基于圖像的鉛筆畫模擬繪制技術(shù)綜述

王凌云 潘齊欣

摘要：鉛筆畫運(yùn)用畫筆在平面上表現(xiàn)出萬物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、色調(diào)、空間、位置、明暗，是造型藝術(shù)的基礎(chǔ)，是科學(xué)、哲學(xué)、美學(xué)的世界。近年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及軟件技術(shù)的進(jìn)步，鉛筆畫逐步走上了數(shù)字領(lǐng)域。從非真實(shí)感鉛筆畫繪制技術(shù)的研究現(xiàn)狀出發(fā)，根據(jù)不同的分類方法分析目前鉛筆畫模擬繪制技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)未來的研究方向進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞： 非真實(shí)感； NPR； 鉛筆畫； 素描； 綜述

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）25-5976-03

Summary of Image-Based Pencil Simulation Rendering Technique

WANG Ling-yun，PAN Qi-xin

（KaiLi University， Information Engineering， KaiLi 556011，Guizhou，China）

Abstract：Pencil drawing uses the brush to show the shape ， structure， color ， space ， location ， light and shade on the flat for everything which is the basis of visual arts and the whole of science ， philosophy and aesthetics in the world. In recent years， with the development of computer and software technology， Pencil drawing gradually grows into the digital realm. The paper analyzes the advantages and disadvantages from the different classification way and the research status of the NPR which are based on pencil drawing， then make a prediction about the future research.

Key words：Non-photorealistic rendering； NPR； Pencil Drawing； Pencil Sketch； Summary

非真實(shí)感繪制（Non-photorealistic rendering， NPR）是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域里的一個(gè)分支，它忽略了圖像的精確性和真實(shí)感，主旨在于利用計(jì)算機(jī)生成具有某種藝術(shù)風(fēng)格的作品，表達(dá)圖形的個(gè)性和藝術(shù)性，更好的傳達(dá)設(shè)計(jì)者的思想。目前，非真實(shí)感繪制技術(shù)已經(jīng)可以模擬油畫，水彩畫，水墨畫、鋼筆畫、鉛筆畫等藝術(shù)特效，在很多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)手工鉛筆畫繪制專注于利用不同鉛筆的刻畫，對(duì)事物進(jìn)行一定的抽象和提煉，讓物體的高光、亮部、暗部和明暗交界處表現(xiàn)在紙張上，這不是所有人都能輕易掌握的技巧。因此，利用計(jì)算機(jī)模擬生成具有鉛筆畫藝術(shù)效果的圖片以及動(dòng)畫越來越受到研究人員的關(guān)注和重視。

1 基于圖像的鉛筆畫繪制技術(shù)分類

目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)于非真實(shí)感鉛筆畫繪制均有研究，可以根據(jù)其研究現(xiàn)狀分為以下幾類：正文內(nèi)容。

1.1 基于執(zhí)行方式分類

鉛筆畫生成方式可根據(jù)其執(zhí)行方式進(jìn)行分類：交互式鉛筆畫繪制和非交互式鉛筆畫繪制。交互式鉛筆畫繪制是指用戶可以通過控制畫筆的顏色，形狀，方向等元素，實(shí)現(xiàn)鉛筆畫的模擬繪制，例如著名的交互式繪圖系統(tǒng)Pencil Sketch[1]，這個(gè)系統(tǒng)允許用戶使用鼠標(biāo)同計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互，對(duì)鼠標(biāo)模擬出的畫筆進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，例如鉛筆的硬度，使用鉛筆的壓力，鉛筆繪制的方向等等。這種繪制方式的優(yōu)點(diǎn)在于用戶可以自行選擇在畫布上繪圖的工具，可以根據(jù)原灰度圖像的明暗程度選擇相對(duì)的筆觸濃度，可以觀察圖像選擇適當(dāng)?shù)墓P觸方向，即是說用戶和計(jì)算機(jī)可以隨時(shí)進(jìn)行交互，這就需要有大量的人力介入，建立復(fù)雜的模型，并且對(duì)用戶的繪畫功底有一定的要求，限制了該方式的使用。

