非真实感绘制技术研究进展
非真实感绘制轮廓线提取梯度锐化铅笔画油画图像分割硕士论文
基于分割的非真实感绘制技术研究计算机软件与理论， 2011，硕士【摘要】非真实感绘制技术是当今计算机图形学研究的热点问题之一,它不像真实感图形学那样追求像照片一样的真实感,而是希望通过忽略图像中的一些不重要的细节,来突出图像要表达的信息,或生成具有艺术效果的图像。
由于画家在绘画时总是在不同的区域使用具有不同属性的笔画进行绘制,因此本文在研究非真实感绘制技术的基础之上,研究了基于分割的铅笔画效果模拟和基于分割的油画效果模拟的相关算法。
本文的具体工作主要包括:研究了非真实感图形学和分割算法的发展现状,对非真实感绘制的几种关键技术进行了研究,包括轮廓线检测技术、基于笔刷模型的非真实感绘制技术、基于纹理合成的非真实感绘制技术和颜色传输算法;研究了图像处理中的几种常用的分割算法,详细介绍了本文要使用的高效的基于图论的分割算法;最后研究了铅笔画和油画效果模拟的几种常用技术,提出了基于分割的铅笔画生成和油画效果模拟的方法。
本文在研究铅笔画的过程中,提出了基于梯度锐化的轮廓线提取技术,对原始图像进行灰度处理并进行分割,在此基础上统计每个区域的平均灰度值,对不同的区域根据该区域的平均灰度值添加不同的白噪声,生成具有较好明暗色调的白噪声图像,在分割的基础上,提取每个区域的特征... 更多还原【Abstract】 Non-photorealistic rendering of computergraphics is one of the most active research topic, it is not like realistic graphics that pursue just like a picture’s reality, but hope that it can highlight the image to express information through ignore some of the unimportant details, or to generate the image with artistic effect. As the artist paint different regions with different properties of drawing strokes, based on the study of non-photorealistic rendering technology, this article study the re... 更多还原【关键词】非真实感绘制；轮廓线提取；梯度锐化；铅笔画；油画；图像分割；【Key words】Non-photorealistic Rendering；Contour Extraction；Gradient Sharpening；Pencil Drawing；Oil Painting；Image Segmentation；摘要6-7ABSTRACT 7-8第一章绪论9-141.1 研究背景及意义9-101.2 非真实感图形学的研究现状10-121.3 图像分割研究现状12-131.4 本文的主要工作13-14第二章非真实感绘制技术14-262.1 轮廓线检测技术14-172.1.1 图像空间的轮廓线检测算法15-162.1.2 图形空间的轮廓线检测算法16-172.2 基于笔刷模型的绘制技术17-192.3 基于纹理合成的绘制技术19-232.3.1 概述19-202.3.2 基于马可夫随机场模型的纹理合成20-222.3.3 基于类比的纹理合成算法22-232.4 颜色传输算法23-262.4.1 概述232.4.2 颜色空间转换23-252.4.3 颜色迁移算法25-26第三章分割算法研究26-333.1 引言263.2 阈值分割算法26-273.3 基于区域的分割算法27-293.3.1 区域生长算法27-283.3.2 区域生长准则和过程28-293.3.3 分裂合并算法293.4 基于图论的分割算法29-333.4.1 Normalized cuts 算法30-313.4.3 高效的基于图论的分割算法31-33第四章基于分割的铅笔画生成技术33-464.1 铅笔画的特点33-344.2 算法原理34-354.3 算法实现35-424.3.1 图像预处理35-364.3.2 轮廓线提取36-374.3.3 图像分割37-384.3.4 白噪声的生成38-404.3.5 铅笔画纹理的生成40-424.4.6 铅笔画生成技术的算法流程424.4 实验结果及分析42-444.5 本章小结44-46第五章基于分割的油画效果模拟46-515.1 引言46-475.2 算法实现47-495.2.1 笔刷模型47-485.2.2 参考图像的产生485.2.3 基于分割的油画效果模拟48-495.3 实验结果与分析49-505.4 本章小结50-51第六章总结和展望51-536.1 总结51-526.2 展望52-53 参考文献53-56。
