非真實(shí)感繪制與動(dòng)畫研究

李新友，徐志英

（1. 河北旅游職業(yè)學(xué)院，河北 承德 067000 2.朝陽師范高等?？茖W(xué)校，遼寧 朝陽 122000)

1.非真實(shí)感繪制

在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)40 多年的發(fā)展歷史中，真實(shí)感繪制一直是貫穿其中的主旋律。隨著計(jì)算機(jī)圖形硬件和算法的不斷發(fā)展、改進(jìn)，人們已能真實(shí)地模擬各種自然界的客觀現(xiàn)象和思想中的特殊效果了。特別是《阿凡達(dá)》《變形金剛》等好萊塢電影中，真實(shí)感圖形與電影膠片拍攝出的圖像得到了完美的結(jié)合。作為真實(shí)感圖形學(xué)的有效補(bǔ)充，非真實(shí)感繪制重點(diǎn)在于表現(xiàn)圖形圖像的藝術(shù)特質(zhì)、模擬藝術(shù)作品。非真實(shí)感繪制風(fēng)格靈活多樣重，重點(diǎn)在于重現(xiàn)手繪特征，所以又稱被為風(fēng)格化繪制。非真實(shí)感繪制以模擬各種藝術(shù)形式來刻畫豐富多彩的現(xiàn)實(shí)和虛幻的世界為主要目標(biāo)[1]。非真實(shí)感繪制不以追求精確性為目的，而是根據(jù)設(shè)計(jì)者的主觀想象來繪制圖形，以模擬近似、追求更好的藝術(shù)效果為目標(biāo)。非真實(shí)感計(jì)算機(jī)圖形學(xué)這一術(shù)語已經(jīng)開始用于表示這一領(lǐng)域，該領(lǐng)域處理的是用計(jì)算機(jī)生產(chǎn)一類圖像和動(dòng)畫的問題。通常，這類圖像和動(dòng)畫是部分地由“手工”創(chuàng)作完成的。因此當(dāng)應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行藝術(shù)創(chuàng)作時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用非真實(shí)感的繪制方法來再現(xiàn)客觀事物，進(jìn)而縮小科學(xué)與藝術(shù)之間的距離。非真實(shí)感繪制豐富了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究領(lǐng)域，同時(shí)也彌補(bǔ)了真實(shí)感繪制的局限性。

非真實(shí)感繪制的概念最早是在20 世紀(jì)80 年代發(fā)表的兩篇論文中提出的，但這兩篇論文所展示的技術(shù)當(dāng)時(shí)仍被孤立地對(duì)待。 20 世紀(jì)90 年代隨著幾篇論文 在SIGGRAPH 會(huì) 議（winkenbach and salesin，1994 年和salisbury 等，1994 年）和Eurograph 會(huì)議（strothotte 等，1994 年）上的發(fā)表，非真實(shí)繪制這一新領(lǐng)域的輪廓才逐漸顯現(xiàn)出來。這些論文通過展示潛在原則的通用性而有效地開辟了新途徑。多種具有手繪風(fēng)格的藝術(shù)作品已經(jīng)通過非真實(shí)感繪制技術(shù)成功生成。非真實(shí)感繪制技術(shù)包含了更為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，并不僅僅局限于此，它為更多藝術(shù)形式的生成提供了前所未有的機(jī)會(huì)[2]。

2.非真實(shí)感動(dòng)畫

非真實(shí)感動(dòng)畫已經(jīng)逐漸成為非正式感繪制中的獨(dú)立領(lǐng)域，動(dòng)畫數(shù)據(jù)可以作為運(yùn)動(dòng)圖像利用非真實(shí)感繪制進(jìn)行可視化，也可以作為靜態(tài)圖像被可視化，而且這些靜態(tài)圖像帶有指示運(yùn)動(dòng)的一些附加標(biāo)記。第一屆非真實(shí)感動(dòng)畫和繪制會(huì)議在法國召開，會(huì)議倡議把更多的投入和精力放在非真實(shí)感動(dòng)畫研究與開發(fā)工作中?，F(xiàn)在已生成多種不同風(fēng)格的非真實(shí)感繪制形式，如Meier 在《Painterly rendering for animation》文中提出的油畫效果[3]、Kowalski 等人在《Art-Based Rendering of Fur, Grass，and Trees》文中提出的漫畫效果[4]、Haga 等人提出的鋼筆畫效果[5]、于金輝等人提出的中國畫效果[6]。相對(duì)于豐富多彩的非真實(shí)感繪制形式，目前非真實(shí)感動(dòng)畫的論文和技術(shù)相對(duì)較少，有待我們進(jìn)一步發(fā)掘和探索。

動(dòng)畫可以定義為使用繪畫的手法，創(chuàng)造生命運(yùn)動(dòng)的藝術(shù)。作為一個(gè)與真實(shí)感繪制與動(dòng)畫相對(duì)應(yīng)的分支，非真實(shí)感繪制與動(dòng)畫關(guān)注于那些原來由手工制作，現(xiàn)在改由計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成的動(dòng)畫。利用非真實(shí)感繪制豐富的技術(shù)和手段，使繪畫作品隨時(shí)間變化而變化，從而創(chuàng)造出非真實(shí)感動(dòng)畫效果[3]。

