探析多尺度筆刷的分層油畫風(fēng)格化

劉紅

摘要：在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)非真實(shí)感繪制領(lǐng)域中，基于圖像的油畫風(fēng)格化繪制是一個(gè)熱點(diǎn)研究方向。為了對(duì)油畫風(fēng)格化質(zhì)量進(jìn)行有效把控，人們提出了一種多尺度筆刷的分層油畫繪制算法。這種算法對(duì)真實(shí)的油畫繪制過(guò)程進(jìn)行了模擬，基于筆刷尺度的差異，從粗到細(xì)來(lái)繪制油畫，得到的結(jié)果也比較理想。本文對(duì)不同的油畫風(fēng)格化方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，基于此來(lái)結(jié)合多尺度筆刷的分層油畫分層化繪制算法進(jìn)行探討，以供參考。

關(guān)鍵詞：多尺度筆刷;分層油畫;風(fēng)格化

一、引言

所謂的圖像風(fēng)格化，指的就是以非真實(shí)感渲染展開的一種研究，其在基于對(duì)圖像關(guān)鍵視覺信息的保留的情況下，能夠給人一種特別的藝術(shù)風(fēng)格。而油畫作為一種具有悠久歷史的藝術(shù)表現(xiàn)形式，將圖像風(fēng)格化與其相結(jié)合成為了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。為了將油畫的逼真感充分表現(xiàn)出來(lái)，很多傳統(tǒng)圖像油畫風(fēng)格化都會(huì)選擇調(diào)整油畫筆刷大小與方向等特性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)油畫的模擬，再比如通過(guò)某些途徑來(lái)進(jìn)行紋理合成，以參考油畫圖像為依據(jù)將其中的紋理與目標(biāo)圖像相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)油畫風(fēng)格化。不可否認(rèn)，現(xiàn)階段在油畫風(fēng)格化上某些算法取得了不錯(cuò)的效果，然而這些途徑與實(shí)際繪畫過(guò)程并沒有聯(lián)系。針對(duì)此，筆者以多尺度筆刷為基礎(chǔ)，對(duì)分層油畫風(fēng)格化算法進(jìn)行探討。

二、油畫風(fēng)格化概述

（一）基于筆刷的風(fēng)格化

油畫風(fēng)格的模擬可以通過(guò)對(duì)筆刷尺寸、方向的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用這種方法，需要對(duì)參考圖像層進(jìn)行構(gòu)建，并將多層繪制技術(shù)融入其中，基于此來(lái)繪制靜態(tài)圖像。具體來(lái)講，在參考圖像層的構(gòu)建過(guò)程中，使用的工具僅僅是高斯濾波，這與真實(shí)的繪畫過(guò)程并沒有直接聯(lián)系?；诖耍瑸榱耸褂彤嬓Ч呌谡鎸?shí)，有人提出以光照模型為基礎(chǔ)來(lái)繪制油畫，即對(duì)筆刷的透明度、高度等進(jìn)行調(diào)整。還有研究者融合了油畫風(fēng)格化與圖像分割，以圖像中的語(yǔ)義信息為依據(jù)來(lái)對(duì)筆刷進(jìn)行繪制。

（二）基于紋理合成的風(fēng)格化

利用紋理合成技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)參考圖像風(fēng)格的模擬，從而實(shí)現(xiàn)圖像風(fēng)格化即基于紋理合成的風(fēng)格化。例如通過(guò)圖像類比，將亮度通道作為特征空間，利用參考圖像對(duì)于目標(biāo)圖像逐像素的多尺度匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)圖像與參考圖像風(fēng)格上的趨同。再比如將風(fēng)格圖像中的與風(fēng)格相關(guān)的區(qū)域提取出來(lái)并與源圖像融合，同時(shí)基于此將衡量目標(biāo)圖像梯度的指標(biāo)加入其中，既將圖像紋理風(fēng)格呈現(xiàn)出來(lái)，也實(shí)現(xiàn)了對(duì)源圖像方向特征的保留，最終提高了繪制結(jié)果的真實(shí)感。這種方法適用于紋理比較明顯的圖像，其繪制出的油畫結(jié)果也比較理想，當(dāng)然部分圖像的紋理比較模糊，那么這種方法則并不適用。

（三）物理過(guò)程建模的風(fēng)格化

在繪畫過(guò)程中，利用筆刷的變形數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建模型，從而實(shí)現(xiàn)圖像風(fēng)格化即指的是物理過(guò)程建模的風(fēng)格化。有人在繪制水墨畫時(shí)構(gòu)建模型，并分別利用水與墨的擴(kuò)散建模，此外還對(duì)紙的特性予以了考慮，基于此來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像風(fēng)格化。再比如有人對(duì)油畫實(shí)時(shí)繪畫系統(tǒng)進(jìn)行仿真處理，對(duì)筆刷、油彩與畫布間筆刷的交互進(jìn)行了模擬，從而使用戶在油畫創(chuàng)作中能夠增加更強(qiáng)的真實(shí)感。

