傳統(tǒng)水墨畫數(shù)字復(fù)原技術(shù)研究

莊佳峰

[摘 要]中國(guó)水墨畫與一般的三維輪廓線渲染表現(xiàn)算法差別較大，有著更為復(fù)雜的數(shù)據(jù)算法。針對(duì)水墨在宣紙上擴(kuò)散后會(huì)出現(xiàn)較明顯的具有自相似特性的輪廓線這一特點(diǎn)，提出一種基于Inkn paint材質(zhì)為基礎(chǔ)的仿真水墨畫邊界擴(kuò)散的渲染繪制方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法通過流體仿真模型產(chǎn)生擴(kuò)散筆跡，利用分形在擴(kuò)散筆跡的最外層模擬一條不規(guī)則的輪廓線繪制，并填充兩者之間的空隙，使得擴(kuò)散效果更自然、逼真。

[關(guān)鍵詞]非真實(shí)感繪制 傳統(tǒng)水墨畫 數(shù)字復(fù)原

1 引言

非真實(shí)感繪制是計(jì)算機(jī)圖形圖象模擬國(guó)畫、油畫、素描和技術(shù)圖紙等手繪藝術(shù)創(chuàng)作風(fēng)格的新興技術(shù)領(lǐng)域。其國(guó)畫的水墨效果仿真模擬與一般3D渲染表現(xiàn)算法差別較大，有著復(fù)雜多變的墨系材質(zhì)表現(xiàn)技法。對(duì)中國(guó)畫計(jì)算機(jī)圖形仿真繪制的研究更加有利于水墨畫藝術(shù)的推廣和計(jì)算機(jī)藝術(shù)化的發(fā)展。

根據(jù)水墨在宣紙上擴(kuò)散后會(huì)出現(xiàn)較明顯的具有自相似特性的輪廓線這一特點(diǎn)，吸取傳統(tǒng)繪畫藝術(shù)的營(yíng)養(yǎng)與成就，提出一種基于Autodesk 3DSmax軟件中Inkn paint材質(zhì)為基礎(chǔ)的新型渲染繪制方法。借助這種分形輪廓線的擴(kuò)散方法詳盡解釋和研究了筆墨特點(diǎn)與造型規(guī)律，對(duì)水墨畫內(nèi)部復(fù)雜而豐富的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)作出了科學(xué)的分析，并形成接近真實(shí)的水墨山水畫藝術(shù)效果。

2 水墨分形輪廓線繪制方法的基礎(chǔ)技術(shù)原理

2.1 Inkn paint材質(zhì)

由于水墨畫面的擴(kuò)散和滲透主要是宣紙纖維的自然吸水力，而不是棱角鮮明外輪廓。水墨材質(zhì)的暈染雖具有可流動(dòng)性，但并不遵照真實(shí)流體物理規(guī)律；材質(zhì)和渲染算法中也不需要梯度及流體速度的概念，而是計(jì)算并維持了輪廓線之間一個(gè)局部的靜態(tài)平衡，區(qū)別于真實(shí)模型仿真渲染。

Ink 'n Paint Material （勾邊與填色材質(zhì)）基本屬性數(shù)據(jù)表：

Ink （Outline） - Ink （Quality） – Ink （Width）

Ink （SmGroup/Matld）- Ink （Overlap/Underlap）

Ink 'n Paint（輪廓線和填充）分解

Ink （Outline）=1/1.5 （+RGB

Paint Level=1/2 /3/4

Paint Level=2 （ Highlight=20/5/1）

2.2真實(shí)感繪制中的三維輪廓線模型

輪廓線是三維模型的一個(gè)基本特征，體現(xiàn)了模型的大致形狀和輪廓，線在視覺效果方面對(duì)于刻畫三維模型基本外觀的感知與審美都是必需的。其三維輪廓模塊輸出是基本幾何對(duì)象類與幾何計(jì)算函數(shù)，如點(diǎn)、矢量、矩陣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義和相關(guān)的計(jì)算函數(shù)，是本次實(shí)驗(yàn)過程中必不可少的模塊，系統(tǒng)中與模型構(gòu)建及基本的變換都需要這些幾何對(duì)象和計(jì)算功能。

