动态模拟中国水墨画中的笔画绘制
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[3]
对设备控制的技能和熟练程度
也有一定的要求 . 本文提出一种基于绘画轨迹和纹理的动画工 具 , 重建并动态显示构成绘画作品的笔画 . 绘画图 像首先经过交互式笔画分割 , 应用轨迹估算方法 为每一笔画自动提取合理的绘画轨迹 ; 然后用画 笔足迹模型和采样自原画的纹理渲染这些轨迹. 本文通过抽象量化笔法技巧、 笔画形状与绘画轨迹 之间的关系 , 设计出自动提取轨迹的方法 , 大大降 低了用户交互的复杂性和专业要求 .
第5期
杨丽洁 , 等 : 动态模拟中国水墨画中的笔画绘制
743
墨的比例分配有直接的关系 . “ 临摹 ” 是一种很流行的水墨画训练学习方法 . 人们必须通过长时间的临摹、练习古代著名画作 , 才能获得其中经典、关键的笔法技巧 . 然而 , 绘画 是一种即兴的、难以重复的艺术创作行为 , 而且由 于没有任何记录古代艺术作品绘画过程的视频资 料 , 绘画学习者仅能根据一般的绘画知识与技巧 大致推测出原有的绘画过程 . 因此 , 重建、再现静 态水墨画图像的绘画过程具有极大的挑战性 . 在大多数关于中国艺术笔画模拟仿真的国内 外工作中 , 书法或水墨画的风格渲染过程需要用 户手动输入书写或绘画的轨迹 , 这种用户交互过 程不仅对书法和绘画专业有较高的要求 , 而且将 带来繁重的手工劳动 . 另外 , 复杂的输入设备 ( 如 笔的仿真设备 )
水墨画图像进行笔画拆分 ; 然后根据笔画形状 , 包括轮廓、骨架信息 , 估算绘画轨迹 , 并通过类椭圆形的瞬时足迹模 型中的一系列参数 (如坐标、大小、方向 )约束轨迹质量 ; 文中的实时渲染模型用采样自原画的足迹纹理 , 动态渲染估 算的轨迹 . 实验结果表明 , 与已有的方法相比 , 文中提出的方法可根据笔画轮廓自动提取其绘画轨迹 , 并对画笔在纸 上的瞬时足迹进行建模 . 在应用价值方面 , 该工具可用于中国水墨画的鉴赏分析 , 艺术教育与实践 . 关键词 ： 笔画轨迹 ; 非真实感绘制 ; 实时渲染 ; 中国水墨画 中图法分类号 ： TP391.9
1) 2)
(华侨大学计算机科学与技术学院 厦门 361021) (香港科技大学计算机科学及工程学系 香港 ) 3) (澳门大学科技学院 澳门 ) 4) (中国科学院软件研究所计算机科学国家重点实验室 (tianchenx@siggraph.org)
北京
100190)
摘
要 : 提出一个动画生成工具 , 通过重建中国水墨画中的笔画 , 动态模拟水墨画原有的绘画过程 . 首先将输入的
收稿日期 : 2015-05-26; 修回日期 : 2015-10-15. 基金项目 : 华侨大学科研基金 (15BS304); 国家自然科学基金 (61272326); 澳门大 学科研基金 (MYRG202(Y1-L4)-FST11-WEH). 杨丽洁 (1981 — ), 女 , 博士 , 讲师 , CCF 会员 , 主要研究方向为计算机非真实感图形生 成、计算机动画、多媒体技术等 ; 徐添辰 (1988 — ), 男 , 硕士 , CCF 会员 , 论文通讯作者 , 主要研究方向为实时计算机动画、虚拟现实、 非真实感渲染等 ; 吴恩华 (1947 — ), 男 , 博士 , 教授 , 博士生导师 , CCF 会士 , 主要研究方向为虚拟现实、真实感图形生成、科学计算 可视化等 .
