非真实感水彩画的模拟专科毕业论文.doc

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1、 编号 焦作师范高等专科学校毕 业 论 文（设 计） 论文题目 非真实感水彩画的模拟 系 （部）计算机与信息工程系 专 业 计算机教育 班 级 计教0701班 学 号 12950072177 学生姓名 指导教师 职 称 2 0 1 0 年 5 月摘 要2ABSTRACT3第一章 引言41.1真实感与非真实感发展历程与研究现状41.1.1 非真实感绘制51.1.2 非真实感图像渲染5第二章 水彩画模拟62.1传统水彩画绘制62.1.1传统水彩画特征62.1.2 传统水彩画基本技法62.2 非真实感水彩画绘制72.2.1 非真实感水彩画产生及发展72.2.2非真实感水彩画特征82.2.3非真实感水

2、彩画绘制方法9第三章 算法实现113.1系统整体结构113.1.1系统流程图123.2 算法实现及分析12第四章 实验环境平台及实验结果154.1实验环境平台简介154.2 实验结果图15致谢16参考文献：17摘 要随着计算机图形学及真实感绘制技术的不断成熟，非真实感绘制以图像的风格化为目标区别于真实感绘制已成为计算机科学与艺术相结合的一项热门研究领域。非真实感水彩画的绘制是该领域的一个研究分支，同时还有钢笔画、水墨画、国画、卡通画等等。其中重现水彩画是该领域内最难最复杂的工作之一,因为在水彩画绘制中颜料和水在纸张上扩散和变干的过程中,会产生柔和性、透明性、发光性和其它多方面随机的变化,但这种

3、复杂性能反映出自然影响的相互作用,也是用手绘达到不了的效果。所以,非真实感水彩画的模拟仿真过程是一个复杂却很有意义的过程。论文的研究目的、研究方法及创新点在于：（1）针对传统水彩画颜料扩散过程及扩散特征，提出八领域内加权平均的扩散算法，代替传统的四领域内的简单扩散算法，实现了较好地水彩颜料扩散效果。另外提出一种基于多结构多尺度彩色形态学的非真实感水彩画模拟方法。在实现水彩画的边缘暗色化及流动图案等特征的过程中，结合彩色形态学的开、闭、膨胀和腐蚀算子理论，设计一种新的环形、圆形与菱形相结合的多结构元素。（2）通过分析研究水彩画的主要特征及不同颜色模型的特点，选取在RGB和HSV颜色模型内分别进行

4、水彩画边缘暗色化及流动图案和颜料扩散算法的实现，可以得出更好的水彩效果。最终实验表明，采用本文方法实现了水彩画边缘暗色化、颜料扩散、流动图案以及纸张纹理等特征，再现了非真实感水彩画的独特艺术效果，非真实感水彩画的模拟效果比较满意。 关键词：颜料扩散;边缘暗色化;彩色形态学AbstractWith the computer graphics and photorealistic rendering technology becoming mature, non-photorealistic rendering style of the image difference in realistic

5、style into computer drawing has become a computer science and art of combining a hot research field .watercolor painting of besides pen picture, monochrome ink painting, Chinese picture and cartoon , non-credibility is one of the branch study in this field, Its one of the most difficult and complica

6、ted work in this field that reproduces a watercolor painting, for in the process of pigment and water spreading over and drying during the watercolor painting, which will produce the gentleness, transparency, luminosity and other manifold random changes. This kind of complicated performance will ref

7、lect interaction of the natural influence, which is impossible to achieve by hand. The process of the analog simulation of a watercolor painting of non-credibility is a complicated and significant. The study purpose, method and innovation of the paper are as fellows: (1) According to the traditional

8、 water color paints diffusion process and diffusion, the weighted average of the eight areas of the proliferation algorithms replacing the traditional four areas of proliferation of a simple algorithm will achieve a better spread of the effect of watercolor paints. Another is proposed watercolor non

9、-realistic simulation method based on morphological structure of multi-scale color. in the realization of the dark edge and the flow pattern characteristics of the process, with the combination of color morphological open and close, expansion and corrosion operator theory, designing a new ring, roun

