本發(fā)明公開了一種基于非真實(shí)感的線條粉筆畫藝術(shù)風(fēng)格模擬方法，涉及計(jì)算機(jī)圖形圖像處理中線條凸顯的、粉筆畫藝術(shù)效果的仿真和繪制方法，屬信息技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，非真實(shí)感繪制(NPR：Non Photorealistic Rendering)技術(shù)成為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究熱點(diǎn)。非真實(shí)感繪制建立在人類感知的基礎(chǔ)上，結(jié)合了藝術(shù)的繪畫規(guī)則與科學(xué)的技術(shù)方法，是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的有益補(bǔ)充。該技術(shù)主要通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬生成西方的或者中國(guó)特有的藝術(shù)風(fēng)格效果，例如模擬具有卡通、油畫、水彩、鉛筆畫等不同手繪風(fēng)格的圖像。它的特點(diǎn)在于可以表現(xiàn)圖形的藝術(shù)特質(zhì)、模擬藝術(shù)作品，甚至能表現(xiàn)出人的主觀情感信息，在自然藝術(shù)風(fēng)格的模擬、圖像信息的增強(qiáng)、動(dòng)畫的生成、數(shù)據(jù)的藝術(shù)表現(xiàn)以及醫(yī)學(xué)、建筑學(xué)、教育學(xué)等方面都發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。此外，非真實(shí)感繪制能適應(yīng)圖像內(nèi)容信息，忽略次要細(xì)節(jié)，有效地將用戶的注意力吸引到關(guān)鍵或者重要的區(qū)域；能節(jié)省大量的人力、物力、時(shí)間來(lái)完成用戶的意圖，繪制效率高，例如動(dòng)畫的制作、藝術(shù)效果的生成等過(guò)程，在影視作品、景點(diǎn)漫游、廣告宣傳、游戲娛樂(lè)、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)阮I(lǐng)域中，扮演著越來(lái)越重要的角色。

非真實(shí)感繪制技術(shù)側(cè)重模擬具有各種不同風(fēng)格的藝術(shù)作品，如油畫、水彩畫、鋼筆畫、鉛筆畫、抽象畫等藝術(shù)風(fēng)格作品，圖形工作者還對(duì)中國(guó)特有的中國(guó)水墨畫、中國(guó)書法、中國(guó)剪紙畫等藝術(shù)作品進(jìn)行了模擬，然而，千百年來(lái)無(wú)論是在西方還是中國(guó)都形成了眾多的藝術(shù)風(fēng)格作品，其中針對(duì)粉筆畫藝術(shù)效果的模擬并不多見(jiàn)。

粉筆畫又稱作街頭立體畫、街面粉質(zhì)畫，它被國(guó)家地理雜志譽(yù)為一種全新的藝術(shù)形式，它是用特制的色粉筆在附著力較強(qiáng)的黑板上、紙上創(chuàng)作的作品，因此又稱粉畫、色粉畫。其特點(diǎn)是不透明、無(wú)光澤，通過(guò)勾擦揉抹，可以產(chǎn)生清新明麗、豐富細(xì)膩的色彩效果，可以表現(xiàn)復(fù)雜的環(huán)境氣氛，易于掌握；也可以細(xì)致入微地刻畫創(chuàng)作對(duì)象的質(zhì)地和肌理，別具一格。此外，最常見(jiàn)的粉筆畫莫過(guò)于黑板、地板上的一些即興創(chuàng)作或涂鴉，在街頭巷尾我們都能看到許許多多的藝人拿著粉筆即興創(chuàng)作，那些五彩斑斕的作品往往令人嘆為觀止。

