第26卷第10期 2009年10月 计算机应用与软件

Computer Applications and Software V01.26No.10 Oct.2009

一种基于笔刷的非真实感绘制算法的研究 桂 斌1何广明2

1(江苏淮阴师范学院信息传播与技术系江苏淮安223001 2(江苏淮阴师范学院电子电气工程系 江苏淮安223001

摘要 非真实感绘制是计算机图形学的一个分支,基于笔刷的非真实感绘制是非真实感绘制的重要内容。给出一种基于笔刷 的多重非真实感绘制算法。算法运用源图像灰度图像的颜色梯度法线方向作为笔刷的方向,以颜色空间距离来控制笔刷的绘制。 实验结果表明,对于给定的输入图像,该算法能够有效地生成具有油画艺术风格的图像。

关键词 非真实感绘制 笔刷 算法梯度

ON BRUSH STROKE.BASED ALGORITHM oF NoN.PHoTOREALISTIC RENDEIUNG

Gui Binl He Guangmin92

。(Department ofInformation Communication and Technology,Huaiyin Teachers College,Huaian 223001,Jiangsu,China

2(Department ofElectronic and Electrical Engineering,Huaiyin Teachers College,Huaian 223001,.“angsu,China

Abstract Non-photorealistic rendering is a branch of computer graphics.Brash stroke-based rendering is an important content in non-pho? torealistic rendering.A muhilayer non-photorealistie rendering algorithm based on brush stroke is

proposed,which uses colour gradient normal direction of gray-scale image of the source image a8the direction of the brush stroke,and uses COIOUr space difference to control the brush strokes’movement.Experimental results show that for a given input image,the algorithm

Can effectively generate all image with oil paiming style. Keywords Non-photorealistie rendering Brash stroke Algorithm Gradient 0引 言

当今的计算机技术允许人们快捷方便地创造出具有高度真 实感的自然图像,但是处理结果的真实感已经使人们极为厌倦。 目前,计算机图形学领域的学者们正致力于开发自动的、具有非 真实感意象的、充满艺术表现力的绘制技术和方法…。在基于 笔刷的非真实感绘制方面,许多学者提出了基于笔刷的不同绘 画风格的算法,如油画、水粉画、钢笔画、马塞克镶嵌画、圆点画、 流线视觉效果及矢量域视觉效果等。通过绘制离散的元素(如 绘画的笔刷或圆点来自动生成非真实感图形的方法称为基于 笔刷的绘制方法(SBR¨J。

非真实感绘制技术,不仅可以使每个人都能够方便快捷地 创作出充满艺术韵味和富于艺术想象力的图像,同时还可以广 泛地应用于媒体行业,使其能够创作出具有艺术表征力的视频, 例如具有油画、水彩画或者国画风格的视频。本文给出一种基 于笔刷模型的多重绘制方法来生成具有油画艺术风格的图像。

1相关工作

非真实感绘制领域的早期研究成果当属Haelberi提出的基 于笔刷模型的绘制方法㈦。Haelberi提出的绘制方法允许用户 通过创建一系列已被着色的笔刷对原图进行绘制,从而产生具 有艺术风格的图像。与其他系统的不同之处在于,Haelberi的 主要目标是开发出能够使用户快速有效地生成各种艺术风格的 图像绘制系统。Haelberi开创了非真实感绘制领域的先河。 Litwinowicz在Haelberi方法的基础上做了进一步扩展。他开发 出一套系统,通过分析视频特征,然后由计算机自动生成具有印 象派风格的视频片断。该系统允许用户自由地选择笔刷大小和 笔刷模型,然后让计算机自动地对视频片断进行处理。另外,在 该系统中用户既可以沿图像的轮廓方向用笔刷进行绘制,也可 以预先设定一个全局的绘制方向,然后再用画笔进行绘制p1。 文献[4]中通过分析中国水墨画绘画材料及相互作用关系,提 出了局域粒子系统的仿真模型体系,成功地模拟了中国水墨画 的典型艺术效果。文献[5]中让用户交互地放置笔刷,成功地 在计算机上模拟了水彩画的效果。文献[6]中提出了一个三维 计算机水粉笔笔刷模型,绘出的结果具有手工绘制水粉画的效 果,但需要对笔刷单元选取、颜料模拟、颜料扩散以及整体控制 四个部分进行处理。文献[7]中提出了一个由灰度图像产生的 具有pen.and-ink风格的线条绘画的交互系统。这些算法大多 数都是在具体模拟一个特定的绘画材质或是设计一个特定的笔 刷,有的还需要太多的人工交互,实际上,并不需要太多的用户 交互和复杂的笔刷形状的设计也能够模拟出令人满意的艺术作 品。文献[8]中就提出了一种自适应画笔分布的非真实感绘制 方法,实现了画笔分布能够随着源图像中细节的丰富程度而自

