專(zhuān)利名稱(chēng)：云南重彩畫(huà)藝術(shù)風(fēng)格的數(shù)字模擬和合成技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中非真實(shí)感繪制，特別是一種云南重彩畫(huà)的藝術(shù)風(fēng)格的 數(shù)字模擬和合成，屬非真實(shí)感圖形繪制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著非真實(shí)感圖形繪制技術(shù)研究的不斷深化，國(guó)內(nèi)外對(duì)各種藝術(shù)風(fēng)格的數(shù)字化模 擬做了很多嘗試，其中對(duì)西方繪畫(huà)風(fēng)格的數(shù)字化模擬研究較多，如油畫(huà)、水粉畫(huà)、鋼筆畫(huà)、鉛 筆畫(huà)的數(shù)字化模擬。對(duì)具有中國(guó)藝術(shù)風(fēng)格的數(shù)字模擬的研究開(kāi)展的還不多，國(guó)內(nèi)主要有浙 江大學(xué)、天津大學(xué)、微軟亞洲研究院等不多的機(jī)構(gòu)開(kāi)展過(guò)中國(guó)山水畫(huà)、書(shū)法、剪紙等中國(guó)傳 統(tǒng)藝術(shù)風(fēng)格數(shù)字模擬的研究。(1)中國(guó)山水畫(huà)的風(fēng)格化繪制用計(jì)算機(jī)手段進(jìn)行中國(guó)山水畫(huà)數(shù)字模擬已有很多 文獻(xiàn)報(bào)道。Strassmarm提出模擬水墨畫(huà)的毛筆模型，Kunii等人和Zhang等人提出了墨水 擴(kuò)散效果模型，Lee提出了一個(gè)墨水與宣紙融合的模型，Way等人等通過(guò)將具有國(guó)畫(huà)風(fēng)格的 線條紋理用于巖石和樹(shù)木的繪制渲染方面，從而能夠得到具有國(guó)畫(huà)風(fēng)格的繪制景觀。Zhang 等在GPU上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)對(duì)3D山巒模型進(jìn)行實(shí)時(shí)水墨效果繪制的系統(tǒng)，Sun等提出了以紋理 合成為基礎(chǔ)的山水畫(huà)系統(tǒng)仿真繪制算法，該算法首先勾勒出山石輪廓，再用紋理合成對(duì)輪 廓內(nèi)部加以渲染填充。(2)中國(guó)書(shū)法的計(jì)算機(jī)模擬書(shū)法是漢字的書(shū)寫(xiě)藝術(shù)，是我國(guó)傳統(tǒng)藝術(shù)的瑰寶。近 年來(lái)，很多研究者對(duì)書(shū)法的計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行了研究，主要集中在虛擬毛筆模型和墨在宣紙 上擴(kuò)散效果的實(shí)時(shí)繪制研究。虛擬毛筆的研究已經(jīng)有多位研究者提出數(shù)十種虛擬毛筆模 型，王鉦旋等開(kāi)發(fā)了一個(gè)計(jì)算機(jī)書(shū)法系統(tǒng)，利用樣條曲線插值采樣的方法控制筆刷速度和 墨量；于金輝等用散點(diǎn)集合模擬毛筆的筆觸，形成不同的筆觸效果；Wong等以橢圓作為筆 觸模型，模擬了不同筆觸效果。墨擴(kuò)散模擬方面的研究，Guo等構(gòu)造纖維網(wǎng)格宣紙模型，模 擬了墨擴(kuò)散效果；Huang等綜合考慮了多種影響因素，離散模擬水墨和紙纖維之間的交互； 石永鑫等以偽布朗運(yùn)動(dòng)模擬水墨粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。Nelson等人創(chuàng)建了一個(gè)自然地個(gè)性化的 數(shù)字書(shū)法系統(tǒng)，能夠繪制高分辨率的、真實(shí)的、具有美感的東方字體，同時(shí)還能對(duì)3D物體進(jìn) 行東方風(fēng)格的繪制。Xu等人在他們的論文中提出了一個(gè)新穎的智能系統(tǒng)，從已有的書(shū)法風(fēng) 格作品中抽取訓(xùn)練樣本對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練，采用基于約束的類(lèi)比推理方法自動(dòng)生成具有美感 的中國(guó)書(shū)法繪畫(huà)。(3)中國(guó)剪紙的計(jì)算機(jī)模擬剪紙是我國(guó)歷史悠久的傳統(tǒng)民間藝術(shù)之一，主要通 過(guò)鏤空而形成顏色對(duì)比和物體連接來(lái)刻畫(huà)形象。張顯全等人在二維平面上實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔 助生成剪紙形象。他們首先對(duì)剪紙圖案做分析，將圖案劃分成不同的細(xì)節(jié)區(qū)域，然后針對(duì)每 個(gè)區(qū)域研究如何構(gòu)造參數(shù)控制的樣條曲線表示，最后將這些區(qū)域組合起來(lái)得到最后的剪紙 圖案。Peng等人用圖像方法完成了一個(gè)生成剪紙的CAD系統(tǒng)。作者通過(guò)交互式接口將剪紙 圖案分解成不同的基本單元圖案，并存放在剪紙圖案數(shù)據(jù)庫(kù)中。構(gòu)造新的剪紙圖案的時(shí)候， 只需要從數(shù)據(jù)庫(kù)中選取或由用戶提供一個(gè)輪廓信息，然后從剪紙數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇不同的剪紙圖案，將這些圖案按照一定的順序進(jìn)行組合，以得到新的剪紙圖案。