非真實(shí)感繪制漫畫藝術(shù)效果的的實(shí)現(xiàn)研究

陳汝娟

摘 要：文章主要提出了以非真實(shí)感繪制為基礎(chǔ)的漫畫藝術(shù)效果繪制的算法。在該算法中首先需要轉(zhuǎn)變圖像的色彩空間，并使用色彩量化等方法處理輸入的圖像，從而獲得更加連續(xù)且局部區(qū)域色彩一致的圖像，在此過程中還可以利用權(quán)值參數(shù)等控制濾波和量化的程度，其次要利用相關(guān)的濾波器等對(duì)輸入圖像的邊緣信息進(jìn)行處理，從而讓邊緣更加連續(xù)和清晰，最后讓量化的結(jié)果圖像中能夠融合邊緣圖像，最終獲得相應(yīng)的漫畫藝術(shù)效果。通過觀察最終的漫畫藝術(shù)效果能夠了解到，該類繪制算法的操作相對(duì)比較簡(jiǎn)單，且容易實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：非真實(shí)感;繪制;漫畫藝術(shù)效果

注：本文系內(nèi)蒙古師范大學(xué)科研基金項(xiàng)目?jī)?nèi)蒙古漫畫藝術(shù)研究”（2017RWYB002 ）階段性研究成果。

隨著時(shí)代的進(jìn)步，在目前計(jì)算機(jī)圖形學(xué)當(dāng)中非真實(shí)感繪制已經(jīng)成為研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)內(nèi)容，通過利用計(jì)算機(jī)生成的圖片不具有真實(shí)感，但是卻擁有一定的手繪風(fēng)格的繪制技術(shù)是非真實(shí)感繪制的重要研究?jī)?nèi)容。

一、漫畫藝術(shù)繪制相關(guān)概述

（一）漫畫的概述

漫畫的英文名稱為cartoon，漫畫的風(fēng)格隨著時(shí)代的變化正不斷發(fā)生著變化，其塑造各種形象主要通過變形、夸張等方法進(jìn)行，在一定程度上符合非真實(shí)感繪制的特點(diǎn)，同時(shí)還可以利用相關(guān)的技術(shù)繪制出圖像，讓其富含漫畫藝術(shù)效果，此外漫畫經(jīng)常被用于動(dòng)畫領(lǐng)域當(dāng)中，比如使用轉(zhuǎn)描機(jī)技術(shù)對(duì)真實(shí)的運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行逐幀追蹤，將其直接轉(zhuǎn)換成為動(dòng)漫的場(chǎng)景。

目前使用的圖像分割技術(shù)能夠保證著色區(qū)域的連續(xù)性，所以經(jīng)常被應(yīng)用在漫畫領(lǐng)域中產(chǎn)生漫畫效果。有相關(guān)的學(xué)者基于mean-shift圖像分割方法，讓圖像實(shí)現(xiàn)了多層次的、抽象性繪制，直接讓圖像擁有了漫畫風(fēng)格;也有相關(guān)學(xué)者基于該類圖像分割方法的特征和濾波最小化的方法處理輸入的圖像，從而產(chǎn)生具有區(qū)域性的簡(jiǎn)化的漫畫風(fēng)格，讓圖像的壓縮更加方便，但是當(dāng)圖像分割之后，其分割后的每一個(gè)區(qū)域都會(huì)形成閉合的邊緣，導(dǎo)致處理的速度變慢，所以該類方法不適合運(yùn)用于實(shí)時(shí)的繪制工作當(dāng)中。同時(shí)濾波方法也能幫助圖像產(chǎn)生一定的漫畫效果，Kypsianidis等相關(guān)學(xué)者使用雙邊濾波將局部區(qū)域進(jìn)行平滑，抽象繪制靜態(tài)和動(dòng)態(tài)圖像;有學(xué)者提出了使用L0濾波方法抽象化處理輸入圖像，能夠?qū)σ恍﹨^(qū)域的細(xì)節(jié)進(jìn)行保留。綜上所述，夸張、變形的漫畫表現(xiàn)風(fēng)格吸引了人們的目光，同時(shí)也讓藝術(shù)表現(xiàn)形式不斷豐富，在影視等相關(guān)領(lǐng)域當(dāng)中具有較大的使用價(jià)值。

