中國(guó)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(kuò)散效果.水墨顏料在宣紙上的擴(kuò)散范圍和顏色與水墨的含水量有關(guān);含水量越大，擴(kuò)散范圍越大，水墨的顏色也越淡.畫家通過(guò)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(lái)創(chuàng)造豐富的藝術(shù)形象.計(jì)算機(jī)水墨畫仿真中，水墨擴(kuò)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(nèi)容.目前對(duì)水墨擴(kuò)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(yùn)動(dòng)機(jī)制，計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜、耗時(shí);同時(shí)基于物理的模型雖然能很好地應(yīng)用于交互式繪制系統(tǒng)，但很難應(yīng)用于水墨畫圖像的自動(dòng)轉(zhuǎn)換.本文提出了一種基于經(jīng)驗(yàn)的、高效的水墨畫筆觸的生成方法，較少考慮水墨粒子運(yùn)動(dòng)的物理機(jī)制，而是采用圖像處理的方法生成擴(kuò)散效果.因此該方法計(jì)算簡(jiǎn)單，并具有良好的時(shí)間連續(xù)性，不僅能很好地仿真水墨擴(kuò)散的效果，而且能方便地應(yīng)用于數(shù)字化繪畫系統(tǒng)、三維水墨畫渲染和圖像的水墨畫自動(dòng)轉(zhuǎn)換等方面.

　　1 相關(guān)工作

　　藝術(shù)化渲染是非真實(shí)感圖形的研究熱點(diǎn).針對(duì)中國(guó)水墨畫的渲染，人們已經(jīng)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(lái)控制筆觸的生成，實(shí)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(chǔ)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(méi)有實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)化，仍需要用戶指定控制信息.為了實(shí)現(xiàn)圖像的水墨畫自動(dòng)轉(zhuǎn)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(jī)擾動(dòng)像素的方法仿真水墨粒子運(yùn)動(dòng);但是該方法過(guò)于簡(jiǎn)單，也不適用于單個(gè)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(jī)性，很難保證紋理的時(shí)間連續(xù)性，所以并不能應(yīng)用于動(dòng)畫的渲染.

　　2水墨畫筆觸渲染方法

　　通過(guò)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(kuò)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(guò)毛筆直接傳遞到這個(gè)區(qū)域;水墨擴(kuò)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(kuò)散區(qū)分為主擴(kuò)散區(qū)和不規(guī)則的邊緣區(qū).由于在擴(kuò)散過(guò)程中，炭黑粒子會(huì)逐漸減少，所以水墨顏色也會(huì)呈現(xiàn)衰減趨勢(shì).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(guò)程分為3步來(lái)完成：1)生成筆畫的主要擴(kuò)散區(qū);2)在主擴(kuò)散區(qū)邊緣生成不規(guī)則邊界區(qū)域;3)通過(guò)樣本圖像計(jì)算樣本的局部顏色起伏誤差，利用樣本的顏色誤差調(diào)整筆畫的顏色形成粗糙效果.圖2示意了整個(gè)渲染過(guò)程.

　　2.2生成主擴(kuò)散區(qū)在形成主要擴(kuò)散區(qū)的過(guò)程中，如圖3所示將原始筆畫的邊界向四周進(jìn)行放大.放大過(guò)程從原始筆畫區(qū)域的邊界像素開始，每次擴(kuò)大一個(gè)像素的距離.在邊界放大過(guò)程中，因?yàn)樗�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(kuò)散的第二階段是在主擴(kuò)散區(qū)邊緣形成不規(guī)則邊界.可采用分形幾何[18]來(lái)生成擴(kuò)散邊界，但分形方法很難控制時(shí)間連續(xù)性.本文方法類似細(xì)胞自動(dòng)機(jī)的方法[171，但不對(duì)水和炭黑粒子的運(yùn)動(dòng)分別進(jìn)行計(jì)算，也不考慮水的蒸發(fā)等因素.

　　2.4粗糙效果由于宣紙對(duì)水墨粒子吸收的不均勻性以及紙張表面的不平性，會(huì)導(dǎo)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(jì)算其局部的顏色起伏誤差，然后將誤差值疊加到筆畫來(lái)仿真這種特征.用一個(gè)二維數(shù)組E存放顏色誤差;首先將樣本圖像進(jìn)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(jié)果中，所有的負(fù)值設(shè)置為0，大于255 的值均設(shè)置為255.