在非真實(shí)感繪制公知的技術(shù)中，王東等人采用紋理合成和紋理傳輸?shù)姆椒▽㈧o態(tài)圖像渲染為烙畫風(fēng)格的藝術(shù)效果（<系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2010，22 (12): 2929-2933>）；此外，王東等人采用動(dòng)態(tài)權(quán)重控制的變形及紋理傳輸方法模擬了葫蘆烙畫藝術(shù)風(fēng)格（<計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010，30(9): 2473-2478>）；錢文華等人采用背景紋理合成及偏離映射的方法獲得了烙畫藝術(shù)風(fēng)格（<中國(guó)圖像圖形學(xué)報(bào)，2013，18(7): 836-843>）；曹毅采用基于圖像的方法模擬繪制了中國(guó)水墨畫藝術(shù)效果（<吉林大學(xué)博士畢業(yè)論文，2012>）；陳釗針對(duì)具體場(chǎng)景設(shè)計(jì)了地形處理部分和地形水墨渲染兩個(gè)模塊，設(shè)計(jì)了寫意水墨畫繪制系統(tǒng)（<吉林大學(xué)碩士論文，2011>）；Meng等人對(duì)人臉等結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了研究，采用變形、數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建實(shí)現(xiàn)了人物肖像畫的剪紙效果（<吉林大學(xué)博士論文，2012>）；周杰等人采用參數(shù)化方法模擬了亂針刺繡藝術(shù)效果（<計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2014，26(3): 436-444>）；陳圣國(guó)設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)輔助亂針刺繡藝術(shù)效果模擬過(guò)程（<計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2011，34 (3): 526-532>）；鐘秋月從網(wǎng)格和紋理貼圖的風(fēng)格化兩方面模擬皮影的風(fēng)格特征，設(shè)計(jì)了具有皮影風(fēng)格的人影三維模型（<電子科技大學(xué)碩士畢業(yè)論文，2012>）；黃華等（<專利CN200910023002.1>，2009）根據(jù)素描以及人眼視覺(jué)的特點(diǎn)，生成素描風(fēng)格化的藝術(shù)效果；李云夕等（<專利CN2001110210312.1>，2011）公開了一種計(jì)算機(jī)素描畫的生成方法及系統(tǒng)；董立新公開了一種基于圖像的水墨畫畫風(fēng)圖像生成方法（<專利CN201110208739.8>，2011）；郝雯公開了一種帶特征線風(fēng)格化的三維風(fēng)格模型非真實(shí)感渲染方法（<專利CN201010541055.5>，2011）。錢文華公開了一種基于非真實(shí)感的藝術(shù)插畫效果繪制方法（<專利CN201210135344.4>，2012），之后，錢文華公開了一種基于非真實(shí)感的鋼筆淡彩效果繪制方法（<專利CN201210105833.5>，2012）。

相對(duì)公知的計(jì)算機(jī)非真實(shí)感水墨、剪紙等藝術(shù)效果模擬方法，本發(fā)明以邊緣提取和邊緣擴(kuò)散為基礎(chǔ)，結(jié)合圖像融合技術(shù)，提出一種基于非真實(shí)感的、線條特征為主的粉筆畫藝術(shù)效果仿真方法。經(jīng)文獻(xiàn)檢索，未見(jiàn)與本發(fā)明相同的公開報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種線條粉筆畫藝術(shù)效果模擬方法，具有線條突出、無(wú)光澤等特點(diǎn)，符合真實(shí)粉筆畫藝術(shù)作品中線條、背景的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)單、速度快，更具有通用性和一般性。

本發(fā)明以數(shù)字圖像處理技術(shù)中的邊緣提取、邊緣細(xì)節(jié)增強(qiáng)、圖像融合技術(shù)為基礎(chǔ)，主要目的是模擬出具有線條粉筆畫的藝術(shù)效果，針對(duì)輸入的目標(biāo)圖像，給出了對(duì)彩色圖像進(jìn)行邊緣提取、圖像擴(kuò)散、圖像濾波等方法，提出了將線條前景圖像融合到黑板背景圖像中的方法。

本發(fā)明按以下步驟完成：

本發(fā)明基于非真實(shí)感繪制技術(shù)，需要兩幅輸入圖像實(shí)現(xiàn)最終的線條粉筆畫藝術(shù)效果圖像，其中一幅輸入自然圖像作為前景圖像，用于提取線條，模擬粉筆畫的線條特征；另一幅輸入作為背景圖像，由于粉筆畫通常在黑板、地板、墻壁等材質(zhì)上進(jìn)行創(chuàng)作，因此可輸入另一幅黑板等圖像作為背景圖像；整個(gè)繪制方法的工藝流程為：首先，為了提取圖像的邊緣，對(duì)輸入的前景圖像進(jìn)行亮度信息提取，獲得灰度圖像；接著，采用DoG濾波器提取灰度圖像的邊緣信息；為了模擬粉筆畫線條的毛糙效果，通過(guò)圖像擴(kuò)散方法對(duì)圖像進(jìn)行擴(kuò)散；然后，為了突出線條的細(xì)節(jié)，對(duì)線條圖像進(jìn)行增強(qiáng)；再次，輸入另一幅黑板圖像作為背景圖像；最后，將經(jīng)過(guò)圖像增強(qiáng)、具有粉筆畫線條的圖像與黑板背景圖像融合，獲得最終的線條粉筆畫藝術(shù)效果圖像，具體步驟如下：