（二）漫畫藝術(shù)繪制的相關(guān)流程

漫畫藝術(shù)呈現(xiàn)出風(fēng)格化的主要特點(diǎn)包括：一是具有較高的概括性，減少了不必要的細(xì)節(jié)，并突顯出了圖像中的特殊部分，讓圖像更具有視覺效果和吸引力。二是泛用顏色，讓圖像的顏色更加鮮明，局部區(qū)域內(nèi)的顏色比較類似，不會(huì)出現(xiàn)比較細(xì)小的色塊情況。三是具有較強(qiáng)的邊緣強(qiáng)化性，通過增強(qiáng)邊緣的信息能夠?qū)⑦吘壍募?xì)節(jié)突顯出來。四是具有較強(qiáng)的變形和夸張性，通過對(duì)主體進(jìn)行變形，能夠讓漫畫效果產(chǎn)生與真實(shí)場(chǎng)景不同的效果，進(jìn)一步增強(qiáng)圖像的吸引力。

通過對(duì)上述漫畫風(fēng)格特點(diǎn)的研究，本文主要設(shè)計(jì)了以下的繪制流程步驟：

首先需要轉(zhuǎn)換輸入圖像的色彩空間，一般將其轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)ab色彩空間，利用雙邊濾波處理亮度信息，該過程還可以根據(jù)實(shí)際的需求情況進(jìn)行重復(fù)工作;其次經(jīng)過雙邊濾波之后，就需要進(jìn)行色彩量化處理，讓局部區(qū)域的色彩具有統(tǒng)一性和連續(xù)性;再次要積極利用DOG濾波對(duì)圖像的邊緣信息進(jìn)行檢測(cè)，并通過相應(yīng)的閾值處理，保證邊緣圖像的清晰度;最后需要在色彩量化結(jié)果圖像當(dāng)中有效融合邊緣圖像，并將相應(yīng)的色彩空間進(jìn)行轉(zhuǎn)換（轉(zhuǎn)換為RGB），最終就能獲得相應(yīng)的漫畫藝術(shù)效果。

二、非真實(shí)感繪制漫畫藝術(shù)效果的算法研究

提出漫畫藝術(shù)效果繪制算法需要對(duì)以下幾點(diǎn)問題進(jìn)行充分考慮：需要重點(diǎn)考慮漫畫效果中的亮度以及色彩信息;需要保存好圖像的邊緣信息;如果漫畫效果丟失了部分細(xì)節(jié)，就需要局部概括色彩內(nèi)容。要想保證繪制漫畫藝術(shù)的效果就需要采用色彩量化技術(shù)以及雙邊濾波技術(shù)獲得相應(yīng)的色彩。

（一）雙邊濾波技術(shù)

使用雙邊濾波技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行處理，主要采用雙邊濾波器。該類濾波器是一種能夠讓圖像平滑化的非線性濾波器，主要是通過卷積運(yùn)算高斯濾波中存在的高斯權(quán)系數(shù)和輸入的圖像亮度，從而獲得較為科學(xué)的濾波結(jié)果，濾波結(jié)果主要為高斯函數(shù)與距離函數(shù)的乘積。其與傳統(tǒng)的濾波相比，不僅使用了像素之間存在的幾何距離，還對(duì)像素之間存在的色彩、光度等的差異進(jìn)行了考慮，能夠在一定程度上將圖像上存在的噪聲有效去除，并使圖像上的邊緣信息得到保存。

由于在雙邊濾波當(dāng)中加大了像素點(diǎn)灰度信息的權(quán)重，且領(lǐng)域內(nèi)與中心像素點(diǎn)越靠近，其擁有的權(quán)重就越大。標(biāo)準(zhǔn)差越大，則圖像的邊緣信息就越模糊，如果標(biāo)準(zhǔn)差接近無限大時(shí)，其就與高斯濾波類似;而當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)差越小時(shí)，其邊緣信息就越清晰，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)差接近無限小時(shí)，經(jīng)過雙邊濾波后的結(jié)果圖像就與輸入圖像類似。在雙邊濾波的過程中，首先需要轉(zhuǎn)換輸入圖像的色彩空間，一般是將RGB轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)ab，對(duì)圖像的亮度進(jìn)行雙邊濾波，并將色彩信息加入其中，從而獲得相應(yīng)的結(jié)果圖像。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)差值不斷增大，圖像當(dāng)中人物的眉毛等相關(guān)細(xì)節(jié)信息逐漸模糊，但是依舊保留了相關(guān)的邊緣信息。

（二）色彩量化技術(shù)

讓圖像實(shí)現(xiàn)漫畫效果最大的特點(diǎn)是要將輸入圖像當(dāng)中原有的顏色細(xì)節(jié)信息忽略，讓大部分區(qū)域內(nèi)的顏色相接近，當(dāng)圖像得到雙邊濾波處理之后，還需要通過色彩量化重建色彩。色彩量化主要是通過選擇色彩讓其成為新的調(diào)色板，通過重新分配圖像局部色彩接近區(qū)域的顏色的過程，對(duì)其進(jìn)行色彩量化處理。