非真实感绘制论文：静物素描模拟的算法设计与系统实现
非真实感绘制论文：静物素描模拟的算法设计与系统实现【中文摘要】非真实感绘制（Non-photorealistic rendering, NPR）近几年来受到越来越多的关注。
非真实感绘制属于计算机图形学领域，与真实感绘制相辅相成，主要模拟艺术作品风格。
而如何模拟素描画风格是非真实感绘制的一个重要研究方向。
传统的素描从绘图内容上看大致可分为静物画、风景画和人物画，不同场景的素描处理方法也不同。
虽说这个属于艺术研究的范畴，但是非真实感绘制着重表现图形的艺术特质，可以称为电子艺术，在研究素描模拟上自然也会碰到同样的问题。
而现有的文献和方法虽有对人物画的研究，但对其他两种素描画的研究尚缺。
另一方面众多图像处理软件比如美图秀秀推出了素描艺术特效功能，但是效果与手绘素描相比却差强人意，并且没有针对不同绘图场景进行特殊化处理。
静物素描是素描的入门基础，因此本文试图研究如何模拟绘制静物素描，拟改善其效果。
本文的主要工作有三点。
第一点是采集相关数据，包括对静物的实物拍摄和让美术专业人士手绘相应的静物素描，并用这些数据研究静物素描和作为实验的测试数据。
第二点是根据手绘静物素描的特点设计一个静物素描模拟绘制算法。
此算法实现过程与手绘静物素描的作画流程相似，先绘制轮廓，再用不同半径大小的笔触依次画阴影部分，最后将轮廓部分与阴影部分合成，从而得到素描模拟结果图。
对于轮廓的绘制，本文采用Sobel算子边缘检测算法和Canny边缘检测算法来实现。
在阴影部分的绘制方面，本文采用基于笔触的绘制方法，即在输入的原图像和输出的结果图像中间引入中间的笔触层，笔触层包括对应于原图像的笔触集合。
对于笔触的绘制，本文采用B样条曲线来模拟笔触走势，并用Sousa和Buchanan提出的物理模型中铅笔与纸张交互建模算法来绘制笔触。
基于这个算法，本文实现灰度素描模拟绘制和彩色素描模拟绘制。
第三点是设计并实现了一个桌面应用级的静物素描模拟绘制系统，实现对静物素描模拟绘制算法和铅笔与交互建模算法的应用。
基于GPU的非真实感体绘制算法研究的开题报告
基于GPU的非真实感体绘制算法研究的开题报告一、研究背景和意义随着电脑技术的不断发展和GPU性能的提升，非真实感体绘制算法得到了越来越广泛的应用。
非真实感体绘制算法可以生成具有不同风格的艺术效果，如手绘、水彩、油画等效果，使得绘制出来的3D物体更加真实、逼真，并适合于游戏、虚拟现实、电影等领域。
因此，开展基于GPU的非真实感体绘制算法研究具有重要的理论和应用价值。
二、研究内容和方法本研究将探究基于GPU的非真实感体绘制算法，并以手绘风格为例，对算法进行研究和实现。
研究内容将包括以下几点：1.手绘风格的定义和特点分析2.基于GPU的手绘风格模拟算法研究3.设计算法实现方案4.对实现方案进行实现和优化5.对算法效果进行测试和优化本研究将采用以下研究方法：1.文献调研法：对已有的基于GPU的非真实感体绘制算法进行调研和分析，了解其优缺点，并借鉴其思想和方法。
2.实验方法：针对手绘风格的特点和要求，设计实验并在实验中进行优化和改进。
3.性能分析法：对实现的算法进行性能测试和分析，分析算法的执行效率和稳定性。
三、预期成果和创新点本研究的预期成果为：1.基于GPU的手绘风格模拟算法，实现了手绘风格的模拟效果。
2.针对手绘效果的特点，优化了算法，提高了模拟效果和执行效率。
本研究的创新点为：1.针对手绘风格的特点，提出了一种基于GPU实现的手绘风格模拟算法。
2.对已有的算法进行了改进和优化，提高了算法的执行效率和模拟效果。
四、研究的进度安排1.前期调研与学习（1个月）2.算法设计和方案实现（2个月）3.算法测试和优化（2个月）4.论文撰写和答辩（1个月）总计时长为6个月。
