水墨畫筆觸的快速渲染算法及其應用
中國水墨畫使用的水墨是一種單純的黑色顏料，主要由水和炭黑粒子組成.水墨在宣紙纖維中的滲透作用形成了水墨筆畫的擴散效果.水墨顏料在宣紙上的擴散范圍和顏色與水墨的含水量有關;含水量越大，擴散范圍越大，水墨的顏色也越淡.畫家通過靈活地利用墨色濃淡的變化和水墨在宣紙上的滲透效果來創(chuàng)造豐富的藝術形象.計算機水墨畫仿真中，水墨擴散的仿真和水墨畫圖像的渲染是水墨畫渲染研究中最主要的內容.目前對水墨擴散的仿真主要采用基于物理的建模方法‘卜4’.基于物理的建模方法需要分別考慮水粒子和墨粒子的運動機制，計算相當復雜、耗時;同時基于物理的模型雖然能很好地應用于交互式繪制系統(tǒng)，但很難應用于水墨畫圖像的自動轉換.本文提出了一種基于經驗的、高效的水墨畫筆觸的生成方法，較少考慮水墨粒子運動的物理機制，而是采用圖像處理的方法生成擴散效果.因此該方法計算簡單，并具有良好的時間連續(xù)性，不僅能很好地仿真水墨擴散的效果，而且能方便地應用于數字化繪畫系統(tǒng)、三維水墨畫渲染和圖像的水墨畫自動轉換等方面.
1 相關工作
藝術化渲染是非真實感圖形的研究熱點.針對中國水墨畫的渲染，人們已經提出了較多的方法，其中，基于筆畫的繪制[53是最典型的方法.例如，Way 等[6。73利用三維模型的幾何信息來控制筆觸的生成，實現(xiàn)了山水畫中的樹和山石紋理繪制.Yu等[8]在基于筆畫的繪制方法基礎上，提出了基于圖像的山水畫合成方法.李大錦[91提出了一種用戶可控的紋理合成方法，用于生成山石的“皴”紋理.這些方法雖然能得到較好的效果，但沒有實現(xiàn)完全的自動化，仍需要用戶指定控制信息.為了實現(xiàn)圖像的水墨畫自動轉換，Dong等[1們給出了一種快速的水墨畫圖像合成方法，其采用隨機擾動像素的方法仿真水墨粒子運動;但是該方法過于簡單，也不適用于單個筆觸的仿真.在上述渲染方法中，筆觸紋理或水墨效果的生成都具有一定的隨機性，很難保證紋理的時間連續(xù)性，所以并不能應用于動畫的渲染.
2水墨畫筆觸渲染方法
通過觀察手繪的水墨筆畫，可以看到筆畫由原始筆畫區(qū)域和水墨擴散區(qū)域2部分組成.原始筆畫區(qū)域是毛筆和紙張接觸的部分，水墨通過毛筆直接傳遞到這個區(qū)域;水墨擴散區(qū)域由水墨向原始筆畫四周滲透而形成，具有參差不齊的邊界，所以我們又把擴散區(qū)分為主擴散區(qū)和不規(guī)則的邊緣區(qū).由于在擴散過程中，炭黑粒子會逐漸減少，所以水墨顏色也會呈現(xiàn)衰減趨勢.圖1示意了水墨筆觸的不同區(qū)域.
2.1渲染流程基于水墨筆畫的觀察分析，可將其合成過程分為3步來完成：1)生成筆畫的主要擴散區(qū);2)在主擴散區(qū)邊緣生成不規(guī)則邊界區(qū)域;3)通過樣本圖像計算樣本的局部顏色起伏誤差，利用樣本的顏色誤差調整筆畫的顏色形成粗糙效果.圖2示意了整個渲染過程.
2.2生成主擴散區(qū)在形成主要擴散區(qū)的過程中，如圖3所示將原始筆畫的邊界向四周進行放大.放大過程從原始筆畫區(qū)域的邊界像素開始，每次擴大一個像素的距離.在邊界放大過程中，因為水墨含量隨著與原始筆畫邊界的距離增加而逐步減少，所以隨著邊界的放大，邊界像素顏色也逐漸減弱，透明度逐漸增加.
2.3 邊界生成水墨擴散的第二階段是在主擴散區(qū)邊緣形成不規(guī)則邊界.可采用分形幾何[18]來生成擴散邊界，但分形方法很難控制時間連續(xù)性.本文方法類似細胞自動機的方法[171，但不對水和炭黑粒子的運動分別進行計算，也不考慮水的蒸發(fā)等因素.