Liu等人采用圖像處理 的方法對(duì)中國(guó)傳統(tǒng)的對(duì)稱(chēng)剪紙圖案進(jìn)行模擬。李巖提出了三維剪紙圖形這一藝術(shù)形式并完 成了一個(gè)三維剪紙圖形的編輯系統(tǒng)。三維剪紙圖形是用二維剪紙圖案裝飾的具備二維剪紙 特征的三維幾何模型，其建模是指用參數(shù)控制的矢量幾何圖案來(lái)表示剪紙?zhí)卣鲌D案，并通 過(guò)網(wǎng)格模型的表面編輯方法解決二維剪紙圖案在三維網(wǎng)格模型表面映射問(wèn)題。Xu等人通過(guò) 多層閾值處理方法從圖片中設(shè)計(jì)出剪紙圖案，進(jìn)行輪廓增強(qiáng)突出效果，并結(jié)合簡(jiǎn)單的幾何 圖形和傳統(tǒng)中國(guó)剪紙紋樣進(jìn)行剪紙圖案的合成，通過(guò)布爾操作將這些圖形元素合并在一起 并保證相互連通，他們提出的方法適合于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備的剪紙生產(chǎn)。(4)中國(guó)京劇臉譜的數(shù)字模擬和合成蔡飛龍等人提出一個(gè)京劇臉譜的分析與合 成系統(tǒng)。首先分析手工繪制京劇臉譜的結(jié)構(gòu)以及構(gòu)成臉譜的紋樣，包括眉紋、眼窩紋、嘴角 紋等，并用Bezier曲線構(gòu)造出它們的矢量化紋樣庫(kù)。接著在合成臉譜階段，可根據(jù)創(chuàng)作需 要對(duì)各個(gè)紋樣按層進(jìn)行組合得到新的京劇臉譜圖案。該系統(tǒng)還提供一系列變形工具供用戶 對(duì)臉譜紋樣進(jìn)行編輯修改，包括直接調(diào)控紋樣形狀、同類(lèi)獨(dú)立紋樣之間變形，以及不同層紋 樣形狀的關(guān)聯(lián)調(diào)控，從而生成更多的、富有變化的京劇臉譜圖案。與手工繪制京劇臉譜相 比，該系統(tǒng)可以用更靈活多變的方式，簡(jiǎn)單快捷地生成各種復(fù)雜的京劇臉譜。綜上所述，隨著科學(xué)文化技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，非真實(shí)感繪制技術(shù)的研究越來(lái) 越多的受到各國(guó)學(xué)者的關(guān)注，研究對(duì)象非常廣泛，研究成果的應(yīng)用涉及到數(shù)字娛樂(lè)、影視制 作等多方面，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)越來(lái)越大。云南重彩畫(huà)是上世紀(jì)80年代初由丁紹光、劉紹薈、蔣鐵峰等一批云南畫(huà)家研創(chuàng) 的。畫(huà)作融合了東西方古典藝術(shù)和現(xiàn)代藝術(shù)的特色，色彩瑰麗，線條充滿了音樂(lè)的旋律，構(gòu) 圖飽滿、造型嚴(yán)謹(jǐn)、肌理新穎和諧、筆墨色彩厚重，具有較強(qiáng)的美感和裝飾性，具有極強(qiáng)的透 視感。內(nèi)容大多反映云南優(yōu)美的自然風(fēng)光、少數(shù)民族風(fēng)情和歷史文化，具有濃郁的民族地方 特色，該畫(huà)派在國(guó)內(nèi)外享有盛名。云南重彩畫(huà)作為在國(guó)內(nèi)外享有盛譽(yù)的畫(huà)派，其裝飾性和審美性非常值得開(kāi)展風(fēng)格 化研究。但到目前為止，除云南大學(xué)外還沒(méi)有其他機(jī)構(gòu)對(duì)其展開(kāi)系統(tǒng)研究，云南重彩畫(huà)藝術(shù) 風(fēng)格的數(shù)字化模擬和合成研究還沒(méi)有見(jiàn)到報(bào)道。因此本發(fā)明對(duì)該流派展開(kāi)研究，使其成為 當(dāng)前非真實(shí)感繪制技術(shù)研究的重要補(bǔ)充。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于發(fā)明一種云南重彩畫(huà)藝術(shù)風(fēng)格的數(shù)字模擬和合成技術(shù)，設(shè)計(jì)并 實(shí)現(xiàn)云南重彩畫(huà)非真實(shí)感繪制系統(tǒng)，為用戶提供一個(gè)方便、易于操作的用戶接口，讓用戶自 己創(chuàng)作云南重彩畫(huà)，實(shí)現(xiàn)重彩畫(huà)仿真繪制工作。本發(fā)明系統(tǒng)主要由三個(gè)模塊構(gòu)成云南重彩畫(huà)基本圖形元素庫(kù)的建立和管理模 塊，基于圖形元素庫(kù)的云南重彩畫(huà)白描圖繪制模塊和基于云南重彩畫(huà)白描圖的著色渲染模 塊。基本圖形元素庫(kù)用來(lái)提供前景白描圖繪制的元素，如頭發(fā)、臉型、軀干等。云南重彩畫(huà) 白描圖繪制模塊可以從圖形元素庫(kù)中挑選合適的圖形元素進(jìn)行組合而生產(chǎn)云南重彩畫(huà)白 描圖。為了讓各個(gè)圖形元素協(xié)調(diào)搭配，系統(tǒng)提供對(duì)圖形元素的基本操作，如平移、選擇、縮放 等，同時(shí)還可以對(duì)圖形元素的形狀進(jìn)行修改。基于云南重彩畫(huà)白描圖的著色渲染模塊負(fù)責(zé) 對(duì)白描圖著色，著色效果能夠體現(xiàn)出重彩畫(huà)原圖中的紋理特征和顏色特征，另外還實(shí)現(xiàn)了一些云南重彩畫(huà)特有的特征模擬，如人物邊緣空心感、背景融合等。(一 )云南重彩畫(huà)圖形元素的提取和圖形元素庫(kù)的管理模塊我們通過(guò)觀察大量的云南重彩畫(huà)，發(fā)現(xiàn)云南重彩畫(huà)具有線條畫(huà)特點(diǎn)。