化 , 其核心是量化水墨画的绘画技巧 .
3.1
笔画分割 一般来说 , 水墨画中的绘画对象包含复杂的
形状 , 由若干个笔画构成 , 其中有些笔画是相互重 叠的 . 因此在轨迹计算之前 , 具有复杂形状的水墨 画图像需要被拆分为单一的笔画 . 受到 Xu 等 [12]笔 画分割方法的启发 , 本文提出一个基于交互式的 笔画提取工具 . 首先将水墨画的图像按照不同的 颜色深度划分为若干区域 ; 由于这一过程将产生 被过度分割的图像 , 所以需要将很有可能属于同 一笔画的连续区域合并 ; 最后用户使用工具进一 步调整笔画分割的结果 , 使得笔画更加合理、 自然 .
Animating Strokes in Drawing Process of Chinese Ink Painting
Yang Lijie1), Xu Tianchen2)*, and Wu Enhua3,4)
1) 2) 3) 4)
(College of Computer Science and Technology, Huaqiao University, Xiamen 361021) (Department of Computer Science & Engineering, Hong Kong University of Science and Technology, Hong Kong) (Faculty of Science and Technology, University of Macau, Macao) (State Key Laboratory of Computer Science, Institute of Software, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190)
2
本文方法概述
通过重建绘画过程中的笔画生成水墨画的动
画作品 , 且生成的绘画结果和原始的水墨画在形 态和墨色上完全一致 , 是本文最重要的研究目标 之一 . 解决方案概述如下 : 1) 绘画轨迹的估算 . 首先根据已有的图像分 割算法将输入的水墨画图像的复杂形状拆分为单 一笔画 , 然后利用设计的基于轮廓的方法计算每 一个笔画的绘画轨迹 . 2) 笔画渲染 . 本文方法用采样自原画的纹理 将计算出的轨迹渲染为笔画 . 首先用椭圆模拟毛 笔在绘画过程中与宣纸之间瞬时足迹 , 并将相关 的一系列物理参数 , 如沿着轨迹的瞬时足迹的位 置、大小及角度的变化情况 , 量化为椭圆内部的参 数 ; 然后应用多道纹理渲染的技术提升动态的墨 色效果 , 如干笔、墨色分层、墨色扩散等 . 本文方法的创新之处在于估算笔画的绘画轨 迹 . 在大多数已有的研究工作中 , 轨迹的数据需要 用户手工输入 , 而本文算法实现自动计算绘画轨 迹 . 相比之下 , 本文方法更注重水墨画艺术绘画过 程的重建 , 即在连续的绘画过程中毛笔的运动情 况 , 因此对动画制作有重要的价值 . 同时 , 本文研 究成果除了具有艺术鉴赏和教育的应用价值 , 还 可以应用于数字娱乐产业 , 使得古老的中国水墨 画艺术品能随时随地地生动有趣的展现于世人面 前 , 有助于中国艺术的广泛传播 .