五、参考文献1. Proulx, M.J., Pomplun, M., & Jomier, J. (2004). Non-photorealistic rendering of 3D models using painterly techniques. Studies in Computational Intelligence, 10, 135-148.2. Brusco, M.J., & El-Sana, J. (2003). Rendering silhouettes withthe GPU. In Proceedings of the I3D Symposium on Interactive 3D Graphics.3. Simon, A., Gallo, O., & Kautz, J. (2009). Edge-and point-based color bleeding for indirect illumination. ACM Transactions on Graphics,28(3), 1-10.4. Jensen, H.W., Marschner, S.R., Levoy, M., & Hanrahan, P. (2001). A practical model for subsurface light transport. In Proceedings of the Symposium on Rendering Techniques.6. Turk, G., & Levoy, M. (1994). Zippered polygon meshes from range images. In Proceedings of the conference on Computer Graphics.7. Lefohn, A.E., Kniss, J.M., & Hansen, C.D. (2006). A streaming parallelism implementation of image-guided volume rendering. In Proceedings of the I3D Symposium on Interactive 3D Graphics.。
游戏引擎中非真实感渲染的研究与实现的开题报告
游戏引擎中非真实感渲染的研究与实现的开题报告一、选题背景游戏行业在不断地发展变化中，非真实感渲染技术已经被广泛应用于游戏画面的渲染中，为游戏玩家带来更加生动、真实的游戏体验。
随着当前游戏画面的水平逐渐提高，游戏开发人员也更加注重游戏画面的表现力，更加追求游戏画面带来的沉浸式体验。
由于游戏画面的表现形式已经非常成熟，因此对游戏画面进行创新成为游戏开发人员关注的焦点之一。
非真实感渲染技术的应用，可以使得游戏的画面表现形式更加多样化，大幅度提高游戏的表现力。
二、研究目的本次研究的目的是探究非真实感渲染技术在游戏引擎中的应用，通过设计一种新的非真实感渲染算法，并在Unity游戏引擎中进行实现，从而达到以下几个目的：1. 研究非真实感渲染技术的原理和应用，了解其在游戏引擎中的应用。
2. 探究非真实感渲染技术在提高游戏画面的表现力、加强游戏体验方面的作用。
3. 设计一种新的非真实感渲染算法，使其在游戏引擎中实现。
4. 在Unity游戏引擎中实现设计的非真实感渲染算法，并验证其有效性。
三、研究内容1. 非真实感渲染技术的原理和应用介绍非真实感渲染技术的发展历程、原理和应用，分析游戏画面中的渲染问题。
2. 游戏引擎中非真实感渲染技术的应用讨论非真实感渲染技术在游戏引擎中的应用，说明在游戏中应该如何选择适合的非真实感渲染方法。
3. 新的非真实感渲染算法的设计根据实际需求，设计一种新的非真实感渲染算法，例如手绘风格的渲染算法、油画风格的渲染算法等。
4. 非真实感渲染算法在Unity游戏引擎中的实现在Unity游戏引擎中实现设计的非真实感渲染算法，并进行实验验证，比较所设计的非真实感渲染算法和传统渲染算法之间的效果。
四、研究方法本研究的研究方法主要包括：1. 文献调研法：通过查阅相关文献，了解非真实感渲染技术的发展历程、原理和应用。
2. 实验研究法：设计一种新的非真实感渲染算法，并在Unity游戏引擎中实现，比较所设计的算法和传统渲染算法之间的效果。
非真实感绘制技术研究进展
非真实感绘制技术研究进展
王相海;秦晓彬;辛玲
【期刊名称】《计算机科学》
【年(卷),期】2010(37)9
【摘要】作为与真实感图形学相对应的图形学分支,非真实感绘制技术近年来受到人们的关注并已成为计算机图形学的研究热点之一,其研究成果已在计算机动画产业.计算机艺术和科学资料插图绘制等领域得到了广泛的应用.对非真实感绘制的相关技术进行了综述,首先介绍了非真实感绘制的发展过程,然后以不同艺术效果的模拟为线索对非真实感绘制技术进行了分类,并对各类技术的特点、发展状况和主要算法进行了分析和讨论,同时对非真实感绘制中所使用的特殊技术进行了分类讨论.最后对非真实感绘制技术的未来发展进行了展望.