由于其中的 人物與真實(shí)世界中的人物在形體上差距很大，具有獨(dú)特的造型特征，直接從真實(shí)照片中的 人物得到具有重彩畫(huà)原圖特點(diǎn)的人物具有一定的困難，我們通過(guò)提取重彩畫(huà)原圖中的一些 基本圖形元素，將其進(jìn)行調(diào)整運(yùn)用于人物造型中，以達(dá)到模仿重彩畫(huà)線條畫(huà)性質(zhì)的效果。我們?cè)O(shè)計(jì)了圖形元素提取模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)云南重彩畫(huà)圖形元素的收集。通過(guò)在重彩 畫(huà)原圖中添加控制點(diǎn)進(jìn)行插值描邊的方式收集重彩畫(huà)原圖中的基本圖形元素，如人臉部輪 廓，頭發(fā)線條等，并將這些圖形元素存儲(chǔ)到圖形元素庫(kù)中進(jìn)行分級(jí)分類(lèi)別管理。這一模塊中主要采用的技術(shù)手段有(1)基數(shù)樣條曲線擬合我們采用基數(shù)樣條曲線擬合的方法對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合?；鶖?shù)樣條曲線由滿足 C連續(xù)的樣條曲線拼接得到，其中基數(shù)三次樣條曲線使用較多。我們選擇張力參數(shù)使基數(shù)樣 條平滑地穿過(guò)每一個(gè)控制點(diǎn)，不要出現(xiàn)銳角和突變。為了讓曲線過(guò)第一個(gè)和最后一個(gè)控制 點(diǎn)，可以將第一個(gè)和最后一個(gè)控制點(diǎn)用兩次，這樣就可以實(shí)現(xiàn)所有控制點(diǎn)的插值。(2)圖形元素的管理機(jī)制在圖形元素庫(kù)中，我們對(duì)圖形元素實(shí)施分類(lèi)分級(jí)管理措施，采用段式和頁(yè)式兩級(jí) 管理模式，頁(yè)式管理按照?qǐng)D形元素不同類(lèi)別建立不同的頁(yè)，頁(yè)的名稱(chēng)可以自己定義以方便 使用，如FaCe、Arm和Body等；每個(gè)頁(yè)又可分為不同的段，表示每一類(lèi)圖形元素的不同表現(xiàn) 形式，如LeftArm、RightArm，每個(gè)段可以折疊或展開(kāi)，使得管理和使用清晰明了，方便在圖 形元素較多時(shí)快速查找。(3)圖形元素的存取格式在該發(fā)明中，添加到圖形元素庫(kù)中的圖形元素是按照特定的文件格式來(lái)存儲(chǔ)的， 采用二進(jìn)制的方式保存曲線，即每個(gè)圖形元素保存構(gòu)成它的曲線數(shù)、每條曲線的控制點(diǎn)及 坐標(biāo)。與保存為圖片格式的方法相比，該方法占用較少的硬盤(pán)空間，而且讀寫(xiě)較快。( 二)云南重彩畫(huà)白描圖的繪制模塊該模塊主要用于重彩畫(huà)白描圖的模擬繪制，體現(xiàn)重彩畫(huà)線條畫(huà)特征。用戶使用該 模塊可以從圖形元素庫(kù)中選取合適的圖形元素進(jìn)行組合以得到最終的白描圖繪制結(jié)果。為 便于對(duì)所選取的圖形元素進(jìn)行必要的修改，提供了選擇、平移、縮放、旋轉(zhuǎn)等方法對(duì)圖形元 素進(jìn)行修改，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合。這一模塊主要采用的技術(shù)有(1)圖形元素的修改由于圖形元素保存到庫(kù)中時(shí)保存的是各曲線控制點(diǎn)的信息，使得能夠?qū)膱D形 元素庫(kù)中選擇的圖形元素進(jìn)行添加、刪除控制點(diǎn)和曲線的操作，也可以通過(guò)移動(dòng)控制點(diǎn)的 位置修改曲線形狀，另外還可以對(duì)圖形元素整體進(jìn)行放大，縮小，旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)等幾何變換操 作。(2)圖層的實(shí)現(xiàn)考慮到在白描圖的繪制過(guò)程中需要添加多個(gè)圖形元素進(jìn)行必要的修改和操作以 適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用，為了方便用戶操作，該發(fā)明實(shí)現(xiàn)了圖層功能，用戶可以在不同的圖層放置不同的圖形元素，防止不同圖形元素之間的相互干擾，使他們具有一定的獨(dú)立性，便于識(shí)別和 操作。每個(gè)圖層都擁有自己獨(dú)立的畫(huà)筆和屬性，可以單獨(dú)設(shè)置每個(gè)圖層的可見(jiàn)性，也可以移 動(dòng)和合并圖層等。(三)基于云南重彩畫(huà)白描圖的著色渲染模塊在這一模塊中，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)繪制的白描圖進(jìn)行云南重彩畫(huà)特有的紋理和色彩特征 渲染。在云南重彩畫(huà)中，紋理和色彩具有與其他畫(huà)派截然不同的特征，在畫(huà)中人物肌膚具有 明顯的方向性條紋狀紋理，而服飾又具有混色云狀紋理，另外畫(huà)中人物邊緣輪廓也具有金 色空心狀的視覺(jué)效果。這一模塊主要采取的技術(shù)方法為(1)人物肌膚紋理的渲染鑒于人物肌膚中帶有方向性的類(lèi)似于鉛筆畫(huà)的紋理，我們采用了 LIC算法來(lái)模擬 云南重彩畫(huà)的肌膚紋理。LIC (Line Integral Convolut ion)方法是由 Cabral 和 Leedom 于 1993 年首次提 出的基于紋理的向量場(chǎng)可視化技術(shù)。