基于笔划的非真实感绘制技术

基 于笔划 的绘 制首 先需 要有确 定 的笔划 和画板
２ 基 于笔 划 绘 制 的 主 要算 法
１ 基 于 笔 划 的绘 制
基 于 笔 划 的 绘 制 （ Ｂ ＳｒｋＢ ｓｄ Ｒ ｎ ｅｉｇ Ｓ Ｒ，ｔ —ａｅ ｅ ｄｒ ） ｏ ｎ
的模 型 ． 笔划模 型通 过参 数 控 制 ，不 同 的参 数 设 置
Ｅ（ ） ＝ Ｅ ＾ ， ， … ）＋Ｗ 幽 （ ）， （ Ｅ ，
图像 ， 空 白画布上 用 鼠标 或绘 图笔点 击或拖 动 ， 在 在
每 次 鼠标 点击 的位置 上绘 制一个 笔 划 ，系 统 自动根 据 源图像 在对应 点 的 色彩 提 取 出笔 刷 的 颜 色 ， 由 并
图像 的梯 度 曲线确 定 笔划 方 向 ， 样用 户 决 定 笔划 这
技术 ， 卡通 风格 的绘 制 技 术 和 基 于 光 照模 型 的绘 制
由有 限笔 划 的集 合 构 建 和表 达 色 调 与纹 理 ； 由笔 划
的细 节和 方 向构 建 和 表 达 物 体 的轮 廓 与 材 质 等 特
性； 生成 的结 果 看 上 去 像 是 一 幅 图 画 而 不 是 照 片 ，
的原则 ， 笔划 不重 叠 地 分 布并 使 排 列 的密 度 比较 将
作 品． ） 教 领 域 ． 真 实感 绘 制 技 术 在 表 达 图像 ２科 非 时 的简洁 准确 ， 常被 用来 绘 制 用 于科 学 和 各类 教 常
科 书的插 图． ） 业 设 计 领 域 ． 真 实 感 绘 制 很 适 ３ 工 非
格 的非 真实 感 图形 ， 管 形 式 简 单 、 活 ， 刻 画物 尽 灵 在
格 、 笔 画绘 图 、 片马赛 克 、 画法 、 钢 瓦 点 张量域 可视 化
和锯齿 图像 马赛 克等 ． 基 于 笔 划绘 制 方 法 的特 点 是 ： 必须 有 单一 笔 划 的定 义和 绘制方 法 ， 出来 的点或线 条是不 规则 的 ； 画
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广 州 航 海 高 等 专 科 学 校 学 报
第２ Ｏ卷
数包 括定义 了颜 色 或纹 理 的 画布 ， 创建 图像 的 过程 就是 在画板 上按顺 序绘 制笔划 的过 程．
一
能 提高 图像 的质量 ， 反复改 进先前 绘制 的笔 划．
２ 贪 婪算 法． 见 的贪 婪算 法 有单 点 笔 划 法 和 ） 常
收 稿 日期 ： ０ １— ９— ０ ２ １ ０ ２
基 金项 目 ：广 州 航 海 高 等 专 科 学 校 科 研 项 目（０ １２ １ ） ２ １１ Ｂ ０ 作 者 简 介 ： 步 英 （９ ６ ） 女 ， 教 授 ， 要 从 事 信 息 处 理 技 术 的教 学 与 研 究 赖 １６一 ， 副 主
成 一个均 匀 的空 间点 集 ， 为这 一 程 序定 义 一 个 适 并
３ 基 于 笔 划 绘 制 的应 用
基 于笔 划绘 制 是非 真 实感 绘 制技 术 中的一 种 ，
具有 与其他 方 法 共 同 的 的应 用 领 域 ， 它们 是 ： ） １ 艺
术领 域． 于笔划 的非 真实 感 绘 制技 术 给 艺 术 家们 基
娱乐 产品 ．下 面是 由基 于笔 划绘 制技 术 生成 的部分
作 品 ． １中左列 为源 图像 ， 列为 生成 的非 真 图 右
源自文库
反 复 试 验 算 法 通 过 直 接 对 图 像 的 结 构 进 行 变 形， 如果变 形 能够减 少能量 ， 则将 变形 并人 图像 结构 当中 ， 则将 变形 抛弃 ， 否 然后 重 复 算 法． 这一 算 法 最
