e n b a c ha n d s a l e s i n 【6 】、s a l i s b u r y t 5 1 ) ，和在e u r o g r a p h i c s 会议的发表( 如s 咖t h o n e 【3 7 】) ，这一新领域才 逐渐显现出来。到9 7 年s i g g r a p h 将非真实感绘制单独作为一个类别，此后非真实感绘制 技术进入了一个稳步发展的时期。 图2 - 2n p r 的出现过程 浙江t 业大学硕十学位论文 如上图2 2 所示，早期的非真实感绘制系统是二维的交互式绘图系统，如：q u a n t e l p a i n t b o x 系统。这类系统提供给用户方便的艺术绘图工具，比如笔刷、铅笔等，用户使用 这些工具在画布上创建基于象素的图像。这种绘图系统优点是：交互性强，简单方便。缺 点是：表现力差，实现的艺术效果单调。中期出现了基于笔刷的2 d 绘制系统和2 d 2 5 d 后期处理系统。这一时期的非真实感绘制在基于象素绘制的基础上，提供了更丰富、更成 熟的笔刷、画布和笔划模型。2 d 2 5 d 后期处理系统将原始的或有附加信息的图片作为基 础进行图像处理。它以增强图像为基础，并利用艺术家对场景的预先绘制定义，自动生成 图像。如：用计算机模拟素描、水彩、油画等艺术效果。随着图形硬件的不断发展，新近 的非真实感绘制领域的研究主要集中于n p r 在三维空间上的应用。不少研究者都致力于 在三维空间上采用不同的风格实时显示n p r 的绘制算法的研究。这种基于三位数据自动 生成图像主要优势在于可以生成实时动画与虚拟漫游场景。 2 4 3 分类 非真实感绘制技术从不同的角度有许多不同的分类方法。最主要的分类方法有两种： 根据处理的数据以及是否需要用户交互来分类；针对基于模型的( m o d e lb a s e dn p r ) ，或 基于图像的( i m a g eb a s e dn p r ) 进行分类1 3 引。 2 。4 3 1 第一种分类方法 早期的非真实感绘制技术主要是二维的交互式绘图系统。经过长期的发展，出现了不 需要用户交互的三维自动系统。我们可以根据处理的是3 d 还是2 d 2 5 d 的数据以及是否 需要用户交互，将非真实感绘制技术分为四类如表2 2 ： 浙江工业大学硕士学位论文 表2 2 依据维数、交互性对非真实感绘制的分类 二维或二维、 ( 2 d 2 5 d )三维( 3 d ) s a i t i 0 9 0 一r e n d e r i n g3 ds h a p e s s a s a d a 8 7 - n a t u r a is c e n e r y b a k e r g e m 91 - - f r e e - h a n dp l o t t i n g 5 d 9 3 一k a t yi l l u s t r a t i v e b u c h a n a n 9 6 一h a l f - t o n i n g w i n k e n b a c h 9 4 p e n & i n k l i t w i n o w i c z 9 7 v i d e op r o c e s s s t r o t h o t t e 9 4 一f r a m e s h e r t z m a n n 9 8 一b r u s hm u l t is i z em e i e r 9 6 - p a i n t e r l y 不需要交互 r a s k e r a n d c o h e n 9 9 一i m a g e l e b a r e d i a n 9 6 一c e ll o o k p r e c i s i o ns i l h o u e t t ee d g e c i a e s 9 7 - n e t w o r k e d v e r y o v k a 9 9 - d i g i t a l h a l f t o n i n g m a r k o s i a n 9 7 r e a l - t i m e v e r y o v k a b u c h a n a n 0 0 t e x t u r e b a s e d g o o c h 9 8 一t e c h n i c a li l l u s t r a t i o n d i t h e rm a t r i c e s l a k e 0 0 r e a l t i m e3 da n i m a t i o n s t r a s s m a n 8 6 h a i r yb r u s h e s h a e b e r l i 9 0 b yn u m b e r s l i t w i n o w i c z 91 一l n k w e l i t e e c e 