該算法的基本原理是將一個(gè)二維向量場(chǎng)劃分表示為一 個(gè)矩形的笛卡爾網(wǎng)絡(luò)，然后對(duì)輸入的白噪聲圖像沿向量場(chǎng)方向在劃分的網(wǎng)格內(nèi)進(jìn)行局部模 糊化從而生成相應(yīng)的可視化向量場(chǎng)。LIC方法提供了積分步長(zhǎng)、積分長(zhǎng)度、矢量場(chǎng)方向、噪聲 場(chǎng)分布等參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)生成的紋樣，可以生成我們需要的水平狀紋理或云朵狀紋理。(2)服飾紋理的渲染對(duì)于重彩畫(huà)服飾紋理中色彩混疊并帶有刮痕的特征，我們采取了兩種方法進(jìn)行色 彩渲染。a.在HSV顏色空間中分通道進(jìn)行LIC算法模擬混色效果①選擇服飾顏色；②在HSV顏色空間選擇進(jìn)行LIC運(yùn)算的通道；③設(shè)HSV_0riginal是需要進(jìn)行服飾顏色填充區(qū)域內(nèi)的像素集合，把該集合中各 像素的所選通道的通道值提取出來(lái)，組成新的像素集合HSV_New_0riginal ；④在HSV_NeW_0riginal中，設(shè)定噪聲場(chǎng)和矢量場(chǎng)，運(yùn)用LIC算法得到結(jié)果像素集 合 HSV_New_Result ；⑤將HSV_New_Result作為HSV_0riginal中所選通道的通道值，與圖像HSV_ Original中其余通道的值和在一起，組成最終像素集合HSV_Result。⑥將HSV_Result從HSV空間轉(zhuǎn)換到RGB空間進(jìn)行顯示，我們可以得到混色的效果 圖。b.在RGB顏色空間模擬混色效果①先對(duì)需要進(jìn)行服飾顏色填充的白描圖區(qū)域，確定噪聲場(chǎng)和矢量場(chǎng)，運(yùn)用LIC算 法，得到混色權(quán)值圖Resultlmage，(χ, y)為該圖中像素點(diǎn)的坐標(biāo)，R(x，y)為點(diǎn)(x，y)處的 灰度值。②設(shè)ForeColor為前景色，BackColor為背景色，則前景色和背景色混色時(shí)，依循 下列公式進(jìn)行混合得到混合色效果。1)令 α = R(x, y)/255 ；2) (χ, y)點(diǎn)的混合色 C = α *BackColor+(1_ α ) *ForeColor。
(3)基于紋理合成的云南重彩畫(huà)肌膚和服飾的數(shù)字模擬和合成對(duì)于云南重彩 畫(huà)特有的肌膚紋理和服飾色彩，除了上述提到的方法外，還可將重彩畫(huà)肌膚和服飾的紋 理、色彩、花紋看成表現(xiàn)云南重彩畫(huà)藝術(shù)特點(diǎn)的紋理進(jìn)行收集，構(gòu)建紋理樣本庫(kù)，應(yīng)用 Image-Quilting紋理合成算法，對(duì)需要肌膚和服飾渲染的地方，合成肌膚紋理或服飾紋理， 粘貼到相應(yīng)的位置，再利用白描圖線條進(jìn)行裁剪。Image-Quilting算法是基于樣本的紋理 合成算法，它在紋理樣本中選擇合適的塊，按塊拼接的思想合成紋理，在塊與塊拼接時(shí)，采 用最小縫合線技術(shù)以保證塊過(guò)渡自然無(wú)痕跡。(4)云南重彩畫(huà)邊緣金色空心感模擬對(duì)于云南重彩畫(huà)輪廓線金色空心感的特征，我們采取數(shù)字形態(tài)學(xué)的方法進(jìn)行如下 的步驟來(lái)模擬①將需要著色的白描圖轉(zhuǎn)換為二值圖像Linelmage ；②對(duì)LineImage作如下形態(tài)學(xué)變換，其中InflateO為膨脹，ErodeO為腐蝕=Inf late (LineImage-Inflate (Erode (Linelmage))) +Linelmage,得到粗細(xì)均勻的線條畫(huà)，記為 NewLineImage ；③再對(duì)NewLineImage做腐蝕變換Erode (NewLineImage)，然后將得到的腐蝕圖中 的線條變?yōu)榻瘘S色，得到的線條畫(huà)記為HeartLineImage ；④將線條畫(huà)HeartLineImage疊加到線條畫(huà)NewLineImage得到的結(jié)果圖即具有金 色空心感邊緣。(5)前景與背景的融合技術(shù)之前我們對(duì)白描圖進(jìn)行的一系列操作及著色和邊緣增強(qiáng)等得到的結(jié)果圖稱(chēng)之為 前景圖，在實(shí)際應(yīng)用中，背景圖可以由用戶自行加入。在將前景和背景融合時(shí)，鑒于重彩畫(huà) 前景圖的特殊性，如果用常用的背景融合方法，會(huì)把前景圖中的白色區(qū)域判斷為背景區(qū)域 而用相應(yīng)的背景區(qū)進(jìn)行填充，因?yàn)樵诎酌鑸D線條畫(huà)中除了線條外其他地方都是白色，即使 經(jīng)過(guò)著色也會(huì)存在部分白色區(qū)域?qū)儆谇熬皥D，這種情況下會(huì)出現(xiàn)誤操作。所以在發(fā)明的這 一功能中我們加入了簡(jiǎn)單的用戶交互的環(huán)節(jié)，劃分出背景區(qū)和前景區(qū)，調(diào)入背景圖片，該圖 片在背景區(qū)能夠顯示，但在前景區(qū)不能顯示，從而完成前景和背景的融合。為防止白描圖不是全封閉的線條圖，在發(fā)明中我們采用了簡(jiǎn)單的畫(huà)筆功能，通過(guò) 添加簡(jiǎn)短的筆畫(huà)將白描圖變?yōu)榉忾]的區(qū)域，然后對(duì)屬于背景圖的區(qū)域利用種子填充的方式 用一特定的顏色標(biāo)識(shí)出來(lái)，然后再將背景添加到前景圖中進(jìn)行融合從而得到完整的圖像。