(1) 粉筆畫前景圖像去色

將輸入前景圖像I (x, y) 轉(zhuǎn)換為灰度圖像L(x, y)：

式中：(x, y) 表示象素的坐標(biāo)位置，x表示象素的橫坐標(biāo)，y表示象素的縱坐標(biāo)，，，表示輸入前景圖像I (x , y ) 的紅、綠、藍(lán)三通道值。

(2) 粉筆畫DoG線條提取

求取灰度圖像L (x , y) 的梯度，沿梯度方向使用高斯差分DoG濾波器進(jìn)行濾波，對(duì)L(x , y )中不同象素位置進(jìn)行濾波后，累積濾波響應(yīng)得到累積值F (x , y )：

式中，表示象素的坐標(biāo)位置，x 表示象素的橫坐標(biāo)，y 表示象素的縱坐標(biāo)，為對(duì)灰度圖像L (x , y)計(jì)算梯度操作，f (x , y )表示高斯函數(shù)濾波器，參數(shù)T 表示濾波器的大小()，d (x , y )表示求偏導(dǎo)過(guò)程；

將累積值F (x , y ) 沿梯度方向積分，增強(qiáng)線條的連續(xù)性，得到積分結(jié)果圖像A (x , y )：

式中，表示象素的坐標(biāo)位置，x 表示象素的橫坐標(biāo)，y 表示象素的縱坐標(biāo)，是標(biāo)準(zhǔn)差為的一維高斯函數(shù)()，參數(shù)s 控制檢測(cè)到線條的平滑程度()，d (x , y )表示求偏導(dǎo)過(guò)程；

通過(guò)()與閾值進(jìn)行比較()，二值化后產(chǎn)生黑白的線條圖像E(x , y )：

。

(3) 粉筆畫線條擴(kuò)散

采用擴(kuò)散濾波器對(duì)線條圖像E (x , y )進(jìn)行擴(kuò)散，采用r ()的半徑大小對(duì)線條圖像中象素位置為的鄰域()進(jìn)行擴(kuò)散，得到線條擴(kuò)散結(jié)果圖像S (x, y )：

式中，表示象素的坐標(biāo)位置，x 表示象素的橫坐標(biāo)，y 表示象素的縱坐標(biāo)，表示鄰域權(quán)重函數(shù)，l 表示象素位置為的象素與周圍鄰域象素之間的坐標(biāo)距離，d (x, y )表示求偏導(dǎo)過(guò)程。

(4) 粉筆畫線條增強(qiáng)

對(duì)線條擴(kuò)散結(jié)果圖像S (x , y )采用系數(shù),進(jìn)行線性濾波，得到濾波結(jié)果圖像B(x , y )：

式中，表示象素的坐標(biāo)位置，表示濾波窗口大小()，表示窗口中的象素個(gè)數(shù)，參數(shù)用來(lái)調(diào)節(jié)系數(shù)的大小()，表示濾波窗口大小為的盒式濾波器的均值，表示濾波窗口大小為的盒式濾波器的方差，表示S (x , y )在濾波窗口中象素值的均值；

計(jì)算線條擴(kuò)散圖像S (x , y )與濾波結(jié)果圖像B (x , y )的差值，獲得線條增強(qiáng)圖像Z (x , y )：

式中，參數(shù)c 控制線條增強(qiáng)的程度()。

(5) 背景圖像輸入

選取具有彩色的黑板、墻壁等材質(zhì)的輸入圖像H (x , y )，作為最終線條粉筆畫藝術(shù)效果的背景圖像。

(6) 粉筆畫圖像融合

對(duì)輸入圖像H (x , y )和線條增強(qiáng)圖像Z (x , y )進(jìn)行疊加，將輸入背景圖像H (x , y )從RGB色彩空間轉(zhuǎn)換到LAB色彩空間，融合粉筆畫線條增強(qiáng)的結(jié)果圖像Z (x , y )與輸入背景圖像H (x , y )的亮度信息，獲得具有線條粉筆畫藝術(shù)風(fēng)格的灰度圖像P (x , y)：

式中，表示象素的坐標(biāo)位置，x 表示象素的橫坐標(biāo)，y 表示象素的縱坐標(biāo)，表示輸入背景圖像H (x , y )在LAB色彩空間中L通道值；

