（计算机应用技术专业论文）基于水墨艺术作品的三维场景渲染技术.pdf

摘要 随着计算机图形学领域的不断发展，逐渐兴起了用计算机作为辅助工具来制 作3 d 艺术风格游戏动画的浪潮。然而，繁杂的制作工艺使水墨艺术风格在数字 世界中的重现成为一项挑战。针对这一问题，本文提出了一套基于水墨艺术作品 的三维场景渲染算法，对于输入的水墨绘画分析其艺术特征，并传递给多层渲染 器以实现水墨风格的场景渲染，从而快速地完成从水墨作品到3 d 场景的艺术风 格重现。 本文的算法由三个模块组成：水墨对象的分割与提取，水墨对象的风格特征 分析，以及基于风格特征的多层渲染机制。 水墨对象的分割与提取，是从艺术作品的大量风格信息中提取出独立的研究 对象。算法采用无核区域生长和区域合并相结合的图像分割技术，并在此基础上 改进区域合并与终止合并的准则，得到符合水墨特点的分割结果，提取出有效的 水墨对象。 基于对大量水墨作品的研究总结，本文将水墨风格特征归纳为笔道特征、墨 色特征和皴法特征。风格特征分析模块，通过计算分割区域纵横比和基于灰度共 生矩阵的纹理描述符，来实现对三种风格类别的自动判别。自回归模型和基于一 致性搜索空间的多级纹理合成技术对笔道和皴法进行规则化处理，有助于采用二 维映射技术的渲染过程。墨色特征采集灰度直方图统计数据来实现墨色分阶，并 结合h s i 颜色模型实现国画色的重现，展现了作品中丰富多彩的国画颜色。 对应风格特征类别，多层渲染机制包括笔道渲染器、墨色渲染器和皴法渲染 器。结合风格特征分析结果和模型表面特征信息来生成纹理映射图，并制定相应 的映射规则，采用二维映射技术实现轮廓线的水墨效果渲染，避免了虚拟毛笔复 杂的参数控制；根据墨色特征信息确定模型二维投影的灰度统计分阶点，结合提 取的国画色特征，利用墨色映射方法完成墨色渲染，重现作品的用墨特征；结合 皴法规则化纹理，采用基于面积等比约束的s - o 两步映射算法实现皴法渲染，不 但避免了纹理映射的拉伸走样问题，而且有效地保持了三维渲染的帧问连续性。 此外，本文还考虑了水墨作品的构图特征，并为场景添加背景图。实验表明， 本文算法成功实现了从水墨作品到三维场景的风格重用，能够很好地保持水墨风 格的一致性，达到风格重现的目标。 关键词：艺术风格重现图像分割风格特征分析3 d 水墨渲染多层渲染机制 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fc o m p u t e rg r a p h i c s ，a r t i s t i cs t y l et h r e e - d i m e n s i o n g a m e sa n d c a r t o o n sa r e l i k eb a m b o os h o o t sa f t e ras p r i n gr a i n h o w e v e r , i ti s m u l t i f a r i o u st oa c c o m p l i s h3 dc h i n e s ei n k - s t y l es c e n er e n d e r i n g s oi th a sc r i e df o r a ne f f e c t i v es o l u t i o nt ot r a n s m i tc h i n e s ea r t w o r ks t y l et oat h r e e d i m e n s i o ns c e n e f o rt h i sg o a l ，t h i sp a p e rc o m p o s e so ft h r e em o d u l e s ：o b j e c ts e g m e n t a t i o n ， i n k s t y l ea n a l y s i sa n dm u l t i - l a y e rr e n d e r i n gm e c h a n i s mb a s e do nt h ea r t i s t i cf e a t u r e s i nt h ef i r s tm o d u l e ，r e g i o ng r o w i n gc o m b i n e dw i t hr e g i o nm e r g i n ga l g o r i t h mi s g r e a t l ys u i t a b l et op i c ko u ti n k s t y l eo b j e c t sw i t ht h es i m i l a ra r t i s t i cs t y l e t h er u l e so f m e r g i n gs t a r t i n ga n dt e r m i n a t i n ga r ec h a n g e dt og e tm o r ee f f e c t i v es e g m e n t e dr e s u l t s b yl e a r n i n go fl o t so fi n k w a s hp a i n