數(shù)據(jù)函數(shù)包括內(nèi)外力兩方面，如邊界曲率和梯度。對(duì)于輪廓比較平滑的目標(biāo)，這種方法可以獲得更好的效果。當(dāng)目標(biāo)比較復(fù)雜或與其它物體靠得較近時(shí)，用戶無法估計(jì)效果擴(kuò)散的最后結(jié)果，初始的輪廓線也不易確定，往往需要進(jìn)行多次的交互工作，才能使獲得的邊界擴(kuò)散滲透更接近真實(shí)的水墨畫視覺效果。

3 基于Inkn paint材質(zhì)的仿真水墨畫輪廓線繪制方法研究

3.1輪廓線吸水性擴(kuò)散和滲透平衡性仿真研究

水是筆、墨、色和紙發(fā)生相互作用的中介，左右著畫面素材之間的滲化作用。水墨畫內(nèi)部與外形輪廓線均有擴(kuò)散和滲透現(xiàn)象，（如圖1）由于水墨繪畫材料的特殊性，它還具有潛在的滲化作用。滲化與擴(kuò)散是一個(gè)可以看到的極為明顯的動(dòng)態(tài)過程，水墨會(huì)擴(kuò)散到筆跡之外，同時(shí)滲化作用留下清晰的擴(kuò)散紋理[1]。

Inkn paint材質(zhì)渲染中利用分形在擴(kuò)散筆跡的最外層模擬一條不規(guī)則的輪廓線繪制，并填充兩者之間的空隙，使得擴(kuò)散效果更自然、逼真。大多數(shù)圖象經(jīng)過非真實(shí)變換后，邊緣點(diǎn)一般處于零交叉點(diǎn)，對(duì)同一點(diǎn)的兩條數(shù)據(jù)路徑，若邊緣點(diǎn)多的一條不能占優(yōu)顯然不符合要求，因此當(dāng)數(shù)據(jù)不占優(yōu)時(shí)需要添加新的約束、需要根據(jù)數(shù)據(jù)路徑上零交叉點(diǎn)數(shù)的多少來時(shí)實(shí)判斷取舍。具體為在計(jì)算獲得新點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，若當(dāng)前計(jì)算獲得的數(shù)據(jù)大于已有的數(shù)據(jù)，則反向跟蹤路徑的最近n個(gè)點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)兩路徑的零交叉點(diǎn)數(shù)，若當(dāng)前路徑的零交叉點(diǎn)數(shù)大于舊路徑的零交叉點(diǎn)數(shù)，則用當(dāng)前計(jì)算獲得數(shù)據(jù)替換舊的數(shù)據(jù)，繼續(xù)進(jìn)行仿真渲染。

3.2擴(kuò)散筆跡與不規(guī)則的輪廓線繪制研究

輪廓線是基于毛筆的擴(kuò)散和紙張的暈染現(xiàn)象形成均勻滲透。這是一個(gè)由黑色線為中心向灰色再向alpha 擴(kuò)散的一種真實(shí)形式。從紙面上看，其暈化呈同心擴(kuò)張狀態(tài)，由中心向四周依次減弱色度和純度。即墨色從一個(gè)中心點(diǎn)均勻地作圓形擴(kuò)張，擴(kuò)張面積與水墨份量成正比的效果分解關(guān)系（如圖2）。[3]

Inkn paint材質(zhì)提供了簡(jiǎn)潔易操作的渲染技法，在搜索輪廓線時(shí)與一般的真實(shí)感繪制算法有些類似?；舅枷胧窃谠O(shè)定輪廓線臨界點(diǎn)后，計(jì)算出圖上各點(diǎn)之間的最小數(shù)據(jù)。通過分析數(shù)據(jù)的計(jì)算過程，可以對(duì)復(fù)雜物體的邊緣進(jìn)行比較準(zhǔn)確的定位，由于模型邊緣點(diǎn)多為零交叉點(diǎn)，表現(xiàn)水墨畫面時(shí)其數(shù)據(jù)較弱，因而使數(shù)據(jù)沿中心線呈同心向外擴(kuò)張狀態(tài)，從而在交互引導(dǎo)過程中自動(dòng)勾勒出邊緣并向外擴(kuò)散。

