基于圖像的非真實(shí)感鉛筆畫(huà)風(fēng)格渲染

王凌云　　劉春林

【摘 要】非真實(shí)感鉛筆畫(huà)繪制技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)生成具有手繪風(fēng)格的圖形，主要在于表現(xiàn)圖形的藝術(shù)特質(zhì)、模擬藝術(shù)作品。其在自然藝術(shù)風(fēng)格的模擬，科學(xué)資料插圖繪制，計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)的生成，計(jì)算機(jī)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。本文首先介紹了非真實(shí)感鉛筆畫(huà)繪制的發(fā)展過(guò)程，然后實(shí)現(xiàn)了基于圖像的非真實(shí)感鉛筆畫(huà)風(fēng)格渲染，最后對(duì)非真實(shí)感鉛筆畫(huà)模擬繪制技術(shù)的發(fā)展指出不足。

【關(guān)鍵詞】非真實(shí)感 鉛筆畫(huà) 素描

一、非真實(shí)感鉛筆畫(huà)繪制技術(shù)

人類在很早以前就注重以圖形的方式認(rèn)知和了解世界，早期的繪畫(huà)作品都是人為繪制的，自從計(jì)算機(jī)圖形學(xué)誕生之后，人們開(kāi)始考慮使用計(jì)算機(jī)模擬圖形圖像的繪制，最早的模擬繪制是利用計(jì)算機(jī)繪制現(xiàn)實(shí)的圖像，以展示完全真實(shí)的世界，但真實(shí)感圖像在一些場(chǎng)合并不能滿足人類的要求，例如建筑工程師希望使用簡(jiǎn)單明了的工程制圖描述突出重點(diǎn)，醫(yī)療人員希望使用特定的醫(yī)學(xué)圖像描述病情，這些時(shí)候使用真實(shí)感圖像不能清晰表現(xiàn)重點(diǎn)，此外。人們有很多繪畫(huà)藝術(shù)，如鉛筆畫(huà)，油畫(huà)，水墨畫(huà)等，這些特殊風(fēng)格的作品是真實(shí)感繪制技術(shù)實(shí)現(xiàn)不了的。因此人們開(kāi)始研究非真實(shí)感繪制技術(shù)，鉛筆畫(huà)模擬繪制技術(shù)作為一種模擬人類手工繪畫(huà)的非真實(shí)感繪制技術(shù)，受到了研究人員的重視和關(guān)注，目前已經(jīng)取得了一定的研究成果。

二、常見(jiàn)的非真實(shí)感鉛筆畫(huà)模擬繪制算法

素描是利用光線和陰影的交織來(lái)表現(xiàn)藝術(shù)的一種手段，常見(jiàn)的基于圖像鉛筆畫(huà)繪制算法基本處理步驟如下：

圖像預(yù)處理。對(duì)圖像進(jìn)行一定的預(yù)處理操作，使圖像能滿足鉛筆畫(huà)模擬繪制的要求。

提取白噪聲。利用圖像信息計(jì)算白噪聲圖以及向量場(chǎng)。

卷積運(yùn)算。對(duì)白噪聲圖和平滑后的向量場(chǎng)進(jìn)行線積分卷積處理，得到圖像的紋理圖

邊緣提取。利用雙邊濾波器提取出圖像的邊緣信息，得到圖像的輪廓圖。

圖像融合。對(duì)素描的紋理圖和輪廓圖進(jìn)行圖像融合處理，生成鉛筆素描畫(huà)。

（一）圖像預(yù)處理

圖像預(yù)處理中，主要涉及到圖像灰度化和圖像去噪。圖像灰度化是分離圖像像素點(diǎn)RGB值，利用公式合成灰度圖像，以下是灰度圖像合成公式：

。

圖像在輸入和傳輸?shù)倪^(guò)程中，難免會(huì)產(chǎn)生噪聲，因此，需要對(duì)圖像進(jìn)行去除噪聲的處理，以提高圖像質(zhì)量，預(yù)防各種噪聲的對(duì)圖像干擾。高斯濾波是一種線性平滑濾波器，他在各個(gè)方向上的平滑值是一樣的，不會(huì)偏向任何一個(gè)方向，比較適合鉛筆畫(huà)的仿真。