t i n g s ，w eg r o u pf e a t u r e si n t ot h r e es o r t s ： b r u s hs t r o k e ，i n k - c o l o ra n dt e x t u r e i nt h es e c o n dm o d u l e ，i ti sf i r s tt oc a l c u l a t et h e a s p e c tr a t i oo fr e g i o n sa n dt e x t u r e d e s c r i p t o rb a s e do nt h eg r a yl e v e lc o - o c c u r r e n c e m a t r i xt od e c i d ew h i c hs o r tt h es e g m e n t e dr e g i o n sb e l o n gt o t h e n ，a l lt h ef e a t u r e si n t h e s et h r e es o r t sa r ee x t r a c t e du s i n gd i f f e r e n tm e t h o d ss e p a r a t e l y ：t h ea u t o r e g r e s s i v e m o d e la n dm u l t i - t e x t u r es y n t h e s i st e c h n i q u eb a s e do nc o h e r e n c es e a r c h i n gs p a c ea r e a p p l i e dt or e g u l a rb r u s ha n d t e x t u r es a m p l i n g ；t h eg r a ys t a t i s t i ca n a l y s i sa n dh s ic o l o r s p a c ea r eu s e dt od i s p l a yw o n d e r f u li n k - c o l o ri nt h ep a i n t i n g sw e l l a c c o r d i n gt o t h i st h r e e s t y l eg r o u p s ，t h ed e s i g n e dm u l t i - l a y e rr e n d e r i n g m e c h a n i s mi n c l u d e st h r e ep a r t s ：b r u s hr e n d e r i n g ，i n k - c o l o rr e n d e r i n ga n dt e x t u r e r e n d e r i n g f o rb r u s hr e n d e r i n g ，f e a t u r e so n3 dm o d e l sa r ee x t r a c t e dt oh e l pe s t a b l i s h t e x t u r em a p p i n gr u l e ，w h i c ha v o i d st h ec o m p l e x i t yo fv i r t u a lb r u s hc o n t r o l l i n g f o r i n k - c o l o rr e n d e r i n g ，i n km a p p i n gm e t h o di sb r o u g h tt oa n a l y z eg r a yh i s t o g r a mo f p r o j e c to fm o d e l s ，w h i c he x p r e s s e si n k c o l o rv a r i e t yw e l l m e a n w h i l e ，w ea d o p ts - o t w os t e pm a p p i n g a l g o r i t h mf o rt e x t u r er e n d e r i n gt oa v o i dd i s t o r t i o na n dm a i n t a i nt h e c o h e r e n c ei nf r a m e s i na d d i t i o n ，t h ec o m p o s i t i o no fp a i n t i n g si sc o n s i d e r e dt og u i d eh o wt h e3 d m o d e l st ol a y o u ti nt h es c e n e b e s i d e s ，w ea d db a c k g r o u n d st ot h es c e n ef o rab e t t e r r e s u l t t h 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 