(6)色彩傳遞技術(shù)在云南重彩畫(huà)模擬繪制的最后階段，我們采用顏色傳遞的方式使得之前經(jīng)過(guò)各部 分處理過(guò)的圖像整體色彩與丁紹光的云南重彩畫(huà)作品有相似的視覺(jué)效果。在發(fā)明中我們實(shí)現(xiàn)了多顏色空間中多種色彩傳遞算法的色彩傳遞功能，用戶可以 根據(jù)不同的應(yīng)用選擇顏色空間(Lab、RGB)和色彩傳遞方式(全局色彩傳遞、交互式局部色 彩傳遞)，從重彩畫(huà)繪畫(huà)作品(目標(biāo)圖)中將色彩信息傳遞到我們模擬合成出的重彩畫(huà)(原 圖)中。a.全局色彩傳遞全局色彩傳遞算法實(shí)質(zhì)上是Reinhard算法，Reinhard算法是對(duì)原圖像和目標(biāo)圖 像的一階和二階統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行線性變換，讓原圖像具有和目標(biāo)圖像相似的統(tǒng)計(jì)特征，在視覺(jué)上達(dá)到色彩相似的效果。b.交互式的局部色彩傳遞該方法是基于局部色彩統(tǒng)計(jì)信息的快速簡(jiǎn)單的交互式算法，允許只傳遞圖像某部 分的顏色。用戶可以自己選擇一個(gè)或多個(gè)顏色傳遞的對(duì)應(yīng)區(qū)域。我們進(jìn)行局部色彩傳遞時(shí)， 在原圖中為每一個(gè)對(duì)應(yīng)區(qū)域建立CTWC (Color Transferffeight Coefficient)，它表示原圖 中每一個(gè)像素受色彩傳遞影響的程度。CTWC與像素到所選區(qū)域的顏色統(tǒng)計(jì)距離成反比，即 像素顏色與所選區(qū)域顏色距離越小，該像素的CTWC越大，反之像素顏色與所選區(qū)域顏色距 離越大，該像素的CTWC越小。顏色距離采用歐式距離，設(shè)χ為原圖中像素與所選區(qū)域的顏 色距離，設(shè)所選區(qū)域各通道的均值分別為O^b1K1),當(dāng)前像素P點(diǎn)各通道值為(a2，b2，c2)， 則P點(diǎn)的顏色距離χ的計(jì)算公式如下 本發(fā)明中我們利用一個(gè)衰減的指數(shù)函數(shù)
作為計(jì)算CTWC的公式，可以
看出，某像素的顏色距離X越大，F(xiàn)(X)越小，即該像素受色彩傳遞的影響越小。由于系統(tǒng)中 允許選取多個(gè)對(duì)應(yīng)的區(qū)域，我們采取的處理策略是按照選取區(qū)域的順序，依次做局部色彩 傳遞，并且后一次的傳遞在前一次傳遞結(jié)果的基礎(chǔ)上來(lái)完成。本發(fā)明云南重彩畫(huà)藝術(shù)風(fēng)格的數(shù)字模擬和合成技術(shù)立足于云南本土文化特色，選 取以丁紹光為代表的云南重彩畫(huà)繪畫(huà)作品作為研究對(duì)象，對(duì)云南重彩畫(huà)藝術(shù)風(fēng)格的數(shù)字合 成技術(shù)展開(kāi)研究，分析歸納有代表性的云南重彩畫(huà)在構(gòu)圖、線條、紋理及色彩運(yùn)用上的特點(diǎn) 和規(guī)律，探索、研究相應(yīng)的計(jì)算機(jī)模擬和仿真合成的非真實(shí)感繪制技術(shù)，這對(duì)促進(jìn)非真實(shí)感 繪制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用有積極作用，是對(duì)具有中國(guó)特色藝術(shù)風(fēng)格繪畫(huà)流派的計(jì)算機(jī)建模與 繪制研究的有益補(bǔ)充。本發(fā)明主要涉及基本圖形元素建立及管理、白描圖繪制、筆刷模擬、顏料模擬、紋 理合成、色彩傳遞等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)，發(fā)明成果在影視制作、數(shù)字娛樂(lè)、廣告行業(yè)有廣泛的 應(yīng)用前景，對(duì)弘揚(yáng)民族文化，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有積極意義。


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圖1是本發(fā)明云南重彩畫(huà)藝術(shù)風(fēng)格數(shù)字模擬和合成繪制的整體框架圖2是本發(fā)明圖形元素提取的流程圖3是本發(fā)明基本圖形元素庫(kù)的組成類(lèi)別；
圖4是本發(fā)明基本圖形元素提取和管理系統(tǒng)示意圖5是本發(fā)明基本圖形元素庫(kù)示意圖6是本發(fā)明白描圖繪制流程框架圖7是本發(fā)明白描圖繪制系統(tǒng)示意圖8是本發(fā)明用白描圖繪制系統(tǒng)繪制的白描圖實(shí)例；