2.4粗糙效果由于宣紙對水墨粒子吸收的不均勻性以及紙張表面的不平性，會導致筆畫表現(xiàn)粗糙不平、顏色呈現(xiàn)不規(guī)則的起伏，這種特征可以從圖1中明顯看到.本文利用手繪的筆畫圖像作為樣本計算其局部的顏色起伏誤差，然后將誤差值疊加到筆畫來仿真這種特征.用一個二維數組E存放顏色誤差;首先將樣本圖像進行高斯低通濾波，然后將樣本圖像的像素顏色值和濾波后的圖像顏色值相減得到顏色誤差.在誤差相加的結果中，所有的負值設置為0，大于255 的值均設置為255.
2.5 筆畫重疊當2個筆畫疊加時，疊加區(qū)域的顏色會發(fā)生變化.當在一個完全變干的筆畫上繪制另一個筆畫時，由于炭黑粒子的再次沉淀，會使重疊區(qū)域顏色變暗，這就是水墨畫技法中所謂的“積墨”效果.圖7顯示了干筆畫的重疊效果.
3實驗結果與討論
本文方法的合成結果如圖9，10所示;其中，圖9 所示為本文方法合成的水墨筆觸和真實筆觸的比較，圖10所示為2個干筆觸的疊加效果.由實驗結果可以看出，本文方法雖然沒有遵循水墨粒子運動的物理機制，但同樣能夠得到近似真實的效果.利用樣本筆畫的局部顏色變化誤差來調整合成筆畫的顏色變化;筆畫重疊的積墨效果則通過對樣本的統(tǒng)計分析構造經驗公式來實現(xiàn).這樣可以很好地保留實際樣本的水墨顏色變化特征，如采用不同的樣本，可得到不同特點的效果.本文給出水墨畫筆觸的合成方法計算簡單、易實現(xiàn).當確定基本筆畫的初始邊界和調整顏色時需要搜索整個圖像;在實現(xiàn)擴散效果時，需要沿擴散邊界處理所有的邊界像素.因此，整個合成過程所花費的時間和筆畫圖像的大小、筆畫邊緣長度以及擴散范圍有關.與其他方法相比，本文方法只有在形成不規(guī)則邊界時，才計算紙張對水墨的吸收作用，而其他處理過程都是簡單的像素操作.表1所示為本文方法和其他方法在相同條件下渲染時間的比較;其中，實驗平臺是Intel cpu/z.3 GHz，Windows XP操作系統(tǒng)的筆記本電腦.
4 應 用
本文給出的水墨擴散合成方法著眼于單個筆畫，因此可以方便地將其應用于基于筆畫的渲染方法中，也可以和已有的三維渲染方法相結合，實現(xiàn)三維水墨畫渲染.
4.1交互式水墨繪制系統(tǒng)和虛擬毛筆相結合，利用本文方法可以開發(fā)出交互式實時水墨畫繪制平臺.因為水墨效果的形成是從筆觸的原始區(qū)域開始，所以可將毛筆和宣紙的接觸區(qū)域作為筆觸的基本區(qū)域，利用本文方法形成水墨擴散效果.圖11所示為借助寫字板作為輸入設備，利用本文方法生成的書法效果.
4.2三維水墨動畫渲染三維場景的水墨畫渲染很難直接通過模型的光照計算和紋理映射來實現(xiàn)，主要在圖像空間對場景進行處理.可通過提取特征線和局部像素區(qū)域作為描述物體的基本筆畫，將筆畫形成水墨效果.因為本文方法生成的筆觸具有良好的時間連續(xù)性，這給三維水墨動畫的渲染提供了較好的工具.渲染過程可采用文獻r-12—14]方法，將三維水墨畫渲染分為輪廓繪制和內部渲染2個階段;在提取特征線和內部區(qū)域后，分別將輪廓線和在內部區(qū)域利用本文方法生成水墨擴散效果.圖12所示為三維水墨畫渲染過程。
4.3圖像的水墨畫轉換圖像的水墨畫轉換是本文方法另一個主要的應用.圖像的藝術化轉換可分為2種：1)利用交互式輸人設備繪制草圖，該草圖不具備藝術效果，只提供了圖像形狀和顏色變化，將該草圖經過處理轉換為某種藝術風格的圖像;2)對數字照片或三維場景渲染的真實感圖像的藝術化轉換.
5總結與展望
本文給出的水墨擴散渲染方法是一種基于經驗的方法，它通過形成主擴散區(qū)、生成擴散邊界、顏色變化調整等過程實現(xiàn)水墨筆觸的合成，并給出了計算多個筆畫重疊的經驗公式;同時給出了相關的應用領域和應用方法.實驗結果表明，該方法不僅可以得到較逼真的效果，而且簡單、高效.在完善本文工作的基礎上，可在以下方面開展工作：研究濕筆畫之間的疊加，利用圖像的方法實現(xiàn)水墨畫中“破墨”效果的合成方法;本文只給出合成單色水墨畫筆觸的方法，可進一步研究如何對其改進，以實現(xiàn)彩色水墨畫筆觸的合成.
《水墨畫筆觸的快速渲染算法及其應用》來源：《計算機輔助設計與圖形學學報》，作者：李大錦，白成杰甜