ta l la l g o r i t h m si nt h i sp a p e rc a nm a k et h e i n k s t y l ei nap a i n t i n gr e c u r r i n gi nat h r e e - d i m e n s i o ns c e n es u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：a r t i s t i cs t y l er e c u r r e n c e ，i m a g es e g m e n t a t i o n ，a r t i s t i cs t y l ea n a l y s i s ，3 d i n k - s t y l er e n d e r i n g ，m u l t i l a y e rr e n d e r i n gm e c h a n i s m 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，也不包含为获得苤鲞盘堂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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位敝作者签名：诩疳 签字嗍 潮1 年。卵哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕盗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： 召乡务 导师签名： 签字日期：哆年9 月移日 佛竹 签字日期： 。7 年多月弓日 第一章绪论 第一章绪论 在计算机非真实感渲染技术不断发展的基础上，本文提出了一套基于平面水 墨艺术作品风格特征的三维场景渲染算法实现了艺术风格特征从二维绘画到三 维场景的重现。这在游戏、动漫，影视事业蓬勃发展的今天，必定具有广阔的应 用前景和较高的商业价值。 1 1 研究背景和意义 目前，计算机图形学渲染技术大致可分为两大类别的研究方向，一类是真实 感渲染技术( p h o t o r e a l i s t i cr e n d e r i n g ) ，另一类则是非真实感渲染技术 ( n o n p h o t o r e a l i s t i c r e n d e r i n g n p r ) 。真实感渲染是以追求如何实现真实世界叶1 的 光影变化为目标，甚至影像的增强与重建 也是这个领域中的一个分支，而这类研究 j 最常见的应用便是电影与游戏中的特效， 令观众与玩家分不清眼前所见的景象是否 为计算机所产生的影像。而非真实感渲染 技术的研究方向则是要产生艺术作品般的 影像特质，例如水彩画、油画、素描、卡 通画等，以及本文中所耍研究的中国水墨 画。 自古以来，中国水墨画一直是中国传 统绘画艺术中最具代表性的绘画方式。它 不同于西方画系中通过光、彩、色、体积 等再现客观世界而是注重抒情写意( 图 卜1 ) ，讲究以书法的用线形式如画，追求 笔墨情趣、浓浈、苦涩、空灵、清远的意 境，以其独特的艺术表现风格在世界上独 树帜。尽管水墨绘画以其清新脱俗的画 风赢得了部分西方艺术家的赞许，但从国 际艺坛的总体格局来看。中国水墨画仍处 谢 图l - i 荷花鸳鸯图 第一章绪论 于边缘位置。我们有责任向西方推广中国的艺术瑰宝，推进中国水墨画在世界范 围内的传播，使其成为国际艺术之林中的一棵常青树。 近几年来，随着数字媒体产业的迅猛发展，国内外的游戏、动漫、影视等相 关行业竞争激烈。虽然我国的传统数字媒体内容较以前有了很大发展，但是与日、 美等数字媒体产业大国相比，仍然差距较大。而水墨艺术的数字化应用，无论是 从技术层面还是支持力度层面，都处于弱势地位。早在1 9 6 0 年，上海美影厂制 作了世界上的第一部水墨风格动画片小蝌蚪找妈妈，为水墨画起到了很好的 宣传效果，得到各界人士的赞扬。之后，随着3 d 建模和动画制作技术的发展， 发表在s i g g r a p h 9 7 上的作品夏开启了水墨动画从2 d 平面向3 d 空间的 转化。2 0 0 7 年，一个由十人组成的团队，应用m a y a 、p h o m s h o p 等商业软件， 根据中国画家曹明冉的工笔重彩作品荷塘月色制作出一个三维水墨动画短片。 这个项目不仅在技术上有新的突破，还充分体现了国画美学，意境深远。但是该 作品耗费一个半月的制作时间，可见制作过程繁琐，成本较高。另外，中国近几 年大力提倡发展动漫游戏产业，这也引发了国内外相关行业对这片市场的关注。 被业内称作“动作天尊”的世界著名的日本电视游戏软件公司c a p c o m ，在2 0 0 6 年春季发售了超另类p s 2 水墨画游戏大神，中国也开始研发了国宝传奇 等一系列水墨风格游戏。对于国内的游戏研发来说，要想让国产游戏走向世界， 就必须要做出有中国特色的游戏来，以中国特有的文化底蕴来让外国人刮目相 看。 