圖9是本發(fā)明云南重彩畫(huà)白描圖渲染流程圖10是本發(fā)明云南重彩畫(huà)渲染系統(tǒng)示意圖11是運(yùn)用本發(fā)明的白描圖渲染模塊，進(jìn)行肌膚紋理渲染、服飾紋理渲染、輪廓增強(qiáng)、背景融合及色彩傳遞后所獲得的完整云南重彩畫(huà)模擬繪制圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1打開(kāi)云南重彩畫(huà)作品，選擇畫(huà)筆顏色和寬度，采用交互方式沿人物輪廓通過(guò)添加 控制點(diǎn)的方式描繪各圖形元素，發(fā)明的系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)于添加的控制點(diǎn)，進(jìn)行基數(shù)曲線擬合，對(duì) 于每一個(gè)控制點(diǎn)，擬合的曲線能夠平滑的通過(guò)，不會(huì)出現(xiàn)突變和銳角；擬合的曲線可以是任 何長(zhǎng)度和形狀。云南重彩畫(huà)藝術(shù)風(fēng)格的數(shù)字模擬和合成包括以下步驟(1)從云南重彩畫(huà)作品中提取圖形元素，并保存到基本圖形元素庫(kù)中；(2)利用基本圖形元素庫(kù)中的圖形元素進(jìn)行拼接、修改、編輯后得到云南重彩畫(huà)白 描圖；(3)對(duì)繪制的云南重彩畫(huà)白描圖進(jìn)行渲染，包括肌膚紋理和服飾紋理的渲染，得到 前景圖；(4)選取背景圖與第(3)步得到的前景圖進(jìn)行融合，得到合成圖；(5)對(duì)以上步驟得到的圖進(jìn)行輪廓增強(qiáng)，使之具有云南重彩畫(huà)的邊緣空心感的特 征。(6)進(jìn)行色彩傳遞操作，使之具有云南重彩畫(huà)的整體色彩特征。在圖1中展示了云南重彩畫(huà)的非真實(shí)感藝術(shù)風(fēng)格模擬繪制的流程。所述的圖形元素提取的具體步驟為(見(jiàn)圖2所示的圖形元素提取的流程圖)(1)載入云南重彩畫(huà)作品；(2)選擇畫(huà)筆顏色和筆刷大?。?3)在要提取的圖形元素處沿邊緣輪廓以添加點(diǎn)的方式繪制圖形元素，用基數(shù)樣 條曲線擬合方法對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行擬合，提取出圖形元素；(4)將提取的圖形元素添加到基本圖形元素庫(kù)中。圖6是白描圖繪制流程圖。(1)建立圖層；(2)從基本圖形元素庫(kù)中選取圖形元素添加到當(dāng)前圖層中；(3)對(duì)當(dāng)前的圖形元素進(jìn)行修改、移動(dòng)和選擇等操作；(4)重復(fù)步驟(1)_(3)，直至各圖層圖形元素調(diào)整完畢，達(dá)到滿意的效果；(5)合并各圖層，使得各個(gè)獨(dú)立的圖形元素成為整體，形成最終繪制的白描圖；(6)將最后繪制的白描圖保存為圖像格式或者發(fā)明中自定義的格式。圖8展示了利用該發(fā)明繪制的云南重彩畫(huà)白描圖。所述的云南重彩畫(huà)白描圖渲染的具體步驟為(如圖9所示的云南重彩畫(huà)白描圖渲 染流程圖)(1)載入云南重彩畫(huà)白描圖；(2)對(duì)白描圖中的人物肌膚進(jìn)行渲染調(diào)整筆刷濃度，步長(zhǎng)及矢量場(chǎng)方向；然后用 筆刷添加肌膚紋理；(3)對(duì)白描圖中的人物服飾紋理進(jìn)行渲染調(diào)整筆刷濃度、矢量場(chǎng)方向和渲染方法；若選擇HSV空間渲染，再選擇渲染通道；若選擇RGB空間渲染，再選擇前景色和背景色， 對(duì)這種方法，我們針對(duì)常用的一些混色前景色和背景色進(jìn)行預(yù)設(shè)，用戶可以方便的選擇使 用；然后用填充的方式添加服飾紋理；(4)處理完前景圖后，在發(fā)明中，通過(guò)用戶簡(jiǎn)單的交互過(guò)程，人工的分出前景區(qū)和 背景區(qū)，然后選擇背景圖片進(jìn)行背景融合；(5)用數(shù)字形態(tài)學(xué)的方法對(duì)上面處理過(guò)的白描圖進(jìn)行輪廓增強(qiáng)，使得前景圖片具 有邊緣空心感的特征；(6)最后，對(duì)整體繪制的云南重彩畫(huà)進(jìn)行顏色的傳遞，使整體具有云南重彩畫(huà)的顏 色特征；(7)最終得到的處理后的圖片即是利用該發(fā)明進(jìn)行模擬繪制的云南重彩畫(huà)。圖11展示了利用該發(fā)明模擬繪制的云南重彩畫(huà)。
權(quán)利要求
云南重彩畫(huà)藝術(shù)風(fēng)格的數(shù)字模擬和合成技術(shù)，其特征在于它的繪制過(guò)程是從云南重彩畫(huà)作品中提取能反映該畫(huà)派特征的各種圖形元素并保存制作為基本圖形元素庫(kù)，然后使用基本圖形元素庫(kù)中的圖形元素，進(jìn)行自由組合或拼接或繪制或修改編輯，得到云南重彩畫(huà)白描圖合成圖，再進(jìn)一步對(duì)云南重彩畫(huà)白描圖進(jìn)行肌膚紋理、服飾紋理渲染，且對(duì)渲染后的效果圖進(jìn)行輪廓增強(qiáng)、背景融合及色彩傳遞操作，最后獲得一幅數(shù)字模擬合成的云南重彩畫(huà)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的云南重彩畫(huà)藝術(shù)風(fēng)格的數(shù)字模擬和合成技術(shù)，其特征在于所 述的提取圖形元素的方法為打開(kāi)云南重彩畫(huà)作品，選擇畫(huà)筆顏色和寬度，采用交互方式沿 需要提取的圖形元素輪廓添加控制頂點(diǎn)，勾勒出圖形元素輪廓，系統(tǒng)采用基數(shù)樣條曲線擬 合的方法對(duì)控制頂點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，對(duì)于每一個(gè)控制點(diǎn)，擬合的曲線能夠達(dá)到C1連續(xù)，擬合 的曲線可以是任何長(zhǎng)度和形狀。一個(gè)圖形元素可以由多條曲線構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的云南重彩畫(huà)藝術(shù)風(fēng)格的數(shù)字模擬和合成技術(shù)，其特征在于所 述重彩畫(huà)基本圖形元素庫(kù)的圖形元素分級(jí)管理模式和圖形元素存儲(chǔ)格式分別是(1)圖形元素分級(jí)管理模式基本圖形元素庫(kù)的管理機(jī)制為兩級(jí)管理模式一頁(yè)式和段式管理。