一种改进水墨画仿真技术的水墨笔画三维化的计算方法

摘要

本发明公开了一种改进水墨画仿真技术的水墨笔画三维化的计算方法，首先是创建多边形网格物体，处理网格的拓扑结构。并提取网格物体的特征线作为水墨笔画的轨迹。特征线是三维模型的结构特征。提取出特征线后，笔画外观的着色会使用笔画的初始图像作为纹理贴图附在三维面片上，三维面片会平均分布在提取的特征线的路径线上，通过紧密的排列组成线段形成笔画，并且根据路径线上的顶点存储的属性数据控制笔画的粗细和浓淡，模拟水墨画的笔迹。使路径线上每个三维面片朝向视点。视觉上就能实现三维立体的水墨线条。

说明书

技术领域

本发明属于计算机图形学技术领域。其中主要涉及的知识包括一些OpenGL函数库的运用、特征线绘制、图像处理、纹理着色，三维渲染技术以及对计算机水墨画仿真技术的深度学习等。

背景技术

中国水墨画在世界美术领域中占有重要地位，是我国传统文化的艺术瑰宝。而水墨动画的出现，将中国的传统文化以新形式的表现方式得以发扬与继承。然而因水墨材质的特殊性，制作方法复杂、繁琐以及视觉体验的缺失，使水墨动画的发展受到了阻滞。

随着计算机图像技术的快速发展，也为水墨动画的发展提供了新方法。利用水墨画的仿真技术以及三维渲染等数字化技术简化了水墨动画的制作步骤，丰富了影视语言的表达形式，实现了产业化生产。然而怎样保持水墨画的艺术特征又能与现代动画的影视语言相结合，制作出具有中国传统文化特色的水墨动画作品则成为了重点研究的目标。

在计算机图像技术领域，学者们在水墨画仿真技术方面也取得了很多成果。在水墨画的三维渲染技术方面，彭湃、李少梅也在李丹的研究之后对中国山水画的特点和水墨画仿真系统的不足，在基于图像的艺术处理方向，提出了以纹理合成为基础的计算机绘制中国山水画步骤及方法。景昊,周秉锋,计忠平提出了一种基于三维模型表面特征的水墨效果渲染算法,其与已有的方法的区别在于:无需进行特征线提取,直接通过对三维模型表面特征的定义计算顶点的渲染颜色值,从而生成近似水墨画的渲染效果。这种方法绘制的水墨效果依赖于模型表面的细节特征，不能够绘制出传统水墨笔画的风格特征。陈添丁等人提出一种轮廓线优化的多通道三维水墨渲染模型，运用Alpha通道配合光照着色模型和网格模型扩张实现轮廓线的风格化。江修才优化了前人的研究，采用了一种新式的山石模型构建算法、山石模型内部渲染算法和山水画水墨扩散算法。么丽欣的研究重点是从模型中提取相关信息，系统自动完成查找山石轮廓线以及确定表面皴法笔道的起点、终点与方向，最后对笔道风格化处理，并加载已有的笔模型和笔法模型自动完成对皴法的渲染。这种方法绘制出的的水墨笔画过于单一，缺少了笔画的特征。在水墨画动画的三维渲染技术的流程方面，刘兆君、王忆凡、金炜炜、赵亚梅、王娃等人的文献在多层渲染方面都有不同的研究。杨丽洁提出了将二维水墨画对象的图像转化为三维模型的方法，该项研究工作除了表现水墨画的墨色效果，还可应用于三维水墨动画的制作。但当场景中运用复杂的镜头语言时，用已给定的水墨纹理生成几何模型的方法，则显得过于生硬、呆板。

综上所述，传统的水墨画仿真技术以及结合三维渲染技术在制作水墨动画方面仍然存在一些问题。主要体现在当虚拟摄像机在三维空间中运用旋转，环绕等镜头语言时，场景中通过纹理映射绘制的模型特征线上的水墨笔画的纹理会贴附在模型的转折处，显露出模型的粗糙感以及平面的笔画贴图，从而失去了水墨韵味。而通过物体空间检测法提取的特征线，虽然可以规避转折处的纹理映射问题，但绘制出的水墨笔画形态过于单一，缺少了水墨笔画的风格特征。

发明内容

基于上述分析，本发明主要设计了一种应用在水墨画仿真步骤中，改进水墨画仿真的三维空间感，主要是以三维网格物体的特征线为轨迹的水墨笔画三维化的计算方法。三维水墨笔画的主要组成部分有点、路径线和笔画。本方法是希望通过提取三维网格物体的特征线为路径轨迹，并通过初始水墨图像着色呈现出笔画的外观。并且当视点移动时，着色图像将会朝向视点，在视觉上能够营造出三维立体的水墨轮廓线条。