综上所述，本课题的研究意义如下： 首先，三维空间具有强大的表现力，通过创建丰富多彩的三维水墨虚拟场景， 打破了传统水墨画表达的空间局限性，更为广泛地表现和传播了水墨画的美学成 就，对中国水墨艺术的变革和发展有着积极意义； 其次，平面水墨作品的艺术风格在三维场景中得以重现，丰富了水墨渲染技 术的研究，为虚拟世界能够表现出水墨大家的绘画风范做了深入的探索与尝试； 第三，三维水墨场景渲染技术的研究成果在影视艺术、动漫游戏等方面有着 广泛的应用前景，在数字媒体中，呈现出水墨风格的视觉感受。 1 2 研究内容 基于水墨艺术作品的三维场景渲染技术的研究，旨在将水墨绘画中的艺术风 格特征在三维场景中得以重现。为实现这一目的，本课题的研究内容包括三大模 块，即艺术作品中水墨对象分割模块、特征分析模块，以及三维场景渲染模块( 见 图1 2 ) ： 第一章绪论 1 艺术作品中水墨对象的分割 一幅水墨艺术作品中有不同的描绘物体，可以分为山水、花鸟、鱼虫、静物 以及人物等，这些都可以称作为水墨对象。每个水墨对象由于所使用的技法、笔 法、墨色等风格信息的不同，使它们各自具有了独特而鲜明的绘制风格。首先将 一幅作品中的水墨对象进行分割，使它们各自独立出来，对应于三维场景中的多 个模型实体，分别进行风格传递。 2 水墨对象的特征分析 分割后的多个水墨对象各自具有独特的风格特征，为了实现这些风格的重 用，需要对它们进行分析： 首先，通过研习大量的水墨作品，总结出水墨对象在画面上的一般布局特征， 即水墨画的构图。应用这个特征确定出前景、中景和后景对象，并制定出构图特 征与场景中模型位置的对应关系。 然后，对每个水墨对象中的笔法、技法、墨色、皴法等风格特征，采用特征 区域纵横比、基于灰度共生矩阵的纹理描述等方法进行类别判断，针对不同的特 征类别采用不同的分析算法，包括对于笔道提取中心线和平均宽度，利用自回归 模型进行笔道规则化处理，对于大片区域的墨色进行颜色提取和灰度直方图特征 统计，以及对皴法进行特征采样和多级纹理合成等等。 最后，得到水墨对象的二元组集合，每个二元组记录着该对象的布局位置类 别，以及它所包含的风格特征。 3 基于风格特征的三维场景渲染 渲染的目的，是根据每个水墨对象所提取出的风格特征，在其对应的三维模 型上应用多层渲染机制，渲染出对应风格的场景： 渲染过程是以物体的三维图形信息为依据的，因此首先要提取出模型的表面 特征信息，包括模型轮廓线、法向量信息( n o r m a lv e c t o r ) ，以及顶点曲率( v e r t e x c u r v a t u r e ) ，这些信息将在渲染执行过程中起到指导作用。 多层渲染机制依照模型表面特征信息，在模型上将艺术作品中水墨对象的风 格特征进行重用。它是根据所提取到的风格特征类别而设计的，包括笔道渲染器、 墨色渲染器和皴法渲染器。对于笔道渲染器，根据特征提取到的规则化笔道纹理 生成映射纹理图，并通过制定相应的映射规则，完成笔道渲染；墨色渲染器，是 根据提取的国画色类型和灰度统计值，结合模型表面光照信息，进行墨色映射； 皴法渲染器，是利用多纹理合成技术，对采集的规则皴法纹理进行线性混合连接， 再利用基于面积等比约束的s o 两步纹理映射算法进行皴法渲染。 最后，依据作品的构图特征确定模型的空间位置关系，进行场景布局，并采 用天空盒的方式( s h yb o x ) 附加背景图，完成由二维水墨作品输入到具有相似 第一章绪论 水墨风格的三维场景的制作。 图1 2 基于水墨艺术作品的三维场景渲染的算法框图 1 3 创新点 本文的创新之处主要表现在以下几个方面： 第一，将3 d 水墨渲染中基于经验参数的渲染方法，扩展到基于水墨作品特 征信息的渲染方法，实现渲染风格来自输入的水墨作品，使得渲染结果更具多样 性。 第二，对多层渲染机制进行修改和扩充，添加了皴法渲染器，使多层渲染机 第一章绪论 制更加完整。 第三，对于水墨作品中的墨色特征提取，突破了以往单一的灰度绘制，引进 k m 模型所建立的标准国画色库，令墨色渲染结果更加接近真实的水墨颜料的色 彩。 第四，初步研究了水墨作品的构图特征，这也是作品风格的一大表现形式， 使得风格特征的分析更加完整。 1 4 全文结构 本文的整体结构如下： 第一章介绍论文的研究背景和意义、主要的研究内容、创新点以及论文的 整体结构； 第二章归纳并说明了中国水墨画的风格特征表达类别，阐述了与课题相关 的国内外研究现状，包括非真实感渲染研究的最新进展、艺术作品风格特征重用 技术的相关介绍，并着重研讨了从2 d 水墨风格仿真、水墨艺术特征的分析与提 取，到3 d 水墨画风格渲染的研究及主要成果； 第三章介绍了对输入的二维水墨绘画作品的分割处理技术，以及分割后对 水墨对象的提取方法； 第四章详细阐述了水墨对象的特征分析过程。根据水墨画的一般构图特点 将对象按照前景、中景及后景进行分类，然后对每个水墨对象的风格特征进行类 别判断，划分出笔道、墨色和皴法特征，并采用不同的算法对每一种特征类别进 行特征提取； 第五章详细介绍了三维场景中模型表面信息的特征提取，以及多层渲染机 制的具体设计与实现，并根据作品中的构图特征进行场景布局，添加背景信息； 第六章展现了利用本文算法所得到的实验结果，同时总结全文并提出展望。 