頁(yè)式按照?qǐng)D形元素不同的類(lèi)別建立相應(yīng)的頁(yè)，頁(yè)的名稱(chēng)可以由用戶自己定義以方便 使用，如 Face、Body、Arm 等；段式每個(gè)頁(yè)又可分為不同的段，表示每一類(lèi)圖形元素的不同表現(xiàn)形式，如Arm中的 LeftArm或RightArm，每個(gè)段可以折疊或展開(kāi)，便于管理和使用，方便圖形元素較多時(shí)快速 查找。(2)圖形元素的存儲(chǔ)格式添加到基本圖形元素庫(kù)中的圖形元素采用二進(jìn)制文件格式存儲(chǔ)，具有存儲(chǔ)量小的特 點(diǎn)，存儲(chǔ)內(nèi)容包括圖形元素包含的曲線數(shù)，每條曲線的控制點(diǎn)數(shù)，每個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的云南重彩畫(huà)藝術(shù)風(fēng)格的數(shù)字模擬和合成技術(shù)，其特征在于所 述云南重彩畫(huà)白描圖的繪制步驟、分圖層繪制方法和白描圖存儲(chǔ)格式分別是(1)云南重彩畫(huà)白描圖繪制步驟在基本圖形元素庫(kù)中尋找需要的圖形元素，每個(gè)圖形元素放置在一個(gè)圖層中，然后對(duì) 每個(gè)圖形元素進(jìn)行調(diào)整，包括平移、旋轉(zhuǎn)、對(duì)稱(chēng)、縮放等幾何變換，調(diào)整曲線的控制頂點(diǎn)改變 曲線形狀，通過(guò)自由畫(huà)筆添加曲線，也可刪除曲線，使各圖形元素搭配出協(xié)調(diào)的云南重彩畫(huà) 白描圖，最后合并各個(gè)圖層，保存所描繪的白描圖，獲得云南重彩畫(huà)白描圖合成圖。(2)分圖層繪制方法用戶在不同的圖層放置不同的圖形元素，防止不同圖形元素之間的相互干擾，使他們 具有一定的獨(dú)立性，便于識(shí)別和操作；每個(gè)圖層都擁有自己獨(dú)立的畫(huà)筆和屬性，可單獨(dú)設(shè)置 每個(gè)圖層的可見(jiàn)性，也可移動(dòng)和合并圖層，觀察繪制效果。(3)云南重彩畫(huà)白描圖存儲(chǔ)格式繪制的白描圖可以保存為兩種形式，一種為圖片Cbmp)格式，另一種為我們自定義的 格式(.ccf)。第一種格式可作為云南重彩畫(huà)白描圖合成圖的輸出，同時(shí)還是后續(xù)白描圖著 色渲染的輸入；第二種格式保存了白描圖合成圖中的各圖層圖形元素、曲線及其控制點(diǎn)等 信息，通過(guò)打開(kāi)該類(lèi)文件用戶仍然可對(duì)白描圖合成圖進(jìn)行修改。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的云南重彩畫(huà)藝術(shù)風(fēng)格的數(shù)字模擬和合成技術(shù)，其特征在于所 述云南重彩畫(huà)白描圖的人物肌膚渲染，是按云南重彩畫(huà)繪畫(huà)作品中人物肌膚紋理特點(diǎn)，采 用參數(shù)可調(diào)的LIC(Line Integral Convolution)算法對(duì)肌膚進(jìn)行模擬，提供積分步長(zhǎng)、積 分長(zhǎng)度、矢量場(chǎng)方向、噪聲場(chǎng)分布參數(shù)、紋理顏色來(lái)調(diào)節(jié)生成的紋樣，可生成人物肌膚渲染 需要的肌膚水平狀紋理或云朵狀紋理。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的云南重彩畫(huà)藝術(shù)風(fēng)格的數(shù)字模擬和合成技術(shù)，其特征在于所 述的云南重彩畫(huà)白描圖的人物服飾渲染，是采用兩種混色方法對(duì)人物服飾進(jìn)行渲染。(1)在HSV顏色空間中分通道運(yùn)行LIC算法模擬混色效果①選擇服飾顏色；②在HSV顏色空間選擇進(jìn)行LIC運(yùn)算的通道；③設(shè)HSV_0riginal是需要進(jìn)行服飾顏色填充區(qū)域內(nèi)的像素集合，把該集合中各像素 的所選通道的通道值提取出來(lái)，組成新的像素集合HSV_New_0riginal ；④在HSV_New_0riginal中，設(shè)定噪聲場(chǎng)和矢量場(chǎng)，運(yùn)用LIC算法得到結(jié)果像素集合 HSV_New_Result ；⑤將HSV_New_Result作為HSV_0riginal中所選通道的通道值，與圖像HSV_0riginal 中其余通道的值合在一起，組成最終像素集合HSV_ResUlt ；⑥將HSV_ResUlt從HSV顏色空間轉(zhuǎn)換到RGB顏色空間進(jìn)行顯示，我們可以得到混色的 效果圖。(2)在RGB顏色空間模擬混色效果①先對(duì)需要進(jìn)行服飾顏色填充的白描圖區(qū)域，確定噪聲場(chǎng)和矢量場(chǎng)，運(yùn)用LIC算法，得 到混色權(quán)值圖Resultlmage, (x, y)為該區(qū)域中像素點(diǎn)的坐標(biāo)，R(x, y)為點(diǎn)(x, y)處的灰 度值；②設(shè)ForeColor為前景色，BackColor為背景色，則前景色和背景色混色時(shí)，依循下列 公式進(jìn)行混合得到混合色效果1)令α = R(χ, y)/255,2)(χ, y)點(diǎn)的混合色 C = α ^BackColor+ (1- α ) ^ForeColor