（三）檢測(cè)圖像邊緣

藝術(shù)家在創(chuàng)作漫畫的過程中，往往通過使用簡(jiǎn)單的線條產(chǎn)生漫畫藝術(shù)效果，所以在漫畫效果當(dāng)中，輪廓信息非常重要。圖像的邊緣檢測(cè)主要基于領(lǐng)域計(jì)算，可以通過檢測(cè)算子不同的邊緣對(duì)邊緣進(jìn)行檢測(cè)，如果邊緣的檢測(cè)算子使用增強(qiáng)信號(hào)的方法獲取邊緣信息時(shí)，也在一定程度上增加圖像的噪聲，因此可以采用更加先進(jìn)的DOG濾波器提取邊緣信息，該類濾波器具有較高的穩(wěn)定性，能夠抑制圖像產(chǎn)生較大的噪聲，從而讓提取出的邊緣信息更具有連貫性和平滑性。

圖像的邊緣檢測(cè)中使用DOG算子進(jìn)行濾波，也就是要求兩次高斯濾波后的結(jié)果差值，通過將標(biāo)準(zhǔn)差和相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行改變，就能得到不一樣的輪廓圖，并且輪廓當(dāng)中邊緣的粗細(xì)形狀也可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終得到良好的邊緣效果。通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)可以了解到，使用DOG算子計(jì)算得到的圖像，其圖像邊緣相對(duì)比較平滑，并且也保留了較多的細(xì)節(jié)信息，如果原始圖像存在灰度差異，就會(huì)導(dǎo)致提取出的邊緣亮度不一樣，出現(xiàn)了一些比較弱的邊緣，所以為了能夠讓邊緣清晰可見，就需要將邊緣的亮度進(jìn)行統(tǒng)一?？梢苑e極采用閾值處理的方法處理圖像的邊緣內(nèi)容，并設(shè)置合理的閾值，對(duì)圖像的邊緣進(jìn)行二值化處理，讓結(jié)果圖像能夠達(dá)到預(yù)期的效果，保證邊緣圖像的亮度一致。

三、結(jié)果與分析

為了保證該繪制算法的可行性，將該繪制算法處理不同的輸入圖像，能夠?qū)崿F(xiàn)非真實(shí)感繪制漫畫藝術(shù)的效果。主要在Windows XP操作系統(tǒng)中進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的硬件環(huán)境為3.2GHz Intel CPU，內(nèi)存為2GHz，軟件為Matlab 2012a。通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)圖片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可以了解到，邊緣圖像完美地融入了結(jié)果圖像當(dāng)中，同時(shí)也保留了圖像的色彩，讓圖像的局部區(qū)域形成了色彩量化，圖像的輪廓具有較高的清晰度，漫畫效果比較良好。并且針對(duì)圖像邊緣不連貫，具有較多雜散點(diǎn)的圖像可以積極利用閾值處理，將其邊緣增強(qiáng)，并有效去除比較小的雜散點(diǎn)，讓圖像的邊緣信息更加連貫，讓其能夠與真實(shí)的漫畫效果相符。針對(duì)細(xì)節(jié)描繪比較清晰但是色彩量化比較僵硬的情況，可以使用轉(zhuǎn)描機(jī)解決相關(guān)的問題，能夠讓色彩量化更符合漫畫藝術(shù)效果。

漫畫風(fēng)格正隨著時(shí)代的發(fā)展而不斷發(fā)生變化，非真實(shí)感繪制已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)，因此本文主要對(duì)非真實(shí)感繪制中漫畫藝術(shù)風(fēng)格的模擬問題進(jìn)行了研究，提出了一種繪制算法，該算法能夠通過變換輸入圖像的色彩空間，并對(duì)圖像進(jìn)行雙邊濾波和色彩量化處理，讓圖像具有較為明顯的漫畫藝術(shù)效果，同時(shí)積極利用DOG濾波器，能夠有效讓邊緣圖像融合在結(jié)果圖像當(dāng)中，獲得漫畫藝術(shù)效果圖像。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，在未來該類技術(shù)還會(huì)積極應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，比如三維影像等抽象領(lǐng)域，所以需要相關(guān)研究人員有效采用硬件加速，將算法處理和繪制的效率進(jìn)一步提高，讓圖像、視頻等都能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)的漫畫藝術(shù)效果，推動(dòng)相關(guān)企業(yè)的有效發(fā)展。

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作者單位：

內(nèi)蒙古師范大學(xué)美術(shù)學(xué)院