体 属性 方 面更 多是 运 用 随 意 和 艺术 的手 法 ， 在 给 但 人 们传 递信 息 ， 实现 人机 交互 和对话 的功能 上 ， 一点 也 不 比真 实感绘 制 技 术 差 ． 真 实 感 绘 制 的 主要 技 非 术 包括 基 于笔 画 的绘 制 技 术 ， 拟 自然 介 质 的绘 制 模
但与 输入 的 图像 相 似．
技 术 等． 中 ， 于 笔划 的绘 制是 近年 来研 究 比较深 其 基
入而 又被 广泛 应用 的技 术 之 一 ． 文 在 讨 论 基 于笔 本
可 以说 ， 有 对 基 于笔 划绘 制 的研 究 都 是 围绕 所
着 上述这 些特 点展 开 的 ， 中前 ３个 特 点 的 实现 是 其
第２ ０卷 第 １ 期
２ ２年 ３月 ０ １
广 州航 海 高 等 专科 学 校学 报
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＧＵＡＮＧＺＨＯＵ ＭＡＲＩ ＭＥ ＴＩ ＣＯＬＬＥＧＥ
Ｖｏ ． ０ ＮＯ １ Ｉ２ ．
Ｍａ．２ ２ ｒ ０１
基 于笔 划 的非 真 实感 绘 制 技 术
自然． 有研 究表 明 ， 以通 过调整 中心 点来改 善矩 心 可 集， 使其更 好 的进行 分割 ， 达到 优化效 果 的 目的 ．
合绘 制零件 图 、 筑结 构 图之 类 的设 计用 图 ， 示零 建 显
件或 构件 的轮廓 尺 寸等 基 本 信 息 ， 而对 其 他 的信 息 则不感 兴趣 ． ） 字 娱 乐 行 业 ． 真 实 感 绘 制 技 术 ４数 非 还可 以广泛 应用 于 动 画 、 戏 、 游 电影 等娱 乐 产 业 ， 在 媒体创 作 中生成具 有艺 术化效 果和 各种 风格 的数 字
赖 步 英
（ 州 航 海 高 等专 科 学 校 信 息 与 通 信 工 程 学 院 ， 东 广 州 ５ ０２ ） 广 广 １７ ５
摘
要 ：本 文在讨 论基 于笔 划绘 制及 其特 点 的基础 上 ， 深入 地介 绍 了基 于笔 划绘 制 的主要 算 法 ， 较
包括 算法 的原理 、 化算 法和 贪婪 算 法 ， 优 以及 介 绍基 于笔划 绘 制 的 常见应 用 ， 为进 一 步 的应 用研 究
运行 ， 至图像被 一定 密度 的笔划 所覆 盖． 直
１ 优 化算 法 ． Ｂ ） Ｓ Ｒ使 用 两 种 优 化 算 法 ， 种 叫 一 Ｖ ｒｎ ｉ ｏｏｏ 算法 ， 它根 据 问题 的 特 殊性 质 ， 用 有 效 的 采 循 环更新 步骤 来解决 问题 ； 另一 种 叫反 复试 验算 法 ， 采 用一般 结构 和启发 式选 择测试 来减 少能 量． Ｖ ｒｎ ｉ 法 的基 本 原 理 是 用 计 算 几何 中 的 技 ｏ ｏ算 ｏ 术 在 图像 中均匀 地绘 制笔划 ，并 且可 以用 图形 硬 件 来 加速 ． 法 过程采 用 迭 代 最优 化 程 序 在 图像 中生 算
的位置而 算法决 定 笔划 的外 观 ， 用者 可 通 过 调整 使
设 置或改 变 画板 接 触 面 的压 力 来 改 变 笔 划 的大 小
Ｅ ， …＾ ）＝ ∑ ， ，） ｓ ， ， （ （ｙ一（ｙ ）
‘ ， ）Ｅ 』 ｙ
Ｅ ， （ ）＝， 中的笔 划数 ．
等． 系统 为用户 提 供 了一 个 简单 的绘 画工 具 ， 无 并
长曲线笔 划法 ． 单 点 笔划 属 于半 自动 绘 图算 法 ， 户 根据 输入 用
幅基 于笔 划 绘 制 的 图像 可 以使 用 一 个 称 为
Ｓ Ｒ能量 函数 的 目标 函数 来评 价 绘 制 方法 的好 坏 ． Ｂ Ｓ Ｒ能量 函数 Ｅ： Ｒ， 中 Ｉ 可 能 的 图像 结 构 Ｂ Ｉ— 其 是 的集合 ， Ｒ是 实数 集 ． （Ｉ）把 图像 作 为输 入 端 ， Ｅ 然 后输 出一 个指代 图像 质量 的数 值 ． Ｂ Ｓ Ｒ算 法 的 目 标 就是 用最 小 的能量来 生成一 幅 图像 ，表示 为 ：
