水墨画笔触的快速渲染算法及其应用

　　中国水墨画使用的水墨是一种单纯的黑色颜料，主要由水和炭黑粒子组成.水墨在宣纸纤维中的渗透作用形成了水墨笔画的扩散效果.水墨颜料在宣纸上的扩散范围和颜色与水墨的含水量有关;含水量越大，扩散范围越大，水墨的颜色也越淡.画家通过灵活地利用墨色浓淡的变化和水墨在宣纸上的渗透效果来创造丰富的艺术形象.计算机水墨画仿真中，水墨扩散的仿真和水墨画图像的渲染是水墨画渲染研究中最主要的内容.目前对水墨扩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别考虑水粒子和墨粒子的运动机制，计算相当复杂、耗时;同时基于物理的模型虽然能很好地应用于交互式绘制系统，但很难应用于水墨画图像的自动转换.本文提出了一种基于经验的、高效的水墨画笔触的生成方法，较少考虑水墨粒子运动的物理机制，而是采用图像处理的方法生成扩散效果.因此该方法计算简单，并具有良好的时间连续性，不仅能很好地仿真水墨扩散的效果，而且能方便地应用于数字化绘画系统、三维水墨画渲染和图像的水墨画自动转换等方面.

　　1 相关工作

　　艺术化渲染是非真实感图形的研究热点.针对中国水墨画的渲染，人们已经提出了较多的方法，其中，基于笔画的绘制[53是最典型的方法.例如，Way 等[6。73利用三维模型的几何信息来控制笔触的生成，实现了山水画中的树和山石纹理绘制.Yu等[8]在基于笔画的绘制方法基础上，提出了基于图像的山水画合成方法.李大锦[91提出了一种用户可控的纹理合成方法，用于生成山石的“皴”纹理.这些方法虽然能得到较好的效果，但没有实现完全的自动化，仍需要用户指定控制信息.为了实现图像的水墨画自动转换，Dong等[1们给出了一种快速的水墨画图像合成方法，其采用随机扰动像素的方法仿真水墨粒子运动;但是该方法过于简单，也不适用于单个笔触的仿真.在上述渲染方法中，笔触纹理或水墨效果的生成都具有一定的随机性，很难保证纹理的时间连续性，所以并不能应用于动画的渲染.

　　2水墨画笔触渲染方法

　　通过观察手绘的水墨笔画，可以看到笔画由原始笔画区域和水墨扩散区域2部分组成.原始笔画区域是毛笔和纸张接触的部分，水墨通过毛笔直接传递到这个区域;水墨扩散区域由水墨向原始笔画四周渗透而形成，具有参差不齐的边界，所以我们又把扩散区分为主扩散区和不规则的边缘区.由于在扩散过程中，炭黑粒子会逐渐减少，所以水墨颜色也会呈现衰减趋势.图1示意了水墨笔触的不同区域.

　　2.1渲染流程基于水墨笔画的观察分析，可将其合成过程分为3步来完成：1)生成笔画的主要扩散区;2)在主扩散区边缘生成不规则边界区域;3)通过样本图像计算样本的局部颜色起伏误差，利用样本的颜色误差调整笔画的颜色形成粗糙效果.图2示意了整个渲染过程.

　　2.2生成主扩散区在形成主要扩散区的过程中，如图3所示将原始笔画的边界向四周进行放大.放大过程从原始笔画区域的边界像素开始，每次扩大一个像素的距离.在边界放大过程中，因为水墨含量随着与原始笔画边界的距离增加而逐步减少，所以随着边界的放大，边界像素颜色也逐渐减弱，透明度逐渐增加.

　　2.3 边界生成水墨扩散的第二阶段是在主扩散区边缘形成不规则边界.可采用分形几何[18]来生成扩散边界，但分形方法很难控制时间连续性.本文方法类似细胞自动机的方法[171，但不对水和炭黑粒子的运动分别进行计算，也不考虑水的蒸发等因素.

　　2.4粗糙效果由于宣纸对水墨粒子吸收的不均匀性以及纸张表面的不平性，会导致笔画表现粗糙不平、颜色呈现不规则的起伏，这种特征可以从图1中明显看到.本文利用手绘的笔画图像作为样本计算其局部的颜色起伏误差，然后将误差值叠加到笔画来仿真这种特征.用一个二维数组E存放颜色误差;首先将样本图像进行高斯低通滤波，然后将样本图像的像素颜色值和滤波后的图像颜色值相减得到颜色误差.在误差相加的结果中，所有的负值设置为0，大于255 的值均设置为255.