非交互式鉛筆畫繪制則是由計(jì)算機(jī)自動(dòng)的模擬出具有鉛筆畫繪制風(fēng)格的圖像。Cabral和Leedom[2]在1993年提出的利用線性卷積技術(shù)（Liner Integral Convolution ，LIC）模擬鉛筆畫效果，在鉛筆畫仿真領(lǐng)域已是重要技術(shù)，之后由很多研究人員對(duì)該方法進(jìn)行了改進(jìn)，如Mao[3]等人提出的一種利用線性卷積LIC的方式直接將2D數(shù)字圖像轉(zhuǎn)化成鉛筆畫的鉛筆畫生成方法。由于LIC方法容易留下很多不必要的細(xì)節(jié)，基于這點(diǎn)，李龍生[4]等人使用傅里葉功率譜法生成鉛筆畫的輪廓特征，這一改進(jìn)使得繪制結(jié)果越來越接近手繪素描的結(jié)果。佟強(qiáng)[5]等人則是根據(jù)已有的素描風(fēng)格鉛筆畫自動(dòng)生成算法，在輸入的真實(shí)場(chǎng)景的二維圖像平面中引入一個(gè)虛擬的點(diǎn)光源，通過計(jì)算虛擬點(diǎn)光源位置，使其對(duì)原圖像的亮度梯度影響最小，繼而在最終的素描結(jié)果中表現(xiàn)出更強(qiáng)的光影效果。莫曉斐[6]等人則對(duì)物體的形體特征進(jìn)行分析，提出了一種可以根據(jù)圖像自身的形體特征信息自動(dòng)繪制鉛筆畫的鉛筆素描生成算法。

1.2 基于處理方式不同的分類

鉛筆畫生成方式根據(jù)處理方式的不同，可以分為二維鉛筆畫繪制和三維鉛筆畫繪制。二維鉛筆畫繪制往往是對(duì)已知的圖像進(jìn)行處理，將鉛筆畫定義成由矢量線段、繪制路徑和特征函數(shù)組成的數(shù)字圖像。如Henry Kang等人[7]提出了一個(gè)新的線提取函數(shù)：likehood函數(shù)，該函數(shù)能模擬畫家繪制素描的畫線過程，通過考慮特征尺度，線與線的細(xì)節(jié)和聚焦級(jí)控制在渲染的模糊程度，從而有效地找到真正的圖像形狀邊界，將2D圖像自動(dòng)生成線條圖。

三維鉛筆畫繪制主要是對(duì)三維模型的輪廓和紋理進(jìn)行渲染，可以比二維繪制提取更多的信息。國(guó)內(nèi)外關(guān)于三維鉛筆畫繪制技術(shù)已經(jīng)有了許多成果，如2012年NPAR會(huì)議中，香港中文大學(xué)Li Xu[8]提出對(duì)圖像的輪廓線使用自動(dòng)生成線條的技術(shù)，可以自然的生成各類筆畫效果，實(shí)現(xiàn)鉛筆畫中線條分岔的效果，而紋理渲染則是利用一個(gè)參數(shù)化模型擬合鉛筆素描色調(diào)，在細(xì)節(jié)上更進(jìn)一步的接近鉛筆畫的藝術(shù)效果。

1.3基于色彩模式不同的分類

鉛筆畫繪制根據(jù)色彩模式的不同，可以分為灰色鉛筆畫繪制和彩色鉛筆畫繪制。傳統(tǒng)的鉛筆畫繪制一般是指灰色鉛筆畫繪制，該繪制技術(shù)的基礎(chǔ)在于對(duì)輸入圖像進(jìn)行灰度變換，核心在于解決鉛筆畫的紋理模擬問題，是大多數(shù)國(guó)內(nèi)外研究人員關(guān)注的對(duì)象。李智慧[9]等人針對(duì)現(xiàn)有的NPR鉛筆畫繪制方法與真正手繪風(fēng)格的鉛筆畫之間的差異，提出來一種利用多層雙邊線條分別與不同方向的運(yùn)動(dòng)模糊來生成具有層次感的素描紋理生成方法。

彩色鉛筆畫繪制同灰色鉛筆畫繪制不同，彩色鉛筆畫繪制能借助不同的色彩增添圖像藝術(shù)效果，即比前者具備更多的色彩信息。謝黨恩[10]等人在傳統(tǒng)灰度鉛筆畫繪制的基礎(chǔ)上，提出了一種可以盡可能保留原始圖像色彩信息的二維彩色鉛筆畫繪制方法，使色彩失真得到一定的抑制。