二維高斯函數(shù)表達(dá)式：

其中：x，y分別代表原始圖像橫縱坐標(biāo)；代表圖像像素值的方差；代表變換后的函數(shù)圖像。如圖1所示。

（二）提取白噪聲

白噪聲圖是依據(jù)一定的頻率，對(duì)灰度圖的像素隨機(jī)生成0至255的灰度值，與后續(xù)LIC卷積運(yùn)算有直接關(guān)系。由于人的視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)圖像亮度信息敏感度高，一般根據(jù)圖像的亮度信息圖生成白噪聲圖。這需要將處理的圖像從RGB顏色空間轉(zhuǎn)換為HSV色彩空間，其中H代表色調(diào)，S代表飽和度，V代表亮度

白噪聲生成公式：

其中Imax為輸出像素的最大灰度值，一般為255；Imin1、Imin2、Imin3為輸出圖像的最小灰度值；L1、L2為兩個(gè)閾值。

（三）卷積運(yùn)算

鉛筆畫(huà)模擬技術(shù)中一項(xiàng)重要技術(shù)是鉛筆畫(huà)紋理圖的生成，采用線性卷積技術(shù)，將白噪聲圖作為輸入紋理圖與原圖像中每一個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行線型卷積操作，所得的圖像即為輸出紋理圖，過(guò)程如圖2所示

（四）邊緣提取

勾邊是鉛筆畫(huà)的重要組成部分之一，通過(guò)勾邊，在計(jì)算機(jī)中模擬鉛筆畫(huà)的輪廓藝術(shù)效果的方法之一是借助各類邊緣檢測(cè)算子，本文采用Sobel邊緣檢測(cè)算子提取輪廓，其基本檢測(cè)原理定義如下：

其中為輸出輪廓圖；z1 - z9為一幅圖像的33區(qū)域，z為圖像的灰度值255。

（五）圖像融合

將上述步驟所得的紋理圖和輪廓圖進(jìn)行加權(quán)相加，通過(guò)對(duì)權(quán)值的調(diào)整，得到最終的鉛筆畫(huà)藝術(shù)效果，如圖3所示。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文研究了鉛筆畫(huà)在計(jì)算機(jī)中藝術(shù)效果的實(shí)現(xiàn)，研究表明，鉛筆畫(huà)模擬繪制技術(shù)已經(jīng)取得了一定的成果，但是還有一些不足需要我們解決。

（一）計(jì)算機(jī)生成的紋理圖與傳統(tǒng)手繪鉛筆畫(huà)的紋理不吻合；現(xiàn)有的基于圖像的鉛筆畫(huà)模擬繪制技術(shù)大多借助圖像分割技術(shù)，對(duì)某一分割區(qū)域采用同一方向的向量場(chǎng)，這與傳統(tǒng)手繪鉛筆畫(huà)中筆畫(huà)方向的自然多變有較大的區(qū)別。

（二）三維圖像鉛筆畫(huà)模擬技術(shù)還有待發(fā)展；三維模型的數(shù)據(jù)信息比二維模型的數(shù)據(jù)豐富，轉(zhuǎn)化起來(lái)更加得心應(yīng)手，其結(jié)果也比二維圖像更逼真，但目前基于三維模型的鉛筆畫(huà)模擬繪制技術(shù)相關(guān)研究還是較少。

（三）利用計(jì)算機(jī)生成的鉛筆畫(huà)在色調(diào)上比傳統(tǒng)手繪素描的色調(diào)單一，不能很好的還原圖像中的光照、明暗信息。

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作者簡(jiǎn)介：

王凌云（1991-）女，貴州凱里人，本科，凱里學(xué)院信息工程學(xué)院助教，研究方向：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，數(shù)字圖像處理，多媒體技術(shù)。

基金項(xiàng)目：

凱里學(xué)院2014年度規(guī)劃課題（z1419）。