9 8 3 de x p r e s s i v e c o o k s h o t t 9 2 m o dt e x t u r e s a l t a n d n a k a j i m a 9 9 - 3 d 需要交互h s u 9 4 s k e l e t a ls t r o k e s p h y s i c a l l yb a s e db r u s hm o d e l s a l i s b u r y 9 4 p e n & i n kw i l l i a mvb a x t e ra n dm i n gcl i n - 0 3 s c h o f i e l d 9 6 p i r a n e s i i n t e r a e t i v e3 db r u s hm o d e l c u r t i s 9 7 c gw a t e r c o l o r d e u s s e n 0 0 - s t i p p l ed r a w i n g ( 1 ) 不需要用户交互的2 d 2 5 d 非真实感绘制。这类绘制主要是把图像和视频序列 自动的处理成具有风格化的艺术效果的图像。如：h e r t 珊籼【1 2 1 提出的将输入照片数据处 理成为手绘风格的图像。该方法依据原图的颜色，应用不同的笔触来绘制图像。它使用分 层绘制的方法，首先绘制粗的笔划，然后在适当的地方绘制细一级的笔划并覆盖在粗的笔 划上面，依此类推绘制若干层。 ( 2 ) 不需要用户交互的三维非真实感绘制。此类非真实感绘制技术典型代表有 w i n k e n b a c h 9 8 6 1 、m a r k o s i a n 9 7 3 9 1 、g o o c h 9 8 i t 4 0 l 等。通常借助计算机的三维图形硬件加速， 实现非真实感动画和虚拟漫游。此外，还有阴影技术、框架绘制技术、卡通绘制技术等。 其主要概念就是笔触纹理( s t r o k et e x t u r e s ) ，借助笔触纹理绘制三维物体，可以表示l i n e d r a w i n g 的色调等信息。缺点是该方法没有很好的解决动画各帧之间的一致性问题，抖动 比较严重。 ( 3 ) 需要用户交互的2 d 2 5 d 非真实感绘制。这类系统需要用户的控制，不能自动 生成最终图像。该系统最多是使用三维模型预先生成二维的图像作为中间产品，然后通过 用户控制，在中间产品上绘制生成最终的二维图像。所以，这被称为是2 5 维的。 ( 4 ) 需要用户交互的三维非真实感绘制。这类非真实绘制主要表现三维效果、虚拟 一1 3 浙江工业人学硕士学位论文 场景等。如t e e c e 9 8 中，提出了一个需要用户干预的三维非真实感绘制系统。在该系统 中，用户交互地在三维物体的表面放置笔划，这些笔划可以在改变视点的情况下保持三维 位置信息不变，一旦笔划放置完成之后，就可以方便地生成动画或者静态的图像。 2 4 - 3 2 第二种分类方法 ( 1 ) 基于模型的( m o d e lb a s e dn p r ) 。基于模型的非真实感绘制包括对传统绘画媒 介的模拟，比如钢笔画效果、铅笔画效果、油画效果、水彩画效果等。 ( 2 ) 基于图像的( i m a g eb a s e dn p r ) 。基于图像的非真实感绘制不仅包含对单幅图 像的处理，也包括对视频流的处理。 ( 3 ) 二者混合的( h y b r i da p p r o a c hn p r ) 。二者混合就是指系统结合使用了基于模型 和基于图像的非真实感绘制方法。 ( 4 ) 交互的二维、三维绘画系统。交互的二维、三维绘画系统需要用户和系统的有 机结合，它们侧重于辅助艺术家创造各种风格的场景，或者利用人的智能解决非真实感绘 制中计算机无法解决的难点。 2 4 4 非真实感的主要绘制技术 2 4 4 1 基于笔触的绘制技术 基于笔触的绘制技术具有一些典型的特征。以钢笔画的插图为例，笔画主要用来描述 色调和纹理。通常笔画的构建是不规则的，这样有利于表现物体的不同形状和特征。创建 笔画时，先从直线开始，通过细分产生线段链，用线段链来控制多边形产生自由曲线，使 笔画光滑。笔触纹理的构建是在笔画的基础上进行的。在一定的区域，通过填充满图像的 笔画的集合来表示笔触纹理。笔触纹理对正确表达纹理和色调来说很重要。纹理暗示了表 面的材质特性，色调则侧重于光照信息的可视化。另外，笔触纹理还同屏幕的大小和分辨 率有关。笔触的方向取决于生成图像的算法，一般是通过向量场来表示的。在向量场中， 每一个象素都存储了一个值，基本操作就是改变这些向量的方向使之与绘画工具的运动匹 配。 通常，笔触纹理是笔画的一个集合。笔画与参考系无关。为了绘画，它们是按随机顺 序选取的。为了预定义绘画序列，为每个笔画分配了优先级，产生了优先级化的笔触纹理。 如图2 3 所