1.4 基于紋理渲染方式不同的分類

鉛筆畫繪制還可以根據(jù)紋理渲染方式不同，將鉛筆畫繪制分為：使用特定紋理圖片與輪廓線融合的繪制方法；使用線性卷積的繪制方法；使用筆觸濾波器的繪制方法。第一種使用特定紋理圖片與輪廓線融合的繪制方法在NPR鉛筆畫繪制技術(shù)中十分常用，該方法往往伴隨著一個(gè)調(diào)整紋理圖像的參數(shù)，例如紋理圖片的透明度、色調(diào)、飽和度等。通過對(duì)參數(shù)的設(shè)置，生成可以跟隨圖像信息變換的紋理圖片，最后再與輪廓線融合生成鉛筆畫。第二種使用線性卷積的繪制方法是現(xiàn)今較主流的方法，往往先生成圖像的梯度向量場(chǎng)，然后將圖像按向量場(chǎng)的方向進(jìn)行卷積操作，這是最早用來實(shí)現(xiàn)鉛筆畫繪制的方法。第三種則是使用筆觸濾波器，即把該濾波器作為一個(gè)算子對(duì)圖像直接操作。

2 鉛筆畫繪制技術(shù)的展望

目前，鉛筆畫繪制技術(shù)還處在發(fā)展中，其發(fā)展時(shí)間短，相關(guān)研究不夠充分，應(yīng)用領(lǐng)域不夠廣泛，應(yīng)用技術(shù)也不成熟，但是，這并不影響鉛筆畫繪制技術(shù)的發(fā)展，相反，鉛筆畫繪制技術(shù)在今后有著很大的發(fā)展前途，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 影視制作領(lǐng)域

在傳統(tǒng)的影視制作領(lǐng)域中，宣傳片、影視廣告片、教育公益片、大型活動(dòng)策劃等視頻大多數(shù)是以真人為主角，難免會(huì)有些乏味，沒有創(chuàng)新，如果開發(fā)出一款鉛筆畫繪制軟件，可以將拍攝的視頻轉(zhuǎn)化為鉛筆畫風(fēng)格的視頻，或者將計(jì)算機(jī)生成的卡通動(dòng)畫轉(zhuǎn)換成具有鉛筆畫風(fēng)格的動(dòng)畫，其鉛筆畫本身簡(jiǎn)單明了，人物造型干凈生動(dòng)，可以在制作過程中提高效率，減少成本，讓觀眾在放松娛樂狀態(tài)接受信息，還能給觀眾帶來新穎的視覺感受。

2.2 數(shù)字娛樂領(lǐng)域

鉛筆畫風(fēng)格的APP，其畫風(fēng)干凈清新，從視覺上滿足消費(fèi)者的要求，如近年熱門的臉萌和Uface，可以讓使用者勾畫出自己的頭像，并加入各種表情，打造屬于自己的卡通形象，非常受大眾喜歡，再如Miniclip公司出品的《素描人》的涂鴉風(fēng)格動(dòng)作游戲，其游戲畫面非常精細(xì)，沒有粗糙感，關(guān)卡背景也相當(dāng)開闊有氣勢(shì)。但是這樣類型的游戲數(shù)量較少，和傳統(tǒng)的游戲相比，玩家更容易被這類游戲吸引，在游戲制作領(lǐng)域具有廣闊的前景。

2.3 藝術(shù)創(chuàng)作領(lǐng)域

傳統(tǒng)的素描畫繪制需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，并對(duì)繪制者的技術(shù)有較高的要求，如果開發(fā)出素描畫自動(dòng)生成軟件，幫助用戶創(chuàng)作出精美鉛筆畫風(fēng)格家庭、同學(xué)聚會(huì)相冊(cè)，可以給大家耳目一新的感覺。

2.4 非真實(shí)感領(lǐng)域

非真實(shí)感技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域都是相通的，也就是說，鉛筆畫中使用的圖像分割、輪廓提取、紋理渲染等技術(shù)可以很好的應(yīng)用到水墨畫、水彩畫等領(lǐng)域中，同理，水墨畫等其他非真實(shí)感藝術(shù)風(fēng)格生成技術(shù)也可以應(yīng)用到鉛筆畫繪制技術(shù)中，在非真實(shí)感技術(shù)領(lǐng)域有著重要的意義。

3 結(jié)論

本文介紹了非真實(shí)鉛筆畫繪制技術(shù)的研究背景和意義，對(duì)非真實(shí)感鉛筆畫技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，對(duì)不同分類方式進(jìn)行比較，并分析了該技術(shù)在影視制作、數(shù)字娛樂、藝術(shù)創(chuàng)作、非真實(shí)感領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用前景。

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