Abstract: By generating reproducible brush strokes of Chinese ink painting, we propose an animation tool for lively displaying its real drawing process. Contrasted with previous work, we automatically extract this trajectory from the outlines of the shapes to draw and model the brush footprints; first an input image is decomposed into brush strokes. Then we estimate the brush trajectory with shape descriptions and build a brush footprint model to measure the quality of the trajectory constrained by the variation along a stroke of the draw process parameters (e.g., location, size, and orientation). Finally, the trajectories are dynamically rendered into brush strokes with our real-time rendering model. It is particularly useful for appreciation and education of Chinese ink painting. Key words: brush trajectory; non-photorealistic rendering; real-time rendering; Chinese ink painting 中国水墨画主要用黑墨绘画 , 以写意灵动的 笔法和独特的审美价值著称 . 与西方的水彩和油 画不同 , 画家仅用寥寥几笔就可以描绘出中国水 墨画中的景物对象 , 其中每一笔的形状和纹理充 分表达出景物场景和画家的个性 . 最终景物的绘 画效果与对象的形状、勾画轨迹、以及用笔时水与
[1-2]
石纹理模拟问题时 , 提出用椭圆模型模拟笔画宽 度的变化 . 还有一些基于笔画图像中轴和笔画宽 度建立的笔画模型 [5-6], 虽然这些模型具有一定的 灵活性且可以控制笔画形状 , 但忽略了笔画的多 样性和艺术性 . 2) 物理模拟画笔及水墨画 对真实画笔的物理模拟为用户提供一种直观、 自然的操作画笔的虚拟环境 [7-8]. 与非物理模拟的 二维画笔相比 , 这些虚拟现实角度的物理仿真技 术提高了复杂笔画模型的灵活性 . 但是 , 物理仿真 工具在创建真实笔画过程中获取模型参数的难度 很大 , 换句话说 , 在真实的环境中 , 控制复杂度较 高的虚拟画笔工具通常需要专业的操作技能和一 系列培训过程 , 而普通用户更希望获得简单的交 互环境和操作步骤. 在水墨画仿真方面, 石永鑫等[9] 提出一个基于粒子系统的仿真体系 , 实现了水墨 画的典型艺术效果 . 但它对于特殊效果的模拟存 在局限性 . 3) 动画生成 动画制作领域的发展越来越注重先进的计算 机技术与艺术的结合 . 例如 , Lake 等 [10]设计了一种 实时算法用来模拟卡通风格 . 为了降低动画的制 作成本 , Zhang 等 [11]提出一种新颖的算法 , 将真实 视频中的瀑布合成为国画艺术风格的动画 . 值得 一提的是 , 利用静态的绘画图像生产二维动画是 一项极其具有挑战性的研究工作 . 为了解决此问 题 , Xu 等 [12]通过分割输入的国画图像中的笔画生 成该国画的二维动画 . 此外 , Yuan 等 [13]实现了一个 生成水墨动画的实时渲染系统 , 很大程度上减轻 了动画师在设计国画风格外观的手工负担 . 这些 研究工作使静态的中国绘画以动画的形式呈现, 极大地丰富了国画的表现形式 , 美中不足的是 , 它 们主要关注图形渲染技术而很少涉及国画的技法 和传统经典的墨色效果 , 如图 1b 中所示的 “干笔 ” 和 “扩散分层 ”效果 . Yang 等 [14-15]的工作与本文研究
Biblioteka Baidu
1
已有的仿真模型
近年来 , 为了生动地呈现真实的绘画过程 , 已
有很多关于笔画仿真或绘画仿真工具的优秀工作 值得学习和借鉴 . 主要有以下 3 个方面的工作 : 1) 非物理模拟的二维画笔 一些学者研究出能将用户鼠标勾勒的轨迹转 变为绘画作品的方法和工具 . 其中 , Strassmann
[4]
提出的面向交互式绘画的参数化画笔模型创立了 数字绘画工具的研究领域 . Way 等 在解决国画岩
图1
水墨鱼画所包含的笔画与墨色
744
计算机辅助设计与图形学学报
第 28 卷
目标类似 , 其轨迹提取算法利用笔画的骨架与书 法知识之间的关系确定轨迹上的关键点 . 然而这 种基于骨架的方法不适用于绘画中的笔画 . 在以 上工作的启发下 , 本文通过绘画轨迹的估算和墨 色效果的模拟等一系列算法 , 将静态水墨画作品 的绘画过程进行重建 , “神形兼备 ”地再现传统绘画 艺术的创作过程 .