Inkn paint材質(zhì)是在全圖范圍內(nèi)尋找優(yōu)化的邊界，與真實(shí)感繪制算法不同，不通過初始輪廓線降低數(shù)據(jù)的方式，而是通過分步優(yōu)化數(shù)據(jù)函數(shù)獲得邊界數(shù)據(jù)。但也需要一個(gè)初始的模板以約束搜索，需要給出初始的輪廓，然后進(jìn)行效果擴(kuò)散，使輪廓線沿?cái)?shù)據(jù)降低的方向靠近，最后得到一個(gè)優(yōu)化的邊界。

測(cè)試效果：利用分形在擴(kuò)散筆跡的最外層模擬一條不規(guī)則的輪廓線繪制，并填充兩者之間的空隙，使得擴(kuò)散效果更自然、逼真。

3.3不可覆蓋、忽略光影性和多色彩效果的渲染技術(shù)研究

中國(guó)水墨畫不適合表現(xiàn)光感、質(zhì)感，因?yàn)槔L畫材料本身的透明性和不可覆蓋性。由于中國(guó)水墨畫顏色的特殊性，山水畫的色彩作為單獨(dú)子系統(tǒng)進(jìn)行考慮。再加上與水墨的特殊作用關(guān)系，進(jìn)行大量深入的研究和分析，建立適于中國(guó)水墨畫的色彩模型。水墨畫藝術(shù)色彩的計(jì)算再現(xiàn)可以提供給計(jì)算機(jī)圖形藝術(shù)家新的藝術(shù)創(chuàng)作手段，非寫實(shí)性渲染及紋理映射將增添中國(guó)畫的審美韻味（如圖3），人們可以通過更直接的方式認(rèn)識(shí)中國(guó)水墨畫藝術(shù)。

Inkn paint材質(zhì)利用RGB色彩模式來實(shí)現(xiàn)在三維場(chǎng)景中直接繪制出具有水墨輪廓線特性的色彩圖象。RGB顏色主要是針對(duì)色彩易于硬件實(shí)現(xiàn)為目的，往往同一種顏色在強(qiáng)弱不同的光照下差別較大，在實(shí)際應(yīng)用中，由于幀間明暗存在差別，同一色塊因光照不均也存在高光或暗區(qū)域，所以需要的是一種能去掉亮度信息的顏色模型、輪廓線，即采用色度空間。

在視覺傳達(dá)領(lǐng)域廣泛采用三維模型的輪廓線繪制技術(shù)詳細(xì)客觀地描繪了水墨畫各組成要素的材料特性及相互間的作用關(guān)系。

結(jié)論

基于Inkn paint材質(zhì)仿真中國(guó)水墨畫輪廓線的渲染方法，通過一組簡(jiǎn)單有效的三維模型，成功地實(shí)現(xiàn)了中國(guó)水墨山水畫的基本藝術(shù)效果，實(shí)現(xiàn)了保留筆跡和擴(kuò)散紋理等典型效果。特別是不同筆次之間的作用效果，如蕩墨、干筆飛白、破墨及水帶墨等，實(shí)現(xiàn)水墨畫的不可覆蓋性機(jī)理特殊效果。

在未來研究工作中，考慮到擴(kuò)散紋理的滲化效果與紙纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，選擇更好的隨機(jī)性控制，以實(shí)現(xiàn)其它水墨藝術(shù)效果。這主要是因?yàn)樗喞€繪制的微觀運(yùn)動(dòng)細(xì)微地刻畫了圖像細(xì)節(jié)，可以通過參數(shù)的變化，隨意控制最后的輸出結(jié)果，直到令人感到滿意。并具有自相似特性的輪廓線分形能力，同時(shí)提供了一定的可預(yù)見性和可控性，通過改變特征參數(shù)值得到期望的結(jié)果，有時(shí)甚至可以得到意想不到的藝術(shù)效果。

（責(zé)任編輯：劉小紅）