第二章水墨风格特征总结及相关研究现状 第二章水墨风格特征总结及相关研究现状 中国水墨画源远流长，有着朴素、抽象、含蓄的画风，独特而鲜明的艺术特 点可谓是东方绘画艺术的象征，是中华文化的瑰宝。本章深入剖析水墨画的艺术 风格的构成要素，并总结国内外课题相关的研究现状，为深入研究水墨风格特征 和正确制定技术路线提供可靠的参考依据。 2 1 水墨艺术风格剖析 中国水墨画，简称“国画”，是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j 钩勒、设色、水墨等技法形式，金碧、大小青绿，没骨、 泼彩、淡彩、浅绛等设色类别。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。水墨画取景布局，视野宽广，不拘泥于焦点透视。传统笔墨的 表现方法，在黑白交融、虚实相间和点擦皴染中追求水墨画特有的情趣和格调。 其独特的艺术风格，通常由艺术家在作画过程中使用的水墨技法、笔法、墨法、 皴法以及画者当时的主观意念、情趣所致。本文从水墨画的作画技法、笔法、墨 法以及皴法的风格表达入手，总结归纳出水墨作品风格差异的成因，进而得到代 表一幅水墨作品独特风格的组成要素。 2 1 1 水墨技法特征 我们水墨技法初步反映了作品风格的差异。一幅水墨作品的风格，很大程度 上由画家作画技法不同所致，中国画技法大致分为六种：十八描、双勾、白描、 皴法、没骨、泼墨。本文对这些技法的特点进行简化、抽象和总结：( a ) 双勾、 白描和十八描( 图2 1 左) ，只用两笔( 上下或左右) 勾勒轮廓，或者中间不添 加任何笔道，或者不加色彩或略施淡墨渲染；( b ) 皴法( 图2 1 中) ，般也勾 勒轮廓，中间添加以纹理；( c ) 没骨和泼墨( 图2 1 右) ，不用墨线勾勒，只用 彩色笔道画成，或将墨泼于纸上，形成一些饱满淋漓的笔道，气势磅礴，进而构 成画面。 第二章水墨风格特征总结及相关研究现状 图2 i 水墨作品中技法特征示例 上述各种技法的差异可以概括为勾轮廓和不勾轮廓两种，而这两种技法在对 物体轮廓和内部的渲染上再各自演变出不同的技法，进而形成水墨物象千差万别 的风格韵味。所| 三【，对于水墨画中描绘物体的风格，可以以轮廓特征和内部特征 的组合来表征，而内部特征又分为两类泼墨或皴法。因此，本文将水墨对象的 表达由轮廓特征、墨色特征和徼法特征构成。 2 1 2 水墨笔法特征 笔法顾名思义即用笔的技法，包括了下笔、行笔和收笔，在整个书法国画艺 术体系中十分重要，也十分复杂。书法的用笔笔法具体可咀归纳为中锋、偏锋、 藏锋、露锋、逆锋、顺锋、方笔、圆笔等等。其中主要的有三种，中锋、偏锋和 侧锋。中锋，笔画边线或光洁平整，如刀切；或毛涩不平，如万年相藤。偏锋。 笔锋一侧的笔画光洁平齐笔腹一侧桔涩不平。侧锋，介于中锋运笔和偏锋运笔 之间的一种运笔方法，其笔画效果也介于中锋和偏锋之间。其他笔法具体特征不 再赘述，如图2 - 2 所示。 川2 图2 - 2 笔道特征示例 水墨画用笔主要即用线，线主要表现为细长笔道，笔法反映在这种笔道的效 果上，可以由笔道宽度变化和笔道纹理变化两方面作为其特征的表达。 一震 饕 -iq- ，fl 第二章水墨风格特征总结及相关研究现状 2 1 3 水墨画墨法特征 中国水墨画足以墨色浓被构成远近的视觉效果，正是出 于对这种原始单色的青睐形成了中国水墨画的一大特色：水 墨画不用色或少用色，突出水墨互渗所造成的丰富的表现效 果，体现出自然的意趣。“墨即是色”，指墨的浓演变化就 是色的层次变化，“墨分五彩”，指色彩缤纷可以用多层次 的水墨色度代替之。传统上有墨分五色之说，即“焦、浓、 重、淡、清”五个层次，其颜色由深到浅，如图2 - 3 。 综上，水墨画蚍墨代色，墨色层次又可由颜色深浅米表 示，所以从水墨作品中的用墨效果上来讲，墨色的浓淡变化 完全可由笔道的灰度变化来表达。 2 1 4 水墨皴法特征 图2 - 3 墨分五色 中国水墨画的皱法多用于山水画中，在绘画上具有特殊的重要性。以描线为 基本来表现山岳的明暗、凹凸的方法比较多。不过，主要的方法可分为下面六种， 其概要说明如下： 斧劈皴表现火成岩山岩崩溃的部分与突出的部分的主要方法，往往和 披麻教一起使用： 披麻教表现土山外观的主要方法，多用来画我国南方的山水： 卷云徼表现古老山脉的圆形山顶的主要方法，能表现出苍劲的感觉： 雨点皴表现被烟雾所笼罩的山岳的主要方法： 荷叶教表现水成岩所形成的山和岩的主要方法； 折带皴表现水成岩所形的山岳，特别是崩塌的斜面和堤防的主要方 法 咀上各种被法的应用，须视地质构成的关系而定，必要时可将两种方法混合 或折衷使用。图2 - 4 给出了一些教法示例。 黛黻交 薹r，o i 第二章水墨风格特征总结及相关研究现状 2 1 5 水墨作品的构图特征 水墨画重视画面的整体布局，关注作品的视觉大效果，同时注意细部描绘， 使远观的“势”和近观的“质”有机地统一起来。例如，一些写意的花鸟画，常 用山水作背景来衬托，树丛、山石画得相当到位，与前景的花鸟融为一体，画面 层次由此更显丰富。 水墨画的构图是指画面的布局、章法。或称“经营位置”，即要使画面的主 次分明，所要表现的重点主体突出，虚实相生，疏密有画面呼应，富有生动的情 趣。