第 28 卷 第 5 期 2016 年 5 月
计算机辅 助 设计与图 形 学学报
Journal of Computer-Aided Design & Computer Graphics
Vol. 28 No.5 May. 2016
动态模拟中国水墨画中的笔画绘制
杨丽洁 1), 徐添辰 2)*, 吴恩华 3,4)
对设备控制的技能和熟练程度
也有一定的要求 . 本文提出一种基于绘画轨迹和纹理的动画工 具 , 重建并动态显示构成绘画作品的笔画 . 绘画图 像首先经过交互式笔画分割 , 应用轨迹估算方法 为每一笔画自动提取合理的绘画轨迹 ; 然后用画 笔足迹模型和采样自原画的纹理渲染这些轨迹. 本文通过抽象量化笔法技巧、 笔画形状与绘画轨迹 之间的关系 , 设计出自动提取轨迹的方法 , 大大降 低了用户交互的复杂性和专业要求 .
第5期
杨丽洁 , 等 : 动态模拟中国水墨画中的笔画绘制
743
墨的比例分配有直接的关系 . “ 临摹 ” 是一种很流行的水墨画训练学习方法 . 人们必须通过长时间的临摹、练习古代著名画作 , 才能获得其中经典、关键的笔法技巧 . 然而 , 绘画 是一种即兴的、难以重复的艺术创作行为 , 而且由 于没有任何记录古代艺术作品绘画过程的视频资 料 , 绘画学习者仅能根据一般的绘画知识与技巧 大致推测出原有的绘画过程 . 因此 , 重建、再现静 态水墨画图像的绘画过程具有极大的挑战性 . 在大多数关于中国艺术笔画模拟仿真的国内 外工作中 , 书法或水墨画的风格渲染过程需要用 户手动输入书写或绘画的轨迹 , 这种用户交互过 程不仅对书法和绘画专业有较高的要求 , 而且将 带来繁重的手工劳动 . 另外 , 复杂的输入设备 ( 如 笔的仿真设备 )
水墨画图像进行笔画拆分 ; 然后根据笔画形状 , 包括轮廓、骨架信息 , 估算绘画轨迹 , 并通过类椭圆形的瞬时足迹模 型中的一系列参数 (如坐标、大小、方向 )约束轨迹质量 ; 文中的实时渲染模型用采样自原画的足迹纹理 , 动态渲染估 算的轨迹 . 实验结果表明 , 与已有的方法相比 , 文中提出的方法可根据笔画轮廓自动提取其绘画轨迹 , 并对画笔在纸 上的瞬时足迹进行建模 . 在应用价值方面 , 该工具可用于中国水墨画的鉴赏分析 , 艺术教育与实践 . 关键词 ： 笔画轨迹 ; 非真实感绘制 ; 实时渲染 ; 中国水墨画 中图法分类号 ： TP391.9
1) 2)
(华侨大学计算机科学与技术学院 厦门 361021) (香港科技大学计算机科学及工程学系 香港 ) 3) (澳门大学科技学院 澳门 ) 4) (中国科学院软件研究所计算机科学国家重点实验室 (tianchenx@siggraph.org)
北京
100190)
摘
要 : 提出一个动画生成工具 , 通过重建中国水墨画中的笔画 , 动态模拟水墨画原有的绘画过程 . 首先将输入的
收稿日期 : 2015-05-26; 修回日期 : 2015-10-15. 基金项目 : 华侨大学科研基金 (15BS304); 国家自然科学基金 (61272326); 澳门大 学科研基金 (MYRG202(Y1-L4)-FST11-WEH). 杨丽洁 (1981 — ), 女 , 博士 , 讲师 , CCF 会员 , 主要研究方向为计算机非真实感图形生 成、计算机动画、多媒体技术等 ; 徐添辰 (1988 — ), 男 , 硕士 , CCF 会员 , 论文通讯作者 , 主要研究方向为实时计算机动画、虚拟现实、 非真实感渲染等 ; 吴恩华 (1947 — ), 男 , 博士 , 教授 , 博士生导师 , CCF 会士 , 主要研究方向为虚拟现实、真实感图形生成、科学计算 可视化等 .