笔 一旦 确定 ， 将不作 修改 ．
代替 短 的笔划 ， 最典 型的例 子是钢 笔 画法 ， 多类 型 许
的钢 笔插 图画都 采 用 贪婪 算 法 来优 化 笔 划 的效 果 ．
一
种 简单 的算法 是 直接 沿 着 指 定方 向绘 制 笔划 ， 以
获得 需要 的笔划 密 度来 实 现 目标 色 调 ． 法 被 反复 算
关 键 的部 分是 提 出一 个好 的变 形 机制 ， 用 纯 随 机 采 的变形机 制或 手工调 节 的方 法都 可 以很快得 到预期 的结果 ， 而且算 法可 通 过 检 查 与确 定 变形 方 案 是 否
实感 图像 ．
风 格抽 象 的程 度 ， 取较小 值 时可得 到逼真 的绘 制 Ｗ
效 果 ， 取 较 大 值 时 就 可 以 得 到 抽 象 的绘 制 风 Ｗ 格 ． 目前 关 于 Ｓ Ｒ的构 图算 法 主要有 优化 算法 和 Ｂ 贪 婪算 法两种 ． 最优 化算 法通 过交互地 放 置画笔 ， 然 后 调整 画笔 以使得 目标 函数 最 小 ； 婪 算法 为 了与 贪 目标 目的匹配 ， 放置 的每一 笔都 要达 到最优 ， 而且 一
提供 了特别 的创 作 工具 ， 以在 强调 某 些 细 节 的 同 可
时， 忽略其 他细节 ， 生成 各 种 不 同风 格 的 图像 ， 基 像
于笔划 绘制 的油 画 、 笔 画 、 条 画 、 画 画 等艺 术 钢 线 点
当的能量 函数 ． 只要 从 输 入 图像 得 到 矩 心位 置 及像 素 与矩 心的接 近程 度 ， 可 以根 据 能 量 函数 取 最 小 就
打 基 础 ．
关 键词 ：非真 实感 ； 制技 术 ； 绘 笔划
中 图 分 类 号 ： Ｐ ９ Ｔ ３１ 文 献标识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：１０ ０ ９—８ ２ （ ０ ２ ０ — ０ ７— ３ ５ ６ ２ １ ） １ ０ ２ ０
非 真实 感绘 制是 近代 计算 机 图形 学发展 中一个 新 的研 究热 点之 一 ， 目的是 通 过绘 制 具 有 各 种 风 其
划 绘制 及 其特 点 的基 础 上 ， 深 入 地 介 绍 了 基 于笔 较
关键 ， 实现 的关键 是算 法 ． 而
划绘 制 的主要 算法 ， 括算 法 的原理 、 包 优化 算法 和贪
婪算 法 ， 以及 介绍基 于笔 划 绘制 的常 见应 用 ， 进 一 为 步 的应 用 研究 打下 基础 ．
指 的是一 种 通 过 绘 制 离 散 元 素 （ 如 绘 画 的笔 触 ， 例 线条 或点 ） 实 时绘 制 或 自动 生 成 非 真实 感 图 形 的 来 方法 … ， 用 Ｓ Ｒ方法 可 以根 据不 同创意 生成 具 有 采 Ｂ 各种 风格 的非真 实感 图形 ， 例如 生成 油 画 或 国画 风
上式中 Ｗ 是 权重参 数 ， … ， 是 源 图像 与绘 Ｅ （）
需使 用者 有任何 绘 画 技巧 ． 了模 仿艺 术 家 进行 绘 为
画创 作 ， 可采 用多层 美术 绘制算 法 ． 另一 种绘 画或制 图 的方法是 使用 长 曲线 笔划来
制 结果 的方 差 和． 整参 数 Ｗ 的值 可 以控 制 绘 画 调
会 产生不 同的笔划 位 置 和 外 观． 如 圆点 的 笔划 模 例 型 ， 由两 个参 数来 描述 它 ：位 置 由圆 心坐 标来 确 可
定 ， 小 由半 径 来 确 定 ； 条 的笔 划模 型 则 可 以 由 大 线 起 点和终 点 的位置 坐标 、 画线 路 径 的抖 动 以 及线 条 粗 细变 化 的参数来 描述 ． 划 模 型 组成 一 个 笔划 工 笔 具盒， 由用户 通过 交互方 式选 择使用 ． 画板 模 型的参