收稿日期:2008—09—26。桂斌,讲师,主研领域:计算机图形学,图 像处理。 万 方数据

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适应变化。本文的基于笔刷的多重绘制方法,通过不同的参数 设置和灵活的笔刷设计,能够快速自动地产生出油画的艺术 效果。

2算法思想

该算法是从手工绘画方法中得到启发的。人在绘画时,是 根据自然界景物的形状、颜色和明暗,变化笔刷的颜色、形状和 大小一笔一笔进行描画的。他们通常在一张很粗略的画布上, 不断地使用更细小的笔刷添加细节。由于不同画种所采用的色 彩、笔刷和画布的质感不同,因此产生的艺术效果不同。本文算 法模拟画家的创作过程,首先输入一幅源图像、一个不同尺寸的 笔刷序列(■,r2,…,h和一张由源图像背景色定义的画布,然 后按照笔刷尺寸由大到小的顺序进行逐层绘制,每层使用的笔 刷尺寸相同。算法的框架如图1所示。

出结果 图1算法框架

对于算法框架的可作如下理解:

Stepl计算颜色参考图像与输入图像在每个像素上的颜 色空间距离。

steN逐一扫描图像中的每个像素,对于坐标处的像素, 求其邻域内的平均颜色空间距离,若该值大于给定阂值,则以该 领域内具有最大颜色空间距离的坐标点作为笔刷落点,并将其 加入笔刷落点链表中。

Step3从笔刷落点链表中随机地取出落笔点在画布上沿 向量参考图的梯度法线方向(即笔刷方向进行绘制,直到该链 表为空。

Step4根据用户设定的笔刷大小,由大到小,重复Step 1到Step 3在画布七进行多重绘制,得到最终绘制图像。

其中,输入图像是用户采集的真实环境的照片。令,J表示 输入的输入图像。颜色参考图是对输入图高斯滤波后获得的图 像。令,,表示颜色参考图。通过‘与,,在对应绘制的颜色空 间距离,从而确定落笔点的数量以及落笔点在图像空间中的坐 标位置。向量参考图是采用Sobel算子来产生向量参考图。 2.1颜色参考图的产生

在逐层绘制时,算法首先为各层创建一幅颜色参考图像 (reference,通过计算输入图像与颜色参考图像在对应位置的 颜色空间距离,从而确定落笔点的数量以及落笔点在图像空间 中的坐标位置,可以通过源图像与高斯核做卷积得到:

I

ri=l|因GU,● 其中GL,i为高斯核: G(r=—,e-r2/(猫’ 21for‘

or为其标准差取为五rf,丘为一个常数,它的不同选择决定了源 图像被模糊化的程度,ri为当前层所用的笔刷尺寸。

2.2笔刷方向的产生

画家在运用笔刷进行创作时,往往是先描绘出物体的大致 轮廓,然后再添加各种细节。所以在模拟绘画的时候,图像的边 缘信息具有重要的指导意义。另外,图画中条纹的方向是很重 要的,画家常常用它们来表达物体的形状、纹理信息,如果所绘 制物体的纹理具有一定的方向特点,则画中应表达出这种特征。 Hertzmann运用与梯度垂直方向来选择笔刷的控制点,从而很好 地控制了笔刷的走向。这是因为图像梯度方向为图像颜色变化 最大的方向,与之垂直的方向则是颜色比较一致的方向。因此 可以借助源图的梯度向量场信息来控制笔刷的走向。可通过如 下步骤来产生笔刷的方向场:

(1彩色图像灰度化

将彩色图像转化为灰度图像的过程称为图像的灰度化处 理。彩色图像中的每个像素的颜色由R、G、B三个分量决定,而 每个分量取值范围为[0,255],这样一个像素点可以有1600多 万(255×255×255的颜色的变化范围。而灰度图像是R、G、