化 , 其核心是量化水墨画的绘画技巧 .
3.1
笔画分割 一般来说 , 水墨画中的绘画对象包含复杂的
形状 , 由若干个笔画构成 , 其中有些笔画是相互重 叠的 . 因此在轨迹计算之前 , 具有复杂形状的水墨 画图像需要被拆分为单一的笔画 . 受到 Xu 等 [12]笔 画分割方法的启发 , 本文提出一个基于交互式的 笔画提取工具 . 首先将水墨画的图像按照不同的 颜色深度划分为若干区域 ; 由于这一过程将产生 被过度分割的图像 , 所以需要将很有可能属于同 一笔画的连续区域合并 ; 最后用户使用工具进一 步调整笔画分割的结果 , 使得笔画更加合理、 自然 .
Animating Strokes in Drawing Process of Chinese Ink Painting
Yang Lijie1), Xu Tianchen2)*, and Wu Enhua3,4)
1) 2) 3) 4)
(College of Computer Science and Technology, Huaqiao University, Xiamen 361021) (Department of Computer Science & Engineering, Hong Kong University of Science and Technology, Hong Kong) (Faculty of Science and Technology, University of Macau, Macao) (State Key Laboratory of Computer Science, Institute of Software, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190)
2
本文方法概述
通过重建绘画过程中的笔画生成水墨画的动
画作品 , 且生成的绘画结果和原始的水墨画在形 态和墨色上完全一致 , 是本文最重要的研究目标 之一 . 解决方案概述如下 : 1) 绘画轨迹的估算 . 首先根据已有的图像分 割算法将输入的水墨画图像的复杂形状拆分为单 一笔画 , 然后利用设计的基于轮廓的方法计算每 一个笔画的绘画轨迹 . 2) 笔画渲染 . 本文方法用采样自原画的纹理 将计算出的轨迹渲染为笔画 . 首先用椭圆模拟毛 笔在绘画过程中与宣纸之间瞬时足迹 , 并将相关 的一系列物理参数 , 如沿着轨迹的瞬时足迹的位 置、大小及角度的变化情况 , 量化为椭圆内部的参 数 ; 然后应用多道纹理渲染的技术提升动态的墨 色效果 , 如干笔、墨色分层、墨色扩散等 . 本文方法的创新之处在于估算笔画的绘画轨 迹 . 在大多数已有的研究工作中 , 轨迹的数据需要 用户手工输入 , 而本文算法实现自动计算绘画轨 迹 . 相比之下 , 本文方法更注重水墨画艺术绘画过 程的重建 , 即在连续的绘画过程中毛笔的运动情 况 , 因此对动画制作有重要的价值 . 同时 , 本文研 究成果除了具有艺术鉴赏和教育的应用价值 , 还 可以应用于数字娱乐产业 , 使得古老的中国水墨 画艺术品能随时随地地生动有趣的展现于世人面 前 , 有助于中国艺术的广泛传播 .