2.1 靜態(tài)圖像表現(xiàn)動(dòng)態(tài)效果

如圖1 所示，一旦給定運(yùn)動(dòng)方向，卡通中可采用許多技術(shù)以在靜態(tài)圖像中表示運(yùn)動(dòng)，可將這些技術(shù)用做單個(gè)的風(fēng)格元素，也可以將它們加以組合，從而制作出一些用逐幀動(dòng)畫無法完成的效果。

圖1 用速度線線表示運(yùn)動(dòng)

非真實(shí)感動(dòng)畫中運(yùn)用流線的方法來表現(xiàn)快速的運(yùn)動(dòng)，例如，表現(xiàn)疾馳的汽車、快速奔跑、物體沖出畫面等，都可以采用速度性流線。第二種是效果性流線。這是動(dòng)畫中運(yùn)用夸張的一種手段，表現(xiàn)某種感覺和特殊效果所產(chǎn)生的流線[8]。人們已經(jīng)設(shè)計(jì)了一些方法，以自動(dòng)地計(jì)算這種對(duì)運(yùn)動(dòng)的可視化，在每幀中均需要速度線，同時(shí)也應(yīng)該考慮速度線的隱線消除，由用戶控制的變量來刻畫運(yùn)動(dòng)的速度線的數(shù)目。最后，還需要計(jì)算要發(fā)出速度線的實(shí)際位置。

2.2 基于粒子系統(tǒng)的非真實(shí)感動(dòng)畫

基于粒子系統(tǒng)的非真實(shí)感動(dòng)畫是目前最成功的非真實(shí)感動(dòng)畫生成方法。粒子的位置由三維空間中幾何模型的許多點(diǎn)來確定，標(biāo)記、圓點(diǎn)和筆劃等瑕疵的占位符號(hào)由這些粒子繪制。在影視特技中通過粒子系統(tǒng)來生成一些特殊視覺效果。粒子系統(tǒng)[9]采用不同方法來構(gòu)造、繪制景物，隨機(jī)分布的、大量不規(guī)則的粒子用來定義景物，并且每一個(gè)粒子都有自己的生命周期，這些粒子不斷運(yùn)動(dòng)、不斷改變形狀。粒子系統(tǒng)的這一特性可以很好的用來模擬霧、水、火、云等不規(guī)則物體的隨機(jī)性和動(dòng)態(tài)性[10]，Softimage，3DMAX，Maya等應(yīng)用軟件已成功引入粒子系統(tǒng)的思想來模擬各種不規(guī)則的自然景物。

在粒子系統(tǒng)這一方法中，三維空間中的幾何模型的許多點(diǎn)被定義為所謂的粒子的位置。這些粒子被用于繪制諸如筆劃、標(biāo)記或圓點(diǎn)等瑕疵的占位符號(hào)。該方法可分為如下三步：[5]

(1) 生成粒子，可用許多方法中的任意一種為需要用粒子繪制的物體表面增加粒子；

(2) 指定并應(yīng)用屬性，對(duì)于動(dòng)畫中的每一幀，需要生成幾個(gè)緩沖器，并隨后從這幾個(gè)緩沖器中導(dǎo)出參數(shù)；

(3) 加入隨機(jī)性、繪制幀及對(duì)參數(shù)設(shè)置動(dòng)畫，對(duì)于幾何模型，已經(jīng)明確指定了粒子系統(tǒng)，并且算法的前一步是確定性的，那么重復(fù)這些動(dòng)畫時(shí)，就可以獲得幀連貫性。

我們可以根據(jù)具體的要求定義每個(gè)粒子的屬性和整個(gè)粒子系統(tǒng)的屬性，如風(fēng)的影響，粒子自身的速度等等。其結(jié)構(gòu)體代碼如下表所示：

粒子結(jié)構(gòu)的定義： typedef struct {float mas; /* 質(zhì) 量 */float pos[3]; /* 位置 */float vel[3]; /* 速度 */float force[3]; /* 受力 */…… /* 其他信息 */float alp; /* 透明度 */} *Particle;粒子系統(tǒng)的定義： typedef struct {Particle *p; /* 粒子指針數(shù)組 */int num; /* 粒子數(shù)量 */float time; /* 仿真時(shí)鐘*/…… /* 其他信息 */} *ParticleSystem;

3. 結(jié)論

近些年，非真實(shí)感繪制與動(dòng)畫逐漸引起人們的研究興趣，并在各個(gè)領(lǐng)域額中有著十分廣泛的應(yīng)用。結(jié)合我國傳統(tǒng)文化和傳統(tǒng)藝術(shù)，我們?cè)诜钦鎸?shí)感繪制與動(dòng)畫這個(gè)領(lǐng)域取得了一定的成就和創(chuàng)新，但這一研究領(lǐng)域仍具有很大挑戰(zhàn)性，同時(shí)也是一個(gè)充滿樂趣和想象力的研究方向，更多的生成方法有待我們進(jìn)一步地開發(fā)和研究[11]。