【总页数】8页(P20-27)
【作者】王相海;秦晓彬;辛玲
【作者单位】辽宁师范大学计算机与信息技术学院,大连116029;南京大学计算机软件新技术国家重点实验室,南京210093;辽宁师范大学计算机与信息技术学院,大连116029;辽宁师范大学计算机与信息技术学院,大连116029
【正文语种】中文
【中图分类】TP391
【相关文献】
1.基于笔划的非真实感绘制技术 [J], 赖步英
2.浅论计算艺术的原动力--以非真实感绘制技术为例 [J], 王永菁;王雪谭
3.非真实感绘制技术的发展综述 [J],
4.非真实感绘制技术在动画中的应用与创新——浅析非真实感绘制技术在数字动画媒介中的创新型应用 [J], 徐鹏程
5.探索动画电影中非真实感绘制(NPR技术)的艺术表达及美学特征 [J], 周晓晓因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
20120728-非真实感绘制-艺术的科学
非真实感绘制：艺术的科学Aaron HertzmannUniversity of Toronto摘要：我认为非真实感绘制(NPR)将在对视觉艺术的科学认识中扮演重要角色。
这种科学认识包括两个方面：艺术家是怎样创造艺术的，观察者对于艺术的反应。
我提出了一些公开问题以及与其相关的理论可能是怎样的。
另外，我还对如何评价NPR研究和理论这个棘手的问题作了讨论。
1、引言艺术是什么？为什么简单的几根线条或者斑点画在纸上就能表现运动、形状、心情和运动？为什么揑图画家用简单的线条就能表现3D形状幵且比照片更加清楚，尽管其用的线条和我们现实中看到的线条完全不一样？这些问题困扰了我们很多世纪，但是依然没有被解决。
这些问题在很多学科中都被提出，包括艺术史、心理学、认知科学和神经科学。
对这些问题的科学研究可以解释人类的视觉系统，产生新的艺术创造方法。
一种对这种复杂系统的理解方法就是试图去设计幵创建一个和其类似的系统。
事实上，一些对于人类智能的理解就是通过设计机器智能得到的。
相反的，对于艺术的主流分析，不管是艺术评论还是神经科学都是高度描述性的[1][2][3][4]。
艺术评论家和神经学家可能讨论绘画的一般特点，或者是整个画的趋势，但是幵没有给出如何创作这样的绘画的过程。
用图像处理方法来分析艺术(如防伪鉴定)，这种方法多是采用线性过滤器的方法来分析图像只能给出艺术本身较少的特点描述。
同样的，仸何想仍书或者艺术评论中得到关于如何创建艺术化渲染算法都会失望，因为他们都缺少一种十分精确的描述语言。
在这篇文章中，我认为非真实感绘制(NPR)在对于视觉艺术的科学理解中扮演了重要的角色，幵且提出了这些理解是怎样的。
为了建立艺术画的算法要求我们仍新的角度去理解艺术。
相反地，当一个NPR算法取得成功时，尽管有时间这种方法看上去很特别，它同样提供给我们一个机会去理解为什么这种方法是成功的幵且可以让我们仍中找出这种方法和人工创作的相似乊处。
基于笔划的非真实感绘制技术
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
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
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
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
一种基于笔刷的非真实感绘制算法的研究_图文(精)
第26卷第10期 2009年10月计算机应用与软件Computer Applications and SoftwareV01.26No.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21(江苏淮阴师范学院信息传播与技术系江苏淮安2230012(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 RENDEIUNGGui Binl He Guangmin92。
(Department ofInformation Communication and Technology,Huaiyin Teachers College,Huaian 223001,Jiangsu,China2(Department ofElectronic and Electrical Engineering,Huaiyin Teachers College,Huaian 223001,.“angsu,ChinaAbstract 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 algorithmCan effectively generate all image with oil paiming style.Keywords Non-photorealistie renderingBrash stroke Algorithm Gradient0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。
非真实感绘制技术研究
参考文献
【 Hert zma nn A。Painter ly re nder r k s of mu 桩 】 l p e
Sizes . In SIGGR AP H 9 8 Co n fer en ce
Proc edin gs ， e Orlan do ， USA ， 1998 :453一
形的有效补充。
2 非真实感渲染的定义
难以给 “ 非真实感”非常明确的定义。 为其下明确定义的困难性或许在于非真实感 图形学还是一个年轻的研究领域。不过， 非真 实感领域至少可以包括任何对传统艺术绘制 方法进行计算机模拟方面的研究。真实感只 是计算机辅助人们表达场景的一种表达方式 ， 能满足人的某一方面的需求(产生照片般真实 的图像) ， 从这种意义上来说， 非真实感可以认 为是计算机辅助人们表达场景的表达方式， 每
460 .