首先是创建多边形网格物体，处理网格的拓扑结构。并提取网格物体的特征线作为水墨笔画的轨迹。特征线是三维模型的结构特征，是在模型表面的转折处，通常为折痕，隆起，沟壑等处,特征线也可以称为褶皱线。提取出的特征线的每个顶点都将存储了定义笔画最终外观的所有属性数据，包括纹理的位置、alpha、压力、顶点曲率和UV方向等。提取特征线的方法主要是对特征线的判断方法，是基于邻面夹角的大小，也就是两个多边形共同的边且这两相邻的多边形形成的夹角大于或小于阈值T

提取出特征线后，笔画外观的着色会使用笔画的初始图像作为纹理贴图附在一个个三维面片上，三维面片会平均分布在提取的特征线的路径线上，通过紧密的排列组成线段形成笔画，并且根据路径线上的顶点存储的属性数据控制笔画的粗细和浓淡，模拟水墨画的笔迹。调用transform.LookAt()函数使路径线上每个三维面片朝向视点，当视点旋转移动时，视觉上看不到三维面片的反面，避免了视图中出现“片”的情况。视觉上就能实现三维立体的水墨线条。

为个实现上述目的，本发明采用以下技术方案：为了更好的实现整个方法，首选Python作为方法编写语言，并基于OpenGL图形API开发的。创建模型部分使用GL_TRIANGLES绘制三角形，把每个顶点作为一个独立的三角形，顶点3n－2、3n－1和3n定义了第n个三角形，总共绘制N/3个三角形。一共绘制N/3个三角形。

在提取特征线部分采用的算法为：设三角面片T

设T

然后由初始图像做为笔画的外观的纹理贴图，将从输入的初始图像的RGB分量中用平均值方法Gray＝(R+G+B)/3；提取出灰度值，作为Alpha的透明度分量。R、G、B、A均是从0到1的值。当A等于0时，图像完全透明，当A＝1时，图像完全覆盖。当数值居中，图像则半透明。得到了笔画的透明显示后，再控制初始图像的色阶值，调整图像的细节。选择R、G、B颜色分量，并控制当前被选择的颜色通道，将颜色分量作为特征值进行色阶调整，算法可以表示为：

其中，C

最后将平面的笔画三维化，是基于旋转思想的效果算法，使笔画外观的三维面片统一朝向视点，调用了transform.LookAt(Vector targetpositon)；函数。但在这个方法中面片的z轴会始终朝向目标视点。要实现让X轴或Y轴的坐标轴朝向targetObject，需要做一个旋转变换。输入transform.Rotate(newVector3(90,0,0))；面片的y轴将会指向视点。输入transform.Rotate(newVector3(0,-90,0))；面片的X轴将会指向视点。

一种改进水墨画仿真技术的水墨笔画三维化的计算方法，主要包括：

步骤1：创建多边形网格物体，使用图形软件通过交互方式创建。

步骤2：基于步骤1创建的多边形网格物体，采用判定特征线的算法对多边形网格物体进行计算并提取特征线。

步骤3：通过输入设备，或图像制作软件制作笔画初始图像。

步骤4：采用在步骤2中提取出的特征线为路径生成由三维面片紧密排列组成的笔画，并将步骤3制作的初始图像纹理映射到面片上。

步骤5：将步骤4中完成纹理映射的三维面片统一朝向视点，实现笔画三维化。

作为优选，步骤1采取以下步骤：

步骤1.1：通过opengl基本图元类型，制作简易的多边形网格物体。通过交互方式可以采用四边形网格创建，降低操作难度。

步骤1.2：对多边形网格模型适当调整其几何体结构，并对网格进行细分，执行切割、挤压及连接等操作，进而调整几何体结构。

步骤1.3：重复执行上述步骤，创建最终的模型。

步骤1.4：调整网格的拓扑结构，方便下一步提取特征线。

作为优选，步骤2采取以下步骤：

步骤2.1：选取要进行提取特征线的模型。

步骤2.2：设置夹角T

步骤2.3：根据三角面片法向量的夹角余弦值的关系式提取模型征线，同时记录特征线组。

作为优选，步骤3采取以下步骤：

步骤3.1：分析毛笔在纸上的初始效果，制作笔画的原始图像。或者直接导入一张水墨纹理的图像。

步骤3.2：从图像的RGB分量中提取灰度值，作为图像的Alpha透明度分量。

步骤3.3：再通过使用控制图像RGB颜色分量的方法，也就是通过色阶、亮度、对比度等手段处理图像的墨色效果。

步骤3.4：并将带有透明度的初始图像存储为有Alpha通道的图像格式，例如tga格式。

作为优选，步骤4采取以下步骤：

步骤4.1：选择提取出的特征线组，实例笔画为三维面片。

步骤4.2：根据编辑线上的顶点纹理坐标值，对在编辑线上实例化的三维面片赋予上笔画初始图像。

步骤4.3：调整笔画上面片的疏密程度，使笔画产生连续的水墨笔画效果。

步骤4.4：使用特征线上的顶点数据信息，调整面片大小，模拟水墨笔画粗细的效果。

作为优选，步骤5采取以下步骤：

步骤5.1：首先调用transform.LookAt(Vectortargetpositon)；函数，笔画上面片的Z轴朝向指向视点。

步骤5.2：调整面片的其它坐标轴朝向targetObject，则调用transform.Rotate(newVector3(0,0,0))并修改Vector3(0,0,0)的参数。使面片的Z轴向改为其它朝向指向视点，实现水墨笔画三维化。