（四）基于深度學(xué)習(xí)的風(fēng)格化

有人通過(guò)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)圖像不同層級(jí)的特征提取出來(lái)，并將內(nèi)容圖像與風(fēng)格特征結(jié)合到一起，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)格化。還有研究者對(duì)感知損失函數(shù)加以利用，同時(shí)基于預(yù)訓(xùn)練模型對(duì)圖像生成時(shí)間進(jìn)行縮減處理，使得風(fēng)格化變的更加高效。還有人基于對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)，利用生成網(wǎng)絡(luò)與判別網(wǎng)絡(luò)的競(jìng)爭(zhēng)來(lái)實(shí)現(xiàn)油畫風(fēng)格化質(zhì)量的提升。再比如將自編碼器運(yùn)用于對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)中，監(jiān)督圖像與因變量，以此來(lái)把控油畫風(fēng)格化結(jié)果。這些方法獲取的的結(jié)果可能比較理想，然而在黑盒模擬中其實(shí)往往難以控制油畫風(fēng)格。并且這些方法更多的是強(qiáng)調(diào)油畫風(fēng)格化結(jié)果，而對(duì)繪畫過(guò)程不夠關(guān)注。

三、算法實(shí)現(xiàn)

筆者基于前人研究成果，對(duì)真實(shí)的油畫繪制過(guò)程進(jìn)行了分析與研究，圍繞以多尺度筆刷為基礎(chǔ)的分層油畫風(fēng)格化繪制算法進(jìn)行探討，具體闡述如下：

（一）增量Voronoi序列采樣

本算法是以Voronoi序列采樣為基礎(chǔ)來(lái)對(duì)筆刷位置加以確定的，在油畫繪制過(guò)程中，背景與細(xì)節(jié)分別會(huì)采用大、小筆刷。筆者以增量式采樣為基礎(chǔ)對(duì)其進(jìn)行模擬，其中增量Voronoi序列在藍(lán)噪特性方面具有比較突出的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也可以在任何位置終止算法并得到序列，其中的樣本分布情況也比較良好。

（二）圖像切線方向場(chǎng)

本算法是以結(jié)構(gòu)張量的特征向量為基礎(chǔ)來(lái)對(duì)圖像切線方向場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算的。筆刷流線方向與切線方向場(chǎng)指導(dǎo)方向一致。首先，算法會(huì)通過(guò)Sobel濾波獲取x、y方向上的圖像梯度，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)張量進(jìn)行構(gòu)建，基于此將圖像上的方向變化率呈現(xiàn)出來(lái)并進(jìn)行特征向量進(jìn)行求解，以此對(duì)筆刷流線進(jìn)行指導(dǎo)。

（三）分層油畫繪制算法

多尺度筆刷的分層優(yōu)化風(fēng)格化繪制算法會(huì)從粗到精對(duì)油畫的繪畫過(guò)程進(jìn)行模擬，并以筆刷大小為依據(jù)，對(duì)繪制過(guò)程進(jìn)行分層。每層繪制過(guò)程中，算法都會(huì)以目標(biāo)圖像、目標(biāo)圖像的切線方向場(chǎng)、現(xiàn)有的畫布內(nèi)容以及其他信息來(lái)對(duì)繪制方式加以確定。此外，該算法以生成的筆刷流線為基礎(chǔ)，通過(guò)紋理貼圖的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)繪制過(guò)程。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)多尺度筆刷的分層油畫繪制算法進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，這種算法是基于對(duì)多尺度筆刷的運(yùn)用，由大到小對(duì)油畫進(jìn)行了分層并依次進(jìn)行繪制，對(duì)油畫繪制的真實(shí)過(guò)程做出模擬。每層繪制都會(huì)通過(guò)增量Voronoi序列對(duì)筆刷位置加以確定;同時(shí)通過(guò)結(jié)構(gòu)張量對(duì)切線方向場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，最終對(duì)筆刷流線方向提供指導(dǎo)。受限于篇幅，筆者僅對(duì)該算法進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，并對(duì)其提高油畫結(jié)果的效果進(jìn)行了闡述，關(guān)于算法的其他內(nèi)容依然有很大的研究空間。

參考文獻(xiàn)：

[1]王濤.多尺度弧形筆刷繪畫渲染淺析[J].科技廣場(chǎng)，2014（10）：76-79.

[2]王濤，高賢強(qiáng).一種多筆觸各向異性梵高風(fēng)格油畫的渲染方法[J].計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化，2017，36（2）：125-128.

[3]李春生，袁玉珍.油畫創(chuàng)作中計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的應(yīng)用[J].電子測(cè)試，2013（11）：284-285，288.

[4]李凱歌.淺談?dòng)?jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)油畫創(chuàng)作的影響[J].電腦迷，2017（16）：11.

[5]盧少平，張松海.基于視覺重要性的圖像油畫風(fēng)格化繪制算法[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2010，22（7）：1120-1125.