通过对大量水墨名作的研习，我们将水墨名作的布局特征总结如下( 翻2 - 5 ) ： 图2 - 5 水墨画构图特征示例 山水画里采用雨雾的虚实与空白来处理山j i l 、瀑布、亭台、林木的掩映。 可以说，画面上的空白或云雾都是实体，它可以是山、水、天、地等等。 物象有显有隐，气韵生动，增加画面的层次感，令人遐想连翩： 按照视觉上的由近到远的深度感受，将物体在画面上由底部到顶部排列， 近景分布在画面底部，远近分布到画面顶部，增强画面较强的层次感； 物体在画面上自左向右的排列时，错落有致，或者画面左右平衡对折各 半，或者左右半空半实； 画面常采用“井”字布局，利用画面大片空白，使画面所要表现的重点 ( 主体) 较为突： 本文可以通过水墨作品的布局特点，制定出规则来判定前景、中景、以及背 景物体，来指导三维场景中模型的位置关系。 第一章水鼹风格特征总结及相关研究现状 2 2 国内外相关研究现状 本课题的研究涉及计算机图形学非真实感渲染领域中的诸多技术，包括艺术 风格学习、艺术风格特征的分析提取，以及3 d 艺术渲染等方面。以下我们对这 三个主要方面的国内外研究现状做出一一介绍。 2 2 1 艺术风格学习 n p r 技术模拟传统艺术媒介的研究大都集中在艺术风格的生成上，对已有 图案风格的重用比较困难。针对这一问题，出现了艺术风格学习的研究，其研究 目标是将源图的艺术风格传输到目标图中。p e n 对目前的二维非真实感艺术风 格学习方法进行了总结和分析，根据所使用的技术和学习方法的不同，将艺术风 格学习的研究分为两大类：基于图像类比和纹理合成的方法，以及基于样本学习 的方法。另外，针对特定艺术形式或特殊应用，还出现了其他艺术风格学习的研 究方法。 2 0 0 1 年h e r t z m a n n l 2 1 等提出图像类比算法该算法需要输入一对源圈a 和 a 。以及一幅目标图b ，通过学习a 。的艺术风格，生成具有相同风格的图像b 。，如 图2 - 6 所示。而对于一幅绘画，其原始参考圈a 往无法获得，只能通过对a 滤波得到a 。因此，图像类比具有较大的随机性，不容易控制a 的调整程度， 1 r 真f ! 翌 圈2 - 6 图像类比例图 而a 的不同将直接影响输出结果的质量。在此基础上，出现了许多基于图像类 比和纹理合成方法的艺术风格学习研究，侧重于不同纹理合成算法与图像类比的 结合以及提高纹理合成的速度。x u ”培开了获取原始参考图的麻烦，采用基于样 图的纹理台成方法，从多幅具有同种风格的输 样图中获得特征传递给目标图。 c h e n l 4 嘲用基于块的纹理合成方法，井采用粒子群优化算法来加快纹理合成速 度。q i a n i5 】对经典a s h i k h m i n 算法进行改进建立一种新的邻域一致性度量，大 大提高风格传输效率，但结果中仍存在一些可察觉的源图像的形状信息。2 0 0 4 年，w a n g i ”将基于“l 形邻域匹配搜索算法”的图像类比方法，应用到水墨效 第二章水墨风格特征总结及相关研究现状 果仿真中，但生成效果与手工绘制的水墨画存在一定差距，见图2 - 7 零黧盈冱 图2 7 崮像类比的方法应用于水墨画 基于样本学习的艺术风格转换方法提供了一种不同于图像类比的风格转换 思路。f r e e m a n l l 提出基于样本学习的线条画风格转换方法，把线条画看作是笔 道组合，对事先建立的样本笔道集合进行匹配搜索，用搜索到的样本笔道代替线 条画中原有笔道，从而实现风格转换。该方法需要大量样本笔遭，当输入是单幅 样图时，不足以采集到足量的笔道来建立笔道样本集合，且笔道长度难以匹配， 见图2 - 8 。针对这一f o l 题，t u 口1 等提出基于样本的线条画风格转换与定制方法， 采用笔道细分算法计算笔道相似性，并通过风格插值操作实现对风格的定制。该 方法只需少量样本，但笔道的提取缺乏精确度，且无法保持帧间连续性。针对线 条画中存在多于一种风格线条的情况，r e n c 9 1 以单位长度为尺度对笔递进行分段 相似性比较，并将笔道规范化表示，在指定的样本区域和目标区域间进行匹配与 替换操作，该方法能够得到包含多种线条风格的线条画，但单位长度的分段处理 忽略了线条画的整体性和结构性，且容易增加线条的不连续点。 搽趣 图2 - 8 基于样条的图像类比方法 d a h u al i n i “i 考虑到不同艺术风格的表示由不同的特征向量空间组成，于 2 0 0 5 年提供了一种空间学习框架来建立不同向量空间之间的联系，以此来推断 风格的转化。s u n i ”墟出基于形状演化的线条画风格转换方法，该方法从输入线 条画中提取所有笔划，采特征点并用b 样条参数曲线形式重描笔划路径，然后 第二章水墨风格特征总结及相关研究现状 应用离散的非线性演化公式和线性仿射演化理论对笔划形状进行平滑、增强和宽 度调整，最后组合笔划得到新的风格线条画。z h a n g l l 2 1 以子分笔划为基本单位， 提出了基于图像的非参数化采样的印章风格转换方法。h e r t m a n 提出了曲线类 比方法，对矢量线条进行风格化，通过学习一个线条的某种风格，对任意线条生 成样本风格的效果。 