〔 David W I， 21 Salesin H . o r entab e t x一 i l e
t u r s for lmage一 ased Pen 一 d 一 e b an ink ilh巧 ation . ProC tl eedings of SIGGRAPH 94 ， id a ， SA ， Flor U 1994 : 20 1一 206 . {3l Marko溢 L et al . Real一 an time non一 ph ot or alist工 r nde ing . In :Pr ceed一 e c e r o ings of SIGGRAPH ’ Los Angeles ， 97， USA ， 1997 : 4 15一 420 . f4」Gooch A， Gooch B ， lrley P et al 。 Sh A non 一 Photorealistic ligh t ng model i o f r aut mat i t chnica l i 1ustr t on In : O c e l a i
一种基于笔触的非真实感绘制算法的研究
Ｄ Ｉ １ ． ９ ９ ｊｓｎ １ ７１ ３ ６２ Ｏ２ ．０ Ｏ ： ５ ６ ／ ．ｓ．６ —６ ９ ．０１ ．８０ ８ ０ ｉ
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计算 机图形学 是计 算机科学 中最 为活跃 、得到广 泛应 用的分支之 一 ，追求像 “ 照片一样真 实”的效果 的真 实感
绘 制 一 直 是 贯 穿 其 中 的 主 旋 律 ，越 来 越 多 的 研 究 发 现 利用
一
定 的大 小 、 方 向 、位 置 、 形 状 和 颜 色 。 图 像 的 细 节 信 息 指
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第37卷 第9期2010年9月计算机科学Computer Science Vo l .37No .9Sep 2010到稿日期:2009-09-30 返修日期:2009-12-18 本文受辽宁省自然基金项目(20072156),辽宁省教育厅科学技术研究项目(20060486),辽宁“百千万人才工程”培养经费,南京邮电学院图像处理与图像通信江苏省重点实验室开放基金(ZK207008)资助。
王相海 男,博士,教授,博士生导师,CCF 高级会员,主要研究方向为计算机图形学及多媒体信息处理,E -mail :xh wang @lnnu .edu .cn ;秦晓彬 男,硕士生,主要研究方向为计算机图形学;辛 玲 女,硕士生,主要研究方向为非真实感绘制技术及图像处理。
非真实感绘制技术研究进展王相海1,2 秦晓彬1 辛 玲1(辽宁师范大学计算机与信息技术学院 大连116029)1(南京大学计算机软件新技术国家重点实验室 南京210093)2摘 要 作为与真实感图形学相对应的图形学分支,非真实感绘制技术近年来受到人们的关注并已成为计算机图形学的研究热点之一,其研究成果已在计算机动画产业、计算机艺术和科学资料插图绘制等领域得到了广泛的应用。
对非真实感绘制的相关技术进行了综述,首先介绍了非真实感绘制的发展过程,然后以不同艺术效果的模拟为线索对非真实感绘制技术进行了分类,并对各类技术的特点、发展状况和主要算法进行了分析和讨论,同时对非真实感绘制中所使用的特殊技术进行了分类讨论。
最后对非真实感绘制技术的未来发展进行了展望。
关键词 非真实感,绘画,艺术风格,图像,纹理中图法分类号 T P391 文献标识码 A Advances in Non -photorealistic RenderingWA NG Xiang -hai 1,2 Q IN Xiao -bin 1 XIN L ing 1(College of Computer and In formation Technology ,Liaoning Normal University ,Dalian 116029,China )1(S tate Key Lab oratory for Novel Software Technology ,Nanjing University ,Nanjing 210093,C hina )2A bstract A s a g raphics br anch cor respo nding to pho tor ea listic g raphics ,in recent y ears ,the no n -photo realistic became a research ho t in co mputer g raphics ,which has go t mo re and mo re a tte ntion .T he research pro ductions have been a pplied to computer animations ,computer ar t ,science info rma tion iconog raph rende ring and etc .T his pape r summa rized the no n -photo realistic rende ring technolo gy .Fir stly ,the paper introduced development of non -pho torea listic rendering ,then used simulatio n o f the effect of diffe rent ar t as a clue ,cla ssified the no n -photo realistic r endering techno log y ,and there wer e so me analysis and discussio n o n the cha racteristic ,develo pment a nd leading arithme tic of each technolog y ,mean -w hile ,we ex pec ted the future developme nt o f N PR .Keywords N on -pho tor ealistic rendering ,P ainting ,Rendering sty le ,Imag e ,T exture 1 引言非真实感绘制(no n -photo realistic rendering ,简称N P R )的目标是能在形式上指定一种可展现绘画作品的方式,并随之编写生成非真实感绘画作品的计算机程序[1]。
该种绘画机制从20世纪90年代开始受到关注并成为计算机图形学的一个研究热点[2,3],其中L ansdow n 等1995年首次一般性地总结了非真实感绘制中的问题[4],Euro g raphics '99和SIG -G RA PH '98均为非真实感绘制这一主题设置了专题。
非真实感绘制不同于传统的真实感绘制方法,它通常被用来表现那些不具有真实感性质的绘制形式,主要针对某种艺术风格对对象进行绘制,并且利用艺术效果对场景信息进行视觉抽象,放弃不必要的细节,集中描绘相关特征,简化物体的形状,突出场景中观察者所需要的部分,能够更好地表达所显示物体的信息。
非真实感绘制技术作为与真实感图形学相对应的图形学分支,可以实现铅笔画、水彩画、油画、水墨画等许多艺术效果的图像,并且借助于交互手段可以更加贴切地模拟各种不同的绘画风格。
目前,非真实感绘制的研究成果已在计算机动画产业、计算机艺术和科学资料插图绘制、医学数据可视化、动植物体的三维显示等领域得到了广泛的应用,相信随着计算机软硬件技术的快速发展,这一技术必将具有广阔的发展空间和非常好的应用前景。
本文对非真实感绘制技术进行了综述,首先简要介绍了N P R 的发展史,然后以不同艺术效果的模拟为线索,分别对油画、水彩画、铅笔画、毛笔字和水墨画、钢笔画等NP R 技术的发展状况、主要算法和所存在的问题进行了分析和讨论,同时对N PR 中一些特殊效果作品的模拟技术进行了介绍;最后对非真实感绘制技术的未来发展进行了展望。
2 非真实感绘制的发展历史人类很早以来就重视以图形的方式认知和了解事物,早期的图画都是人为的绘制,自从计算机图形学诞生以后,人们便开始考虑使用计算机绘制图形来自动或半自动地达到各种效果,最早出现的模拟画面是利用完全模拟现实影像的真实感图像图形技术。