10、d and diamond-shaped structure.(2)By analyzing and studying the main characteristics and the characteristics of the model in different colors, the realization of the edge of dark watercolor, pigment patterns and the spread of the flow algorithm in the RGB and HSV color model respectively will draw a

11、 better watercolor effect. The final experiment shows that: the method presented in this paper realizes the characters such as the aquarelle edges dark, pigments and flow pattern and texture, reproduces unique artistic effect of non-photorealistic rendering so that the simulation result of non-reali

12、stic watercolor is satisfactory.Key words: pigment diffuse; edge darkening; color morphology第一章 引言计算机图形学自上世纪六十年代出现以来，人们对模拟仿真真实世界的追求一直是计算机图形学领域内不懈努力的研究目标。经典的真实感绘制技术致力于产生仿真图像和场景，其对真实世界的再现达到了照片般的水平，甚至无法分辨。迄今为止，真实感图形学的研究成果已经和人们观察世界和摄影摄像的过程是完全一致，并广泛被应用于3D建模，场景模拟仿真等各个领域。随着真实感绘制技术的发展，其效果固然精确真实，甚至达到了较完美的境界，

13、但从某种意义上说,这种真实偏离了人类对认识世界的高层抽象本质，反而使人们对其产生一种并不满足的看法，为了弥补这个不足，非真实感绘制技术作为真实感的一个补充，面临着一个严峻的挑战和新的突破，经过十几年的发展，作为一个新的研究领域和新的技术被人们所认可并取得了长足的发展，给人们带来了另外一种新的艺术享受。1.1真实感与非真实感发展历程与研究现状随着计算机图形学及软硬件技术的快速发展，真实感和非真实感绘制作为计算机图形学的两大分支，已经被广大研究者所关注，并成为他们热点研究的科学问题。它们主要应用于计算机辅助设计、多媒体教学、虚拟现实系统、科学计算可视化、动画制作、电影特技模拟、计算机游戏、视频风格

14、化等等许多方面，并发挥了重要的作用。最近几年内真实感绘制已经研究的相当成熟并达到像真实照片一样的精确效果。随着真实感图形绘制结果趋向于具有更强的真实感并提供更贴近现实世界的场景时，研究者们开始转向不同于真实感的效果，即：非真实感绘制技术来表现现实场景的另外一种艺术效果，用它来展现给人们图形学界另一种特殊的风格化绘制。图1为真实感绘制与非真实感绘制的特征对比结果。 图1 真实感与非真实感绘制特征对比1.1.1 非真实感绘制非真实感绘制作为计算机图形学的一项新的科学挑战，倍受广大研究者的喜爱并不断的研究和尝试。非真实感绘制与真实感再现图像的真实性有所不同，以其独特的艺术性质而区别与真实感绘制，它重

15、现图形图像的手绘艺术特性，风格灵活多样，因此又叫做风格化绘制(Stylistic Rendering)。非真实感绘制的主要目标是：它手工创作图形的相似性、对科学的好奇心、特定信息的传达、对图片语言的假设和对传递机制的更好理解为绘制目标4。非真实感从客观的角度来绘制，以人们主观想象来风格化现有的图形图像，它追求更好的艺术效果，不以追求精确性为目标，相反而以模拟近似为目的，根据观察者的注意力来改变细节层次，有选择性地突出自然现象的艺术美。非真实感绘制中的一大亮点就是再现艺术作品的风格化绘制效果。艺术是对自然景物的抽象和再加工，而不是对自然景物呆板地再现，因此当利用计算机进行艺术创作时，不能再采用真

16、实感的绘制方法去再现更准确的自然场景，而应采用非真实感的技术来艺术性地再现自然景物的抽象美。 早在多年前，SIGGRAPH 开始设立一个专门讨论艺术家艺术表达形式的会议，其研究目标明显区别于照片的真实感绘制，被称为“非真实感绘制”（Non_Photorealistic Rendering简称NPR）。非真实感绘制的意义在于弥补真实感绘制的局限性，丰富了计算机图形学的研究范围。1.1.2 非真实感图像渲染非真实感绘制以“真实”而不同于真实感绘制，所以不同的效果后得两者的渲染方法也各有不同。非真实感绘制中多样化的目标和选择，近几年来这种多样化的探索形成了一个高潮，渐渐所人们所熟悉并叫它为“非真实感