在LAB色彩空間中，將輸入背景圖像H (x , y )的色彩值、傳輸?shù)交叶确酃P畫藝術(shù)效果圖像中：

式中，表示象素的坐標(biāo)位置，x 表示象素的橫坐標(biāo)，y 表示象素的縱坐標(biāo)，、表示輸入圖像H (x , y )在LAB色彩空間中A通道和B通道的值，、、表示最終的線條粉筆畫藝術(shù)風(fēng)格圖像在LAB色彩空間中L、A、B通道的值，將、、三通道值合并：

式中，O (x , y )表示合并之后的線條粉筆畫風(fēng)格結(jié)果圖像，將O (x , y )從LAB色彩空間轉(zhuǎn)換回RGB色彩空間，獲得最終的線條粉筆畫藝術(shù)效果圖像O (x , y )。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1. 利用計(jì)算機(jī)對(duì)輸入圖像進(jìn)行處理，能獲得非真實(shí)感的線條粉筆畫藝術(shù)風(fēng)格效果，針對(duì)輸入不同的前景圖像和背景圖像，可獲得不同的線條粉筆畫藝術(shù)效果，線條提取及圖像擴(kuò)散更加符合真實(shí)粉筆畫作品的藝術(shù)品質(zhì)。

2．采用DOG線條提取方法獲取前景圖像的線條，并對(duì)線條信息進(jìn)行圖像擴(kuò)散及圖像增強(qiáng)，模擬了真實(shí)粉筆畫藝術(shù)效果線條的毛糙特性，同時(shí)提高了算法的效率。

3．輸入不同的前景圖像，同時(shí)通過(guò)輸入不同的材質(zhì)圖像作為背景圖像，將前景圖像與背景圖像的融合，提高了靈活性，擴(kuò)展了最終線條粉筆畫藝術(shù)效果的創(chuàng)作題材。

4．建立了一種計(jì)算機(jī)模擬非真實(shí)感線條粉筆畫藝術(shù)效果繪制方法，符合真實(shí)粉筆畫藝術(shù)的特點(diǎn)，在影視作品、游戲動(dòng)畫、及廣告宣傳領(lǐng)域具有較大的潛在需求，是非真實(shí)感模擬不同藝術(shù)效果的一種有益補(bǔ)充。為粉筆畫藝術(shù)作品模擬和繪制提供了一種新的繪制方法，也為其它藝術(shù)效果的計(jì)算機(jī)模擬提供了有力的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

附圖說(shuō)明

圖1 為本發(fā)明的技術(shù)路線圖。包括以下六個(gè)主要部分：粉筆畫前景圖像去色、粉筆畫DoG線條提取、粉筆畫線條擴(kuò)散、粉筆畫線條增強(qiáng)、背景圖像輸入和粉筆畫圖像融合。

圖2 為輸入的彩色前景圖像。

圖3 為輸入圖像經(jīng)過(guò)前景圖像去色得到的結(jié)果圖像。

圖4 為經(jīng)過(guò)DoG線條提取得到的結(jié)果圖像。

圖5 為對(duì)前景圖像進(jìn)行線條擴(kuò)散得到的結(jié)果圖像。

圖6 為對(duì)前景圖像進(jìn)行線條增強(qiáng)之后得到的結(jié)果圖像。

圖7 為輸入的彩色背景圖像。

圖8 為經(jīng)過(guò)前景圖像和背景圖像融合之后的結(jié)果圖像。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例：針對(duì)輸入的一幅靜態(tài)二維圖像進(jìn)行線條粉筆畫藝術(shù)風(fēng)格效果繪制。

(1) 粉筆畫前景圖像去色

將輸入前景圖像I (x, y)（如圖2）轉(zhuǎn)換為灰度圖像L(x, y)（如圖3）：

式中：(x, y) 表示象素的坐標(biāo)位置，x表示象素的橫坐標(biāo)，y表示象素的縱坐標(biāo)，，，表示輸入前景圖像I(x, y) 的紅、綠、藍(lán)三通道值；

(2) 粉筆畫DoG線條提取

求取灰度圖像L(x, y) 的梯度，沿梯度方向使用高斯差分DoG濾波器進(jìn)行濾波，對(duì)L(x, y)中不同象素位置進(jìn)行濾波后，累積濾波響應(yīng)得到累積值F(x, y)：