2 2 2 水墨特征分析提取 学习水墨作品的艺术风格，需要进行风格特征的分析与提取，构造出决定其 独特风格的数据集合。目前；关于水墨艺术风格的特征分析研究并不多，且不是 独立存在的，而是服务于不同的研究目的。l i t1 4 j 通过2 - d m h m m ( m u l t i r e s o l u t i o n h i d d e nm a r k o vm o d e l ) 来刻画笔道类型，通过混合的2 - d m h m m 标志整幅水墨 作品的艺术风格，从而对输入的水墨作品进行分类。x u 1 5 1 于2 0 0 6 年提出了一种 基于笔道的图像分解技术，为水墨艺术特征分析提供了一条崭新的思路。该技术 需要建立一个包含各种典型笔道的笔道库，以此来指导图像分割过程，提取出笔 道的骨架和轮廓为笔道建模，实现水墨动画效果。虽然笔道是水墨作品中描绘物 体的基本元素，但是单个笔道的特征缺乏构建信息，无法表达笔道间的彼此联系， 只有将多个笔道联系起来形成有意义的物体组件，才能得到更有价值的信息，但 是该项技术并没有给出将笔道融合为有意义的物体组件的方法。2 0 0 7 年，d i n g 1 6 j 提出基于艺术作品的3 d 水墨动画制作技术，涉及到对水墨作品特征的分析和提 取，但主要侧重用于3 d 建模的组件轮廓和骨架的提取，对水墨作品的笔法、国 画色、纹理线条的分析相对粗糙。2 0 0 8 年，z h a o l l7 】提出了基于水墨画和3 d 模 型的艺术风格传递技术，对笔道的骨架和宽度特征，以及水墨作品中的墨色分布 特征提出了具体的分析方法，但是并没有考虑彩墨和皴法的特征提取问题，对分 析水墨作品中复杂多变的艺术风格的研究，还有待深入探索。 2 2 33 d 非真实感渲染 随着计算机图形学的不断发展，计算机艺术这一学科得到了长足的进步，二 维平面艺术的视觉局限性已经不能满足人们的审美要求，非真实感渲染技术随之 由2 d 引入3 d 领域，并随之涌现出许多新的研究与探索。 西方艺术风格的3 d 非真实感渲染技术发展迅速，铅笔画、油画、素描等经 典西方画系的3 d 非真实感渲染已经取得了丰硕成果。2 0 0 1 年，p r a u n t 博j 在论文 “r e a l - t i m eh a t c h i n g ”实现了铅笔阴影风格的三维模型渲染，见图2 - 9 左：2 0 0 6 年， c h i t l 9 】设计了一个交互式的三维风格化艺术渲染系统；2 0 0 8 年，c h u a n g t 2 0 1 根据油 画的绘画特点，对纹理合成技术进行改进生成艺术采样图( p a i n t e r l ya r tm a p s ， 第二章水墨风格特征总结及相关研究现状 p a m s ) ，利用艺术渲染系统进行3 d 非真实感渲染，见圈2 - 9 右。这些渲染算法 对风格特定的西方艺术能够取得较好的效果，但是对于表达方式丰富多彩的中国 水墨画则是远远不够的。 图2 - 93 d 非真实感渲染 3 d 水墨风格渲染研究基于传统n p r 渲染流程的研究：2 0 0 2 年，d e r - l o r w a y l 2 。1 结合基于概率模型的纹理合成算法渲染3 d 树( 图2 1 0 左) ，j u n u 忙i y e h “ 研究了自动渲染3 d 动物模型的方法( 图2 1 0 中) ，d e f _ l o rw a y 提出一种水墨 风格的山石纹理合成方法( 图2 1 0 右) 。这些方法针对特定模型才会取得较好效 果，且渲染过程是基于经验参数的，没有以任何的水墨艺术风格为依据。另外， 基于已有软件和开发包的研究也取得丰硕成果：c h a n l 2 5 1 于2 0 0 2 年提出使用 m a y a + r e n d e r m a nt o o k i t + r e n d e r m a na n 两t o o l s + c o m p o s e r 制作3 d 水墨动画的 方法，其核心思想包括基于s t r o k e 的建模、多层p r o c e d u r a ls h a d e r s 和产生飞自的 光照模型；l i 2 6 1 以三维动画技术软件m a y a 为主要研究平台，结合m a y a 软件中 的表达式和m e l 编程语言，编写动态的水墨特征纹理，用粒子冷画技术( p a i n t e f f e c t ) 编写自定义的中国画水墨效果的三维数码画笔，通过重构和解构数字化的 山石模型，获得动态三维水墨山水画艺术效果。 擎舔蕊 ! 丛罗潮獬餮 图2 1 03 d 水墨风格渲染成果 懑 舔，静 辫 第二章水墨风格特征总结厦相关研究现状 天津大学的数字艺术课题组在3 d 水墨渲染方面的研究做出了积极的贡献， 见圈2 11 。2 0 0 5 年，y u i ”i 对中国水墨画效果的三维渲染技术做了初步探索，利 用笔模型和笔道模型对3 d 模型的轮廓特征线进行水墨风格化渲染；d i n 9 1 1 6 于 2 0 0 7 年提出了基于水墨艺术作品的风格特征的提取思想，并实现了依据作品组 件轮廓和骨架进行建模的算法；2 0 0 8 年，z h a o i i ”提出了对水墨艺术作品中的特 征风格进行分析和重用的思想，实现了艺术特征从2 d 到3 d 的风格传递。