17、图像渲染”，又称之为“风格化渲染”。非真实感图像渲染并不关心像照片般真实地再现客观世界，恰恰相反，它更专注于图形个性化和艺术化的表达。在非真实感图像渲染中，需要对渲染内容和方式做出主动的选择。对内容创造者来说他认为重要的部分要重点表现，而且要用合适的方式来表现，而被创作内容在视觉上的真实并不是被考虑的重点。非真实感图像渲染的过程通常是以一幅图像或三维实体为输入，而输出特定的具有艺术风格效果的图像。随着人们思维的改变，画家的趣味在改变，艺术作品的层出不穷所得大量的艺术风格多种多样，使得计算机图形学界的研究者在图像渲染的过程中，须要做出更大的努力去探索和尝试，研究出更多更好的渲染方法去满足更多人们

18、对计算机艺术效果的要求。 第二章 水彩画模拟2.1传统水彩画绘制2.1.1传统水彩画特征水彩画兼容中西绘画之长，具有抽象之美的特征，完美地结合了人们的思想内容和艺术形式，使生活中的万事成物被加工成为一种独特的艺术美。在当今绘画艺术中越来越显得勃勃生机，水赋予色彩以生命，使颜色透明、富有流动性。这种流动性隐含着作者对客观世界认识的尺度，所以水是水彩画的灵魂。调色时,应掌握色与水的关系。水的作用并不只作用于稀释颜料，而是借助于它的流动、渗化、扩散、吸收、沉淀等效果来表现水彩画的特征。另外水彩画通常有透明水彩及不透明水彩两大领域之分：其主要是由它的颜料所决定的，当所选用的是透明颜料的时候，由于颜料本

19、身所具有的较低的散射性，所最终所绘制出来的水彩画具有透明的效果；相反，当采用不透明的透明时，并不能补充其很强的吸附性，从而干涉到颜料的透明度。而随着科技的进步，新的绘画材料的生产，20世纪水彩画已不再局限于透明水彩与不透明水彩两大范畴。2.1.2 传统水彩画基本技法在传统水彩画的绘画过程中，多种绘画技法有干画法、湿画法和特殊技法三种：首先是干画法：即在底色干透之后再进行重叠添加或连接其它色块的画法。是水彩画技法中最基本的画法，其特点笔触显明,形象清晰,适宜表现对比明确、质感坚实的对象, 在干底上着色容易产生强烈、突出、实在、坚硬、粗糙等效果,适合表现近处的树干、山石、建筑等细部刻画,纸纹较粗而

20、运笔较快时会出现飞白,表现水面闪光、树的枝梢等,效果生动自然。其次是湿画法：是利用水色未干,较快的在湿底上添加的方法。湿画法也是水彩画的基本手法之一。湿画法的艺术效果含蓄滋润、朦胧淋漓,所以适宜于表现轮廓模糊的远景、质地圆润、光滑的物体。湿画法在湿底上着色容易产生模糊、柔软、平滑等效果,适宜表现雨雾天气、潮湿的环境以及充满水分感的物体等。另外还有特殊技法：如撒盐法，盐具有吸水性,利用这一特性,能够在画面中产生特殊的肌理效果，可以形成了奇异美丽的雪花斑点；另外还有刮色法和上蜡法等等。往往对绘画技法的综合来体现笔触和水及颜料在画面上的相映生辉。2.2 非真实感水彩画绘制 2.2.1 非真实感水彩画

21、产生及发展计算机产生非真实感水彩画，其最初的方法是基于物理模拟的方法:1991年Small的细胞自动机(Cellular Automata)理论，用来模拟颜料与水的交互作用，获得较为逼真的水彩画模拟效果。Cassidy在Small工作基础上，提出一种基于物理的方法,主要思想是使用三层模型:浅水层、颜料沉积层、毛细作用层来模拟流体的流动和颜料扩散，并且使用精细的纸模型以及颜色层的光学合成。如图2所示三层模型。这种方法产生的水彩画更接近于真正的水彩画效果,如图3所示它是由三层模型所生成的水彩画效果，但计算量相当大,共有11个光滑面合成,反复执行模拟器2750次;另一个是Van Laerhoven等