Abstract: By generating reproducible brush strokes of Chinese ink painting, we propose an animation tool for lively displaying its real drawing process. Contrasted with previous work, we automatically extract this trajectory from the outlines of the shapes to draw and model the brush footprints; first an input image is decomposed into brush strokes. Then we estimate the brush trajectory with shape descriptions and build a brush footprint model to measure the quality of the trajectory constrained by the variation along a stroke of the draw process parameters (e.g., location, size, and orientation). Finally, the trajectories are dynamically rendered into brush strokes with our real-time rendering model. It is particularly useful for appreciation and education of Chinese ink painting. Key words: brush trajectory; non-photorealistic rendering; real-time rendering; Chinese ink painting 中国水墨画主要用黑墨绘画 , 以写意灵动的 笔法和独特的审美价值著称 . 与西方的水彩和油 画不同 , 画家仅用寥寥几笔就可以描绘出中国水 墨画中的景物对象 , 其中每一笔的形状和纹理充 分表达出景物场景和画家的个性 . 最终景物的绘 画效果与对象的形状、勾画轨迹、以及用笔时水与
[1-2]
石纹理模拟问题时 , 提出用椭圆模型模拟笔画宽 度的变化 . 还有一些基于笔画图像中轴和笔画宽 度建立的笔画模型 [5-6], 虽然这些模型具有一定的 灵活性且可以控制笔画形状 , 但忽略了笔画的多 样性和艺术性 . 2) 物理模拟画笔及水墨画 对真实画笔的物理模拟为用户提供一种直观、 自然的操作画笔的虚拟环境 [7-8]. 与非物理模拟的 二维画笔相比 , 这些虚拟现实角度的物理仿真技 术提高了复杂笔画模型的灵活性 . 但是 , 物理仿真 工具在创建真实笔画过程中获取模型参数的难度 很大 , 换句话说 , 在真实的环境中 , 控制复杂度较 高的虚拟画笔工具通常需要专业的操作技能和一 系列培训过程 , 而普通用户更希望获得简单的交 互环境和操作步骤. 在水墨画仿真方面, 石永鑫等[9] 提出一个基于粒子系统的仿真体系 , 实现了水墨 画的典型艺术效果 . 但它对于特殊效果的模拟存 在局限性 . 3) 动画生成 动画制作领域的发展越来越注重先进的计算 机技术与艺术的结合 . 例如 , Lake 等 [10]设计了一种 实时算法用来模拟卡通风格 . 为了降低动画的制 作成本 , Zhang 等 [11]提出一种新颖的算法 , 将真实 视频中的瀑布合成为国画艺术风格的动画 . 值得 一提的是 , 利用静态的绘画图像生产二维动画是 一项极其具有挑战性的研究工作 . 为了解决此问 题 , Xu 等 [12]通过分割输入的国画图像中的笔画生 成该国画的二维动画 . 此外 , Yuan 等 [13]实现了一个 生成水墨动画的实时渲染系统 , 很大程度上减轻 了动画师在设计国画风格外观的手工负担 . 这些 研究工作使静态的中国绘画以动画的形式呈现, 极大地丰富了国画的表现形式 , 美中不足的是 , 它 们主要关注图形渲染技术而很少涉及国画的技法 和传统经典的墨色效果 , 如图 1b 中所示的 “干笔 ” 和 “扩散分层 ”效果 . Yang 等 [14-15]的工作与本文研究
Biblioteka Baidu
1
已有的仿真模型
近年来 , 为了生动地呈现真实的绘画过程 , 已
有很多关于笔画仿真或绘画仿真工具的优秀工作 值得学习和借鉴 . 主要有以下 3 个方面的工作 : 1) 非物理模拟的二维画笔 一些学者研究出能将用户鼠标勾勒的轨迹转 变为绘画作品的方法和工具 . 其中 , Strassmann
[4]
提出的面向交互式绘画的参数化画笔模型创立了 数字绘画工具的研究领域 . Way 等 在解决国画岩
图1
水墨鱼画所包含的笔画与墨色
744
计算机辅助设计与图形学学报
第 28 卷
目标类似 , 其轨迹提取算法利用笔画的骨架与书 法知识之间的关系确定轨迹上的关键点 . 然而这 种基于骨架的方法不适用于绘画中的笔画 . 在以 上工作的启发下 , 本文通过绘画轨迹的估算和墨 色效果的模拟等一系列算法 , 将静态水墨画作品 的绘画过程进行重建 , “神形兼备 ”地再现传统绘画 艺术的创作过程 .
第 28 卷 第 5 期 2016 年 5 月
计算机辅 助 设计与图 形 学学报
Journal of Computer-Aided Design & Computer Graphics
Vol. 28 No.5 May. 2016
动态模拟中国水墨画中的笔画绘制
杨丽洁 1), 徐添辰 2)*, 吴恩华 3,4)