可是,真实感图像在很多时候并不能满足人们的视觉要求,甚至某些真实的物体用真实感技术得到的效果并不好,比如,在实际应用的工程制图中,建筑工程师希望要重点突出、简洁明了的徒手绘图,而此时用计算机产生的真实感图像就显得非常呆板、陈旧;同样在医学上,也习惯于使用手绘插图而不是照片来做文字的说明,因为医学上的微小的被隐藏的重要部分用真实感图像不能更清晰地表现出来,这样可能会造成无法估量的后果;还有,电子产品的使用说明图、机械设备的维修指南图也都需要简单明了的手绘插图而不是真实感图像。
此外,人类有着很多艺术表现形式的作品,如铅笔画、油画,以及特定领域中的医学图像等,这些特殊风格的作品靠真实感技术是实现不了的。
因此人们逐渐开始考虑能否用另一种绘制方式来实现画面效果,于是非真实感绘制诞生了。
非真实感图形绘制的发展历史并非不很长久,从单纯处理图像到利用绘元绘制,从利用图像技术到利用图形技术,从二维到三维,从仅靠软件实现到现在开始利用硬件GP U ,从不可交互到可交互,均在不断发展中。
图1给出了一个非真实感绘制技术的发展历史图[5,6]。
图1 NPR 的发展历史从图1可以看出,在发展初期非真实感绘制技术大多在2D 平面上依靠用户交互式地实现,并主要集中在简单的划线技术上,如V ermeulen 和T anner 实现的铅笔画草图系统[7]。
上世纪90年代初,产生了一系列交互式的绘画系统,如Haeberli 开发了一个交互式2D 绘制系统[8],该系统由用户输入一幅原始图像,再通过用户交互式的操作来改变绘笔的轨迹、颜色和形状以达到一定效果;L itw inowicz 开发的Inkwell 墨水池系统,包括一系列对在定时曲线下的浓密间隔控制点进行数值滤波的有效工具。
此后,某些非真实感绘制技术从2D 过渡到2D /2.5D ,它在后期处理时通过利用某些附加信息来进行图像处理。
如Sasada 的Landscape 系统就是使用了2.5D 的方法表示树叶和植物来覆盖整个场景,通过将2D 的树叶和植物进行移位、缩放或者旋转到视点处等操作,然后用不同的深度值绘制来表现出森林等风景。
随着非真实感绘制的发展,N RP 的研究重点转移到3D 图形方面,它要求人们可以变换视点从不同角度来获得非真实感图形。
3D N RP 绘制由2D /2.5D 非真实感绘制和3D 真实感绘制发展而来,比如近期,M ing -T e Chi 和T ong -Yee Lee 在2006年实现的S ty li -zed and Abstract P ainterly Rende ring 系统[9]中提出了一种新颖的交互式3D 程式化、抽象化的美术绘制框架,在这个框架中,输入的模型首先用3D 点集来表示,这些点集被用来构建一个多解限制域层。
从叶节点到根节点,各种范围的区域在画纸上被表示成不同尺寸的笔画。
限制域层使用多重区域分割来展开。
这个分割将由相似特征规则的区域汇集为一个有意义的域层,这些特征包括颜色、位置和曲率。
3 不同艺术效果图形的NPR 技术发展非真实感绘制主要是生成具有某种特定艺术效果的画面,对不同种类的艺术画面,其绘制技术也存在着一定的差异。
下面以不同种类的艺术效果画面的模拟为线索,对其N P R 技术的发展进行分析和讨论。
3.1 油画的模拟油画是一种最善于再现周围世界一切丰富视觉印象的艺术作品,它发挥了色彩的广阔境界,形成了色彩上的感情效果,利用具体的光线色彩物质感等让不同大小和颜色的色块层层堆叠,描绘不同的目标,从而表现特定的主题,再现生活的真实。
早期的非真实感油画绘制技术中比较具有代表性的当属Haelberi 提出的基于笔刷模型的油画绘制方法[8],该方法利用画笔绘制思想建立了画笔模型,然后通过使用一系列画笔来模拟传统的油画绘画过程。
开发的油画绘制系统采用一幅真实感图像或者一幅三维场景作为参考图像,允许使用者通过点击鼠标来确定笔画的位置、颜色、形状、大小和方向,其中笔画的样式包括曲线、点彩画和多边形等,笔画的大小可由鼠标的移动速度或者键盘来决定,而笔画的方向由用户或图像的梯度来决定。