22、提出的交互式模拟水彩画的绘制过程，也是基于三层模型；Lum和Ma所描述的是一种基于纹理的方法,由一些半透明的颜料层合成最终的结果。它允许绘制3D场景，但是不可以实时绘制;Burgess24描述了相拟的系统，使用Wyvill 噪声产生笔刷；Lei和Chang是基于简单的空间过滤来模拟水彩画最主要效果，例如使用Sobel滤波器产生边缘暗色化；最新一种方法是2006年Thomas Luft 和Oliver Deussen26提出的基于图像处理的方法来实现水彩画,这是水彩画模拟仿真过程中的一个创新，它强调图像的分割、滤波与合成，最终的水彩画由多个层合成，不同于物理模拟的方法，该方法使水彩画的绘制更加简

23、单化,但忽略了由于颜料扩散所产生的自然纹理，如图4所示，它是由图像处理的方法所生成的水彩画效果。图2 三层模型三层模型分别为：浅水层、颜料沉积层、毛细作用层它们在绘制的过程中是互相作用的，并且会产生不同的结果，详细介绍如下：第一层是浅水层：用于模拟颜料和水在纸张表面上的作用,在这第一层中，首先须要模拟纸张及其湿区域的掩膜，当水流经湿区域掩膜指定的纸张区域时，颜料在水中浮起并被水传送到不同的地方，为了模仿这种水流，尤其要考虑水速、水压、颜料浓度和纸张厚度等等。在浅水层中，水的流动被限制在湿区域掩膜范围内，由于水的流动，会使颜料向前流动，再次沉积在纸上，在这个模拟过程中也须注意各种各样的相关因素的

24、影响。最后一层是毛细作用层：本层模拟水在纸张毛孔的迁移（也叫做吸附），它允许纸张湿区域的扩张。将根据纸的水饱和度或液体容纳能力处理湿区域掩膜，所以纸张在毛细作用层中，湿区域会逐渐扩展。 图3(a)原照片 图3(b)水彩画图4(a)原照片 图4(b)水彩画2.2.2非真实感水彩画特征根据传统水彩画绘制的主要特征，以及研究国外大量非真实感水彩画的文献，使我们总结出非真实感水彩画的特征及绘制目标：从艺术角度观察使其达到流动性、湿润性、透明性和光亮等效果；从绘制的角度来观察,绘制出边缘的暗色化、颜料的颗粒、流动图案的效果以及纸张的粗糙程度所引起的不同纹理才能达到水彩画的要求。绘制水彩画的过程中最基本的

25、要素就是笔刷，笔刷技术主要有两种:一是湿到湿的绘制，也就是说纸上己渗透有大量的水分，即在湿的纸张上进行绘制，笔刷上的颜料可在纸上自由扩散，从而达到一种湿到湿的绘制技巧。另一种是湿到干的绘制：即纸张是干的，而湿的笔刷在干的纸张上进行绘制所产生的效果就达到了湿到干的效果。通过这两种技术，将笔刷及颜料到纸上的应用，将会体现出水彩画最独特的特征效果：主要有干刷效果、边缘暗色化、颜料扩散、流动图案、纸张纹理等。下面将做详细的分析和介绍：干刷效果：主要用于物理建模的过程中，当刷子几乎是干的时候，主要应用于特定的角度，仅绘制纸上粗糙并凸起的部分，留下不规则的间隔和不齐的边缘，在基于图像处理的模拟过程中，一般