　　2.5 筆畫重疊當(dāng)2個(gè)筆畫疊加時(shí)，疊加區(qū)域的顏色會(huì)發(fā)生變化.當(dāng)在一個(gè)完全變干的筆畫上繪制另一個(gè)筆畫時(shí)，由于炭黑粒子的再次沉淀，會(huì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

　　本文方法的合成結(jié)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(shí)筆觸的比較，圖10所示為2個(gè)干筆觸的疊加效果.由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文方法雖然沒(méi)有遵循水墨粒子運(yùn)動(dòng)的物理機(jī)制，但同樣能夠得到近似真實(shí)的效果.利用樣本筆畫的局部顏色變化誤差來(lái)調(diào)整合成筆畫的顏色變化;筆畫重疊的積墨效果則通過(guò)對(duì)樣本的統(tǒng)計(jì)分析構(gòu)造經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)實(shí)現(xiàn).這樣可以很好地保留實(shí)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(diǎn)的效果.本文給出水墨畫筆觸的合成方法計(jì)算簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn).當(dāng)確定基本筆畫的初始邊界和調(diào)整顏色時(shí)需要搜索整個(gè)圖像;在實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散效果時(shí)，需要沿?cái)U(kuò)散邊界處理所有的邊界像素.因此，整個(gè)合成過(guò)程所花費(fèi)的時(shí)間和筆畫圖像的大小、筆畫邊緣長(zhǎng)度以及擴(kuò)散范圍有關(guān).與其他方法相比，本文方法只有在形成不規(guī)則邊界時(shí)，才計(jì)算紙張對(duì)水墨的吸收作用，而其他處理過(guò)程都是簡(jiǎn)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(shí)間的比較;其中，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是Intel cpu/z.3 GHz，Windows XP操作系統(tǒng)的筆記本電腦.

　　4 應(yīng) 用

　　本文給出的水墨擴(kuò)散合成方法著眼于單個(gè)筆畫，因此可以方便地將其應(yīng)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(jié)合，實(shí)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(jié)合，利用本文方法可以開發(fā)出交互式實(shí)時(shí)水墨畫繪制平臺(tái).因?yàn)樗�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(kuò)散效果.圖11所示為借助寫字板作為輸入設(shè)備，利用本文方法生成的書法效果.

　　4.2三維水墨動(dòng)畫渲染三維場(chǎng)景的水墨畫渲染很難直接通過(guò)模型的光照計(jì)算和紋理映射來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要在圖像空間對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行處理.可通過(guò)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?yàn)楸疚姆椒ㄉ�成的筆觸具有良好的時(shí)間連續(xù)性，這給三維水墨動(dòng)畫的渲染提供了較好的工具.渲染過(guò)程可采用文獻(xiàn)r-12—14]方法，將三維水墨畫渲染分為輪廓繪制和內(nèi)部渲染2個(gè)階段;在提取特征線和內(nèi)部區(qū)域后，分別將輪廓線和在內(nèi)部區(qū)域利用本文方法生成水墨擴(kuò)散效果.圖12所示為三維水墨畫渲染過(guò)程。

　　4.3圖像的水墨畫轉(zhuǎn)換圖像的水墨畫轉(zhuǎn)換是本文方法另一個(gè)主要的應(yīng)用.圖像的藝術(shù)化轉(zhuǎn)換可分為2種：1)利用交互式輸人設(shè)備繪制草圖，該草圖不具備藝術(shù)效果，只提供了圖像形狀和顏色變化，將該草圖經(jīng)過(guò)處理轉(zhuǎn)換為某種藝術(shù)風(fēng)格的圖像;2)對(duì)數(shù)字照片或三維場(chǎng)景渲染的真實(shí)感圖像的藝術(shù)化轉(zhuǎn)換.

　　5總結(jié)與展望

　　本文給出的水墨擴(kuò)散渲染方法是一種基于經(jīng)驗(yàn)的方法，它通過(guò)形成主擴(kuò)散區(qū)、生成擴(kuò)散邊界、顏色變化調(diào)整等過(guò)程實(shí)現(xiàn)水墨筆觸的合成，并給出了計(jì)算多個(gè)筆畫重疊的經(jīng)驗(yàn)公式;同時(shí)給出了相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用方法.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法不僅可以得到較逼真的效果，而且簡(jiǎn)單、高效.在完善本文工作的基礎(chǔ)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(shí)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(jìn)一步研究如何對(duì)其改進(jìn)，以實(shí)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(yīng)用》來(lái)源：《計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)》，作者：李大錦，白成杰甜

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