式中，表示象素的坐標(biāo)位置，x表示象素的橫坐標(biāo)，y表示象素的縱坐標(biāo)，為對(duì)灰度圖像L(x, y)計(jì)算梯度操作，f(x, y)表示高斯函數(shù)濾波器，參數(shù)T表示濾波器的大小()，d(x, y)表示求偏導(dǎo)過(guò)程；

將累積值F(x, y) 沿梯度方向積分，增強(qiáng)線條的連續(xù)性，得到積分結(jié)果圖像A(x, y)：

式中，表示象素的坐標(biāo)位置，x表示象素的橫坐標(biāo)，y表示象素的縱坐標(biāo)，是標(biāo)準(zhǔn)差為的一維高斯函數(shù)()，參數(shù)s控制檢測(cè)到線條的平滑程度()，d(x, y)表示求偏導(dǎo)過(guò)程；

通過(guò)()與閾值進(jìn)行比較()，二值化后產(chǎn)生黑白的線條圖像E(x, y)（如圖4）：

(3) 粉筆畫線條擴(kuò)散

采用擴(kuò)散濾波器對(duì)線條圖像E(x, y)進(jìn)行擴(kuò)散，采用r ()的半徑大小對(duì)線條圖像中象素位置為的鄰域()進(jìn)行擴(kuò)散，得到線條擴(kuò)散結(jié)果圖像S(x, y)（如圖5）：

式中，表示象素的坐標(biāo)位置，x表示象素的橫坐標(biāo)，y表示象素的縱坐標(biāo)，表示鄰域權(quán)重函數(shù)，l表示象素位置為的象素與周圍鄰域象素之間的坐標(biāo)距離，d(x, y)表示求偏導(dǎo)過(guò)程；

(4) 粉筆畫線條增強(qiáng)

對(duì)線條擴(kuò)散結(jié)果圖像S(x, y)采用系數(shù),進(jìn)行線性濾波，得到濾波結(jié)果圖像B(x, y)（如圖6）：：

式中，表示象素的坐標(biāo)位置，表示濾波窗口大小()，表示窗口中的象素個(gè)數(shù)，參數(shù)用來(lái)調(diào)節(jié)系數(shù)的大小()，表示濾波窗口大小為的盒式濾波器的均值，表示濾波窗口大小為的盒式濾波器的方差，表示S(x, y)在濾波窗口中象素值的均值；

計(jì)算線條擴(kuò)散圖像S (x , y )與濾波結(jié)果圖像B (x , y )的差值，獲得線條增強(qiáng)圖像Z (x , y )：

式中，參數(shù)c 控制線條增強(qiáng)的程度()；

(5) 背景圖像輸入

選取具有彩色的黑板、墻壁等材質(zhì)的輸入圖像H (x , y )（如圖7），作為最終線條粉筆畫藝術(shù)效果的背景圖像；

(6) 粉筆畫圖像融合

對(duì)輸入圖像H (x , y )和線條增強(qiáng)圖像Z (x , y )進(jìn)行疊加，將輸入背景圖像H (x , y )從RGB色彩空間轉(zhuǎn)換到LAB色彩空間，融合粉筆畫線條增強(qiáng)的結(jié)果圖像Z (x , y )與輸入背景圖像H (x , y )的亮度信息，獲得具有線條粉筆畫藝術(shù)風(fēng)格的灰度圖像P (x , y)：

式中，表示象素的坐標(biāo)位置，x 表示象素的橫坐標(biāo)，y 表示象素的縱坐標(biāo)，表示輸入背景圖像H (x , y )在LAB色彩空間中L通道值；

在LAB色彩空間中，將輸入背景圖像H (x , y )的色彩值、傳輸?shù)交叶确酃P畫藝術(shù)效果圖像中：

式中，表示象素的坐標(biāo)位置，x 表示象素的橫坐標(biāo)，y 表示象素的縱坐標(biāo)，、表示輸入圖像H (x , y )在LAB色彩空間中A通道和B通道的值，、、表示最終的線條粉筆畫藝術(shù)風(fēng)格圖像在LAB色彩空間中L、A、B通道的值，將、、三通道值合并：

式中，O (x , y )表示合并之后的線條粉筆畫風(fēng)格結(jié)果圖像，將O (x , y )從LAB色彩空間轉(zhuǎn)換回RGB色彩空間，獲得最終的線條粉筆畫藝術(shù)風(fēng)格圖像O (x , y )（如圖8）。