26、不考虑这种情况。边缘暗色化:当水彩颜料涂在干的水彩纸张上时，由于水的表面具有张力将束缚颜料在纸张表面上的自由扩散。当纸张上湿区域的边缘慢慢变干时，随着水分蒸发，湿区域内部的水只好补充过来。这也使颜料随水移动到图案的边缘，使得这些地方的颜色比内部深一些。在此过程中，当绘制时由湿到干的过渡过程中，同时会使颜料从内部向边缘移动，造成了颜料由内向外扩散，最后再随着水分的蒸发和纸张表面的张力使得边缘的颜料暗色化，这个过程是计算机模拟水彩画中一个比较重要的环节，也是水彩画最突出的特征。颜料扩散：无论是传统水彩画还是计算机模拟水彩画，颜料的扩散效果都是水彩画绘制中不可缺少一个过程。从形状上看颜料是较小而单独

27、的小颗粒，当颜料渗透到纸上，一旦渗入就会通过纸张纹理而发生扩散现象，一些颜料在粗糙的纸上呈现出颗粒，另一些展示出凝结状。颜料颗粒会产生一种粒状纹理，它强调纸张表面上的高低点，由于来自颜料中的颗粒是不同的，当纸张表面是湿的时候，颜料会显得比较浓一些，反之会显得淡一些。颜料的分离也就是颜色的分离，当颜色不同或浓度差别相当大时，将会发生颜色的分离。流动图案：在完成了颜料扩散之后，当采用的是湿到湿技术来实现颜料扩散的时，由于湿的笔刷在湿的纸张是进行绘制，颜料和水就会随机地不同方向流动，这里就会产生一些流动的图案，同时由于纸的结构和较小的压力，随着水流动的方向还会产生不同的羽状效果。光照：在水彩画的产生

28、的过程中另一个比较重要的技术是上釉，也就是所谓的上光，在进行水彩画模拟仿真的过程中，通常用光照来实现这种效果。上釉是一种增加一层比较薄暗淡的光，从而得到比较清晣的光照效果。2.2.3非真实感水彩画绘制方法从非真实感绘制发展以来，国内外所研究的绘制方法在不断地创新和进步，水彩画的绘制也在不同时期得到了不同的改进。大致经历了交互式的水彩画绘制、自动水彩画两个大的阶段。交互式的水彩画绘制：交互式绘制的应用允许用户描述水彩模拟器的初始条件。使用交互式的绘制，用户可以方便的输入和调整所须要的信息，根据一定的操作步骤来实现想要的结果。用户为模拟器设立一个或多个上釉，每个平滑作用于颜料和水和湿区域的下一层，

29、对每个上釉来说都有共同的参考图像和纸的纹理的图案阴影。每个光滑面中的物理参数的调整可以被自由控制，例如边缘暗化和颗粒大小也可以多次反复模拟和调整。通过光滑面的着色图来描绘颜色通道，每个颜料使用圆形的笔刷和高斯扩散被独立的着色，笔刷的大小、半影和全部的参数可被调整，一个颜料的调色板和一个光滑面可在黑白背景上来定义，通过使用一个采摘器（HSV色彩模型(Hue 色度, Saturation 饱和度, Value 纯度)）通过文件来装载预先确定的颜料。对于每一个颜料，密度，着色力度和粒度都可被用户控制。湿区域可以用一个类似的刷子直接绘制或直接从一个参考图像中用剪切工具选择一个，当刷子触到纸上时用户也可

30、能通过设置其深度来得到干刷效果，虽然水彩模拟器在交互运行时比较慢，但在使用K-M模型时使用实时绘制可以使颜料的合成比较光滑，以及由模拟器产生的颜色效果也得到比较有效的再现。参考图像和纸的纹理，以及光滑面的设置都可直接使用已经拥有的，同时也可以结合的方式显示出来，另一个特点是绘制窗口可以显示较小的光滑面的布景。图5为交互式的水彩画绘制系统21。图5交互式的水彩画绘制系统图像的自动水彩化：它是一个自动绘制的应用系统，可以使一彩色图像按一定的设置自动转换成一个水彩画，一旦不光滑的部分被提取就会有顺序地选择和设置颜色，每个光滑面一种颜料。在测试中，作者采用一种商业的绘制程序很快地产生这些区域，也能通过