与现有技术相比，本方法具有以下优势：

本方法主要改进了水墨画仿真技术，让其能够更好的运用在水墨动画领域中。本方法是将水墨笔画进行了三维化设计，虽然是在视觉上将笔画三维化，但是在效果上却能模拟真实的水墨晕染效果，解决模型的结构特征线依靠贴图映射而产生的生硬且过于平面问题。改进了水墨画仿真技术的传统方法，不仅能实现对平面水墨画的艺术追求，同时更完善了动态水墨的视觉效果。该方法也可以晕染环境，营造更浓厚的水墨氛围。并且此方法也通用于其他非真实感渲染技术，水彩画仿真技术、油画仿真技术等领域。

附图说明

图1：本方法的流程结构图。

图2：网格模型的特征线定义图。

图3：三维笔画的结构图。

具体实施方式

以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明所用到的硬件设备有PC机一台，1080显卡1块；这一部分，我们进行了实例演示，以探讨此方法的效果。本发明设计的三维笔画流程流程图如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1：创建多边形网格物体，使用图形软件通过交互方式创建。

步骤2：基于步骤1创建的多边形网格物体，采用判定特征线的边算法对多边形网格物体进行计算并提取特征线。

步骤3：通过输入设备，或图像制作软件制作笔画初始图像。

步骤4：采用在步骤2中提取出的特征线为路径生成由三维面片紧密排列组成的笔画，并将步骤3制作的初始图像纹理映射到面片上。

步骤5：将步骤4中完成纹理映射的三维面片统一朝向视点，实现笔画三维化。

作为优选，步骤1采取以下步骤：

作为优选，步骤1采取以下步骤：

步骤1.1：通过opengl基本图元类型，制作简易的多边形网格物体。通过交互方式可以采用四边形网格创建，降低操作难度。

步骤1.2：对多边形网格模型适当调整其几何体结构，并对网格进行细分，执行切割、挤压及连接等操作，进而调整几何体结构。

步骤1.3：重复执行上述步骤，创建最终的模型。

步骤1.4：调整网格的拓扑结构，方便下一步提取特征线。

作为优选，步骤2采取以下步骤：

步骤2.1：选取要进行提取特征线的模型。

步骤2.2：设置夹角T

步骤2.3：根据三角面片法向量的夹角余弦值的关系式提取模型征线，同时记录特征线组。

作为优选，步骤3采取以下步骤：

步骤3.1：分析毛笔在纸上的初始效果，制作笔画的原始图像。或者直接导入一张水墨纹理的图像。

步骤3.2：从图像的RGB分量中提取灰度值，作为图像的Alpha透明度分量。

步骤3.3：再通过使用控制图像RGB颜色分量的方法，也就是通过色阶、亮度、对比度等手段处理图像的墨色效果。

步骤3.4：并将带有透明度的初始图像存储为有Alpha通道的图像格式，例如tga格式。

作为优选，步骤4采取以下步骤：

步骤4.1：选择提取出的特征线组，实例笔画为三维面片。

步骤4.2：根据编辑线上的顶点纹理坐标值，对在编辑线上实例化的三维面片赋予上笔画初始图像。

步骤4.3：调整笔画上面片的疏密程度，使笔画产生连续的水墨笔画效果。

步骤4.4：使用特征线上的顶点数据信息，调整面片大小，模拟水墨笔画粗细的效果。

作为优选，步骤5采取以下步骤：

步骤5.1：首先调用transform.LookAt(Vectortargetpositon)；函数，笔画上面片的Z轴朝向指向视点。

步骤5.2：调整面片的其它坐标轴朝向targetObject，则调用transform.Rotate(newVector3(0,0,0))并修改Vector3(0,0,0)的参数。使面片的Z轴向改为其它朝向指向视点，实现水墨笔画三维化。

图1表示了本发明的研究方法的主要流程。图2表现了网格模型的特征线定义。本发明研究核心在图3展现，图3是三维笔画的结构图，由顶点、路径线、和笔画的基本组件组成。笔画的外观呈现是以含有Alpha通道的水墨初始图像为基础的连续的笔画，密度越高排列的越紧密，组成有晕染效果的水墨线条。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。