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的云南重彩畫(huà)藝術(shù)風(fēng)格的數(shù)字模擬和合成技術(shù)，其特征在于所 述基于紋理合成的肌膚、服飾數(shù)字模擬和合成方法從云南重彩畫(huà)繪畫(huà)作品中收集肌膚、服 飾區(qū)紋理，采用Image-Quilting紋理合成方法，將肌膚、服飾紋理添加到需要渲染的地方。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的云南重彩畫(huà)藝術(shù)風(fēng)格的數(shù)字模擬和合成技術(shù)，其特征在于所 述云南重彩畫(huà)數(shù)字模擬合成圖的輪廓增強(qiáng)方法對(duì)云南重彩畫(huà)輪廓線金色空心感的特征， 采取數(shù)字形態(tài)學(xué)方法按如下步驟進(jìn)行模擬。①設(shè)線條畫(huà)圖像為L(zhǎng)ineImage；②對(duì)線條畫(huà)作如下形態(tài)學(xué)變換，其中InflateO為膨脹，ErodeO為腐蝕=Inflat e (LineImage-Inflate (Erode (LineImage))) +LineImage,得到粗細(xì)均勻的線條畫(huà)，記為 NewLineImage ；c.再對(duì)NewLineImage做腐蝕變換Erode(NewLineImage)，然后將得到的腐蝕圖中的線 條變?yōu)榻瘘S色，得到的線條畫(huà)記為HeartLineImage ；d.將線條畫(huà)HeartLineImage疊加到線條畫(huà)NewLineImage得到的結(jié)果圖即具有金色空心感邊緣。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的云南重彩畫(huà)藝術(shù)風(fēng)格的數(shù)字模擬和合成技術(shù)，其特征在于前 景人物與背景的融合加入用戶交互的環(huán)節(jié)，采用簡(jiǎn)單的畫(huà)筆功能，通過(guò)添加簡(jiǎn)短的筆畫(huà)將 白描圖變?yōu)榉忾]的區(qū)域，然后對(duì)屬于背景圖的區(qū)域利用種子填充的方式用特定的顏色標(biāo)識(shí) 出來(lái)，劃分出背景區(qū)和前景區(qū)，調(diào)入背景圖片，該圖片在背景區(qū)能夠顯示，但在前景區(qū)不能 顯示，從而完成前景和背景的融合。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的云南重彩畫(huà)藝術(shù)風(fēng)格的數(shù)字模擬和合成技術(shù)，其特征在于 所述的色彩傳遞技術(shù)。在發(fā)明中實(shí)現(xiàn)了多顏色空間、多種色彩傳遞算法的色彩傳遞功能，用 戶可以根據(jù)不同的應(yīng)用選擇顏色空間(Lab、RGB)和色彩傳遞方式，色彩傳遞方式包括全局 色彩傳遞、交互式局部色彩傳遞。(1)全局色彩傳遞全局色彩傳遞算法是對(duì)原圖像和目標(biāo)圖像的一階和二階統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行線性變換，讓目 標(biāo)圖像具有和原圖像相似的統(tǒng)計(jì)特征，在視覺(jué)上達(dá)到色彩相似的效果；(2)交互式的局部色彩傳遞基于局部色彩統(tǒng)計(jì)信息的快速簡(jiǎn)單的交互式算法，允許只傳遞圖像某部分的顏色特 征，保留圖像其他部分的顏色特征。用戶可以在原圖和目標(biāo)圖上選擇一個(gè)或多個(gè)顏色傳遞 的對(duì)應(yīng)區(qū)域，算法按照選取區(qū)域的順序，依次做局部色彩傳遞，并且后一次的傳遞在前一次 傳遞結(jié)果的基礎(chǔ)上來(lái)完成。全文摘要
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中非真實(shí)感繪制，特別是一種云南重彩畫(huà)的藝術(shù)風(fēng)格的數(shù)字模擬與合成，屬非真實(shí)感圖形繪制技術(shù)領(lǐng)域。其特征包括云南重彩畫(huà)基本圖形元素庫(kù)的建立和管理模塊，基于圖形元素庫(kù)的云南重彩畫(huà)白描圖繪制模塊和基于云南重彩畫(huà)白描圖的著色渲染模塊?；緢D形元素庫(kù)用來(lái)提供前景白描圖繪制所需的圖形元素，如頭發(fā)、臉型、軀干等。云南重彩畫(huà)白描圖繪制模塊可以從圖形元素庫(kù)中挑選合適的圖形元素進(jìn)行分圖層組合而產(chǎn)生云南重彩畫(huà)白描圖。為了讓各個(gè)圖形元素協(xié)調(diào)搭配，系統(tǒng)提供對(duì)圖形元素的各種操作，如平移、選擇、縮放等，同時(shí)還可以對(duì)圖形元素的形狀進(jìn)行修改?；谠颇现夭十?huà)白描圖的著色渲染模塊負(fù)責(zé)對(duì)白描圖著色，著色效果能夠反映出重彩畫(huà)原圖中的紋理特征和顏色特征，另外還實(shí)現(xiàn)一些云南重彩畫(huà)特有的特征模擬，如人物邊緣空心感、背景融合等。
文檔編號(hào)G06T11/20GK101887366SQ20101018798
公開(kāi)日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2010年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月1日
發(fā)明者徐丹, 普?qǐng)@媛, 蘇迤, 魏小敏 申請(qǐng)人:云南大學(xué)