这些 研究成果对本文都有很大的启发作用。 2 3 本章小结 图2 - 1 1 天津大学数字艺术小组的研究成果 本章对水墨作品的风格特征进行分类分析，总结了水墨艺术风格的技法、笔 法、墨法、教法以及构图的一般特征，这些结论性的分析对我们后面的工作具有 指导意义。另外，对课题相关工作的国内外研究现状做了具体介绍，这些对课题 的进展具有启发作用。 名婶一 一 一 量 忱 协u 第三章艺术作品中水墨对象的分割 第三章艺术作品中水墨对象的分割 本章对一幅水墨作品中的多个水墨对象进行分离，然后针对独立后的水墨对 象分别进行特征区域的分割，最终得到由水墨对象和其对应的特征区域所组成的 二元组集合。该集合是第四章和第五章的工作基础，简单地说，水墨对象用于对 应三维物体模型，而水墨对象的特征区域用于对应特征提取，进而指导多层渲染 机制的渲染过程。 3 1 水墨艺术作品分割 一幅水墨作品之所以不同于其它类型的作品或同一类型的其它作品，是因为 其独特的艺术特征。在作画过程中，画家往往采用不用的绘画手法来绘制不同的 物体，而每个物体自身的绘画技法却具有相似性，我们将这种具有相似水墨风格 的绘画目标称作一个水墨对象。水墨对象表达了现实世界中的事物，具有实际的 意义，因此本文以此为单位，将一幅水墨作品分割成多个具有实际意义的水墨对 象。 本章内容涉及到图像分割技术，主要的图像分割方法分为四大类：基于邻域 的方法、直方图阈值法、颜色聚类法和结合特定理论工具的方法，这四类方法各 具优缺点。针对本文，为了取得更为合理的分割效果，在分割过程中需要将空间 信息和颜色信息相融合，以便提取出正确的水墨对象。实验证明，区域生长和区 域合并相结合的方法【2 7 】能够很好地满足水墨对象的分割与提取。 3 1 1 区域生长 区域生长根据事先定义的准则将像素或种子区域聚合成大区域，它融合了颜 色信息和空间信息，其基本方法是以一组种子点为初始，将与种子性质相似( 如 灰度级和颜色范围) 的相邻像素附加到生长区域的每个种子上，直至满足区域生 长的终止条件为止。这种方法的分割效果很大程度上依赖于种子点的数目和位置 的确定，若数目和位置选择不当，则会造成图像欠分割或过分割现象。为避免这 种复杂性，本文采用【2 7 】中提出的“无核区域生长算法，该算法无需事先确定种 子点的数目和位置，而是在生长过程中增量式产生新种子，进而形成新的分割区 域。 第三章艺术作品中水墨对象的分割 区域生长过程中，采用区域平均颜色距离作为区域相似性的量度。客观世晃 中两个物体的色差大小与人眼视觉感到的色差大小相同时的颜色度量空间，称作 均匀颜色空间。惯用的r g b 颜色空间一般用于计算机、电视机的显示系统，由 于人体视觉对其感知是非线性的，无法直接用来作为颜色度量空间。而国际照明 委员会定义的c i e l 9 7 6 l * a * b * 颜色空间【2 8 1 是一种对于物体颜色在人眼知觉上均 匀反映的空间，且c i e l 9 7 6 l * a * b * 主要应用于染料、颜料及油墨等表面颜色工 业部门，这一点也非常符合本文中对墨汁和彩墨的分析。因此，本文选用 c i e l 9 7 6 l * a * b * 颜色空间作为区域相似性的度量空间。以下给出r g b 颜色空间 经由c i e x y z 空间向c i e l 9 7 6 l * a * b * 颜色空间进行转换的方法： r g b 空间转换为c i e x y z 空间： 其中， 0 3 5 7 6 o 7 1 5 2 0 1 1 9 2 公式( 3 - 1 ) 朋= 骺嚣协0 5 5 广一砒t 0 眦0 4 0 e 4 5 踯2 ， c i e x y z 空间转换为c i e i9 7 6 l * a * b * 空间： 其中， i l = 11 6 g ( r y o ) 一1 6 a = 5 0 0 ( g ( x x o ) - g ( y y o ) 1 公式( 3 - 3 ) l b = 2 0 0 ( g ( y y o ) 一g ( z z o ) ) 荆= 7 。帆二裟6 蛐3 卅 瞄黧 公式( 3 5 ) 将r g b 空间转换到c i e l 9 7 6 l * a * b * 颜色空间后，便可定义两种颜色 ，、 、j、，、j 5 5 5 5 5 5 2 2 2， 尺g b ， ，f一、_、 5 2 5 0 2 0 8 7 5 l 0 9 0 0 0 4 6 3 2 2 9ll，l 4 2 o o 0 0 ，。，。l o0i = 、j x y z ，。，。l 第三章艺术作品中水墨对象的分割 日g ，口，6 1 ) 和l ，口：，6 2 ) 的色差在该空间的欧式距离观。： 公式( 3 6 ) 定义了相似性度量的计算公式后，开始执行无核区域生长算法。对于图像， 将其左下角像素p ( o 。0 ) 所属区域标记为0 ，按照扫描线顺序自左向右、自下向上 逐像素进行标记，将所有像素点划分到某个区域中。假设图像，中像素只，的左侧 相邻像素昂一。所属区域为r 。，其下方相邻像素露所属区域为r d ，则： 1 当r ，= r z