31、图例来选择颜色，这样可以代替使用最优化的程序来计算而得到。此系统的执行程序分两步：第一步是颜色的分离，在每个光滑面上最理想的颜色分配会使生成的水彩画更理想。第二步是一个笔画的绘制。通过增加水和颜料混合的画笔来试图在光滑面上使颜料更理想地分配。 第三章 算法实现3.1系统整体结构基于物理模拟的方法能较好地突出水彩画的逼真效果，但计算量相当大，总结出一种采用基于图像处理的非真实感模拟方法来实现水彩画的绘制。算法流程如图8所示。整个程序共包括了五大功能模块：第一大模块是原图像的初始化。第二是将彩色图像二值化并进行边缘检测；第三是对已经暗色化的图像进行颜料扩散处理；第四是对扩散后的图像进行流动图案的处

32、理。最后将处理后的图像与水彩画纸张进行融合，实现了水彩画的纸张纹理，最终达到良好的水彩画模拟仿真效果。各模拟的功能描述如下：(1)首先对输入的原图像或照片进行图像的数字化处理，保存其矩阵大小及颜色信息并存入三维数组，然后进行一系列的初始化；(2) 其次将彩色图像进行二值化处理，以便于更简便的进行边缘检测，作为查找原图像边缘的条件以及对原图像的边缘进行边缘暗色化处理；(3) 然后就是把(2)所处理的图像进行颜料扩散处理，同时加入平滑滤波及彩色形态学的处理使颜料扩散后的图像产生一种平滑的效果；(4) 根据水彩画水和颜料随机流动后的效果，对扩散后的图像进行流动图案的处理；(5) 最后是水彩纸张纹理的

33、实现。3.1.1系统流程图输入原图像图像二值化并边缘检测原图边缘暗色化 开始形成暗色化图像 扩散处理流动图案纸张纹理 输出效果图图8：系统框架图3.2 算法实现及分析Step1:输入原照片 将原照片初始化，保存其信息并存储到数组 Step2:图像边缘检测 SE3=0 1 0;1 0 1 ;0 1 0 n=2 ImageDi= imdilate(ImageBi,SE3); ImageRo= imerode(ImageBi,SE3);将图像二值化后，设计结构元素SE3，并取尺度n=2对二值图像进行多尺度形态学操作，检测到图像边缘，并存入数组ImageEdge。、分别为多尺度膨胀、腐蚀运算。Step

34、3:边缘暗色化操作For i=1 to M doFor j=1 to N do=-30if (ImageEdge (i,j)=1) A1=ImageEdge(i,j,1);A2=ImageEdge(i,j,2);A3=ImageEdge(i,j,3); if (A1A2 & A1A3) h=A1; if (A2A1 & A2A1 & A3A2) h=A3; for k=1:3 if (ImageEdge (i,j,k)=h ImageEdge(i,j,k)=h-3; else J1(i,j,k)=J1(i,j,k)+; end end end 在检测到图像的边缘像素坐标时，对边缘象素值做特定的

35、改变就可以得到暗色化的效果，作为颜色变化参数，对原图像边缘进行暗色化处理，得出暗色化图像。Step4:水彩颜料扩散文中采用八领域内的扩散算法，首先随机产生扩散方向 (,)，作为扩散效果图、为加权平均值，For i=1 to M do For j=1 to N do endend判断(x,y)；首先(x,y)的像素坐标值必须在规定的范围之内。当(x,y)像素不符合扩散条件，则放弃此像素的操作，否则（不超出矩阵范围）才能执行以下扩散操作：Step5:重复执行Step4,完成两次扩散同一图像扩散次数不同，其效果会有较大差别。当图像大部分内容是较细笔画时，仅须扩散一次，多次扩散会使图像发生失真现象；相反，当图像大部分内容是较粗笔画时，须扩散两次。这样会使扩散效果更加明显。Step6:产生流动图案 SE3=0 1 0;1 0 1 ;0 1 0SE4=0 1 1 0;1 0 0 1;1 0 0 1;0 1 1 0SE5=0 1 1 1 0;1 0 1 0 1;1 1 0 1 1;1 0 1 0 1;0 1 1 1 0 ：空间转换for i=1 to M do for j =1 to N do for k=1 to 3ImageFlHSV=imclose(ImageDiffHSV(i