　　2.5 笔画重叠当2个笔画叠加时，叠加区域的颜色会发生变化.当在一个完全变干的笔画上绘制另一个笔画时，由于炭黑粒子的再次沉淀，会使重叠区域颜色变暗，这就是水墨画技法中所谓的“积墨”效果.图7显示了干笔画的重叠效果.

　　3实验结果与讨论

　　本文方法的合成结果如图9，10所示;其中，图9 所示为本文方法合成的水墨笔触和真实笔触的比较，图10所示为2个干笔触的叠加效果.由实验结果可以看出，本文方法虽然没有遵循水墨粒子运动的物理机制，但同样能够得到近似真实的效果.利用样本笔画的局部颜色变化误差来调整合成笔画的颜色变化;笔画重叠的积墨效果则通过对样本的统计分析构造经验公式来实现.这样可以很好地保留实际样本的水墨颜色变化特征，如采用不同的样本，可得到不同特点的效果.本文给出水墨画笔触的合成方法计算简单、易实现.当确定基本笔画的初始边界和调整颜色时需要搜索整个图像;在实现扩散效果时，需要沿扩散边界处理所有的边界像素.因此，整个合成过程所花费的时间和笔画图像的大小、笔画边缘长度以及扩散范围有关.与其他方法相比，本文方法只有在形成不规则边界时，才计算纸张对水墨的吸收作用，而其他处理过程都是简单的像素操作.表1所示为本文方法和其他方法在相同条件下渲染时间的比较;其中，实验平台是Intel cpu/z.3 GHz，Windows XP操作系统的笔记本电脑.

　　4 应 用

　　本文给出的水墨扩散合成方法着眼于单个笔画，因此可以方便地将其应用于基于笔画的渲染方法中，也可以和已有的三维渲染方法相结合，实现三维水墨画渲染.

　　4.1交互式水墨绘制系统和虚拟毛笔相结合，利用本文方法可以开发出交互式实时水墨画绘制平台.因为水墨效果的形成是从笔触的原始区域开始，所以可将毛笔和宣纸的接触区域作为笔触的基本区域，利用本文方法形成水墨扩散效果.图11所示为借助写字板作为输入设备，利用本文方法生成的书法效果.

　　4.2三维水墨动画渲染三维场景的水墨画渲染很难直接通过模型的光照计算和纹理映射来实现，主要在图像空间对场景进行处理.可通过提取特征线和局部像素区域作为描述物体的基本笔画，将笔画形成水墨效果.因为本文方法生成的笔触具有良好的时间连续性，这给三维水墨动画的渲染提供了较好的工具.渲染过程可采用文献r-12—14]方法，将三维水墨画渲染分为轮廓绘制和内部渲染2个阶段;在提取特征线和内部区域后，分别将轮廓线和在内部区域利用本文方法生成水墨扩散效果.图12所示为三维水墨画渲染过程。

　　4.3图像的水墨画转换图像的水墨画转换是本文方法另一个主要的应用.图像的艺术化转换可分为2种：1)利用交互式输人设备绘制草图，该草图不具备艺术效果，只提供了图像形状和颜色变化，将该草图经过处理转换为某种艺术风格的图像;2)对数字照片或三维场景渲染的真实感图像的艺术化转换.

　　5总结与展望

　　本文给出的水墨扩散渲染方法是一种基于经验的方法，它通过形成主扩散区、生成扩散边界、颜色变化调整等过程实现水墨笔触的合成，并给出了计算多个笔画重叠的经验公式;同时给出了相关的应用领域和应用方法.实验结果表明，该方法不仅可以得到较逼真的效果，而且简单、高效.在完善本文工作的基础上，可在以下方面开展工作：研究湿笔画之间的叠加，利用图像的方法实现水墨画中“破墨”效果的合成方法;本文只给出合成单色水墨画笔触的方法，可进一步研究如何对其改进，以实现彩色水墨画笔触的合成.

　　《水墨画笔触的快速渲染算法及其应用》来源：《计算机辅助设计与图形学学报》，作者：李大锦，白成杰甜

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