寫(xiě)意水墨動(dòng)態(tài)建模與渲染算法的人工智能實(shí)現(xiàn)

陳菁 張平 梁麒麒

摘 要：寫(xiě)意水墨是中國(guó)文化的精髓，是中國(guó)文化在國(guó)際文化市場(chǎng)中的名片。然而，國(guó)內(nèi)的游戲界很少采用寫(xiě)意式的畫(huà)面呈現(xiàn)方式，對(duì)游戲畫(huà)面進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)渲染。其根本原因是寫(xiě)意畫(huà)的畫(huà)面結(jié)構(gòu)復(fù)雜、元素多、終端計(jì)算能力和渲染周期每秒不能達(dá)到30幀以上的游戲畫(huà)面的染色效果。通過(guò)本文的分析，通過(guò)簡(jiǎn)化模型和對(duì)色彩邏輯的優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)寫(xiě)意水墨畫(huà)風(fēng)格動(dòng)畫(huà)的動(dòng)態(tài)繪制。

關(guān)鍵詞：人工智能實(shí)現(xiàn);寫(xiě)意墨水動(dòng)態(tài);繪制算法

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-0905（2020）20-0-02

渲染是CG的最后一個(gè)過(guò)程，也是使您的圖像與您的3D場(chǎng)景匹配的階段。在英語(yǔ)中，它被稱(chēng)為渲染，有些人稱(chēng)它為陰影，但通常陰影被稱(chēng)為陰影，而渲染稱(chēng)為渲染。因?yàn)殇秩竞完幱笆?D軟件中的兩個(gè)重要概念。雖然它們的功能非常相似，但它們都是一種顯示方案，它在3D軟件的主窗口中有很好的顯示效果。它在觀(guān)察模型以及三維模型的線(xiàn)框中起著輔助作用。顯然，陰影模式對(duì)我們來(lái)說(shuō)比線(xiàn)框模式更容易理解模型的結(jié)構(gòu)，但它只是一個(gè)簡(jiǎn)單地顯示，在數(shù)字圖像中稱(chēng)為陰影。先進(jìn)的3D軟件，如瑪雅，你可以使用陰影來(lái)顯示簡(jiǎn)單的光線(xiàn)，陰影和表面紋理效果。當(dāng)然，高質(zhì)量的陰影效果需要專(zhuān)業(yè)的3D圖形顯示卡來(lái)支持，它可以加速非計(jì)算機(jī)圖形轉(zhuǎn)換成高質(zhì)量的圖像，但是，無(wú)論如何優(yōu)化，都不能將顯示出來(lái)的三維圖形轉(zhuǎn)換成高質(zhì)量的圖像。由于硬件的速度限制，這是因?yàn)殛幱安捎玫氖菍?shí)時(shí)的，因?yàn)樗荒芊答伖饩€(xiàn)跟蹤文件，例如反射和折射。在實(shí)際工作中，我們經(jīng)常將模型或場(chǎng)景輸出為圖像、視頻信號(hào)或電影，這些都必須經(jīng)過(guò)渲染程序。[1]

作為意象繪畫(huà)的祖師爺——傳統(tǒng)中國(guó)繪畫(huà)，早在宋元時(shí)代無(wú)論是實(shí)踐還是理論就已經(jīng)建立了一個(gè)成熟的水墨畫(huà)形式語(yǔ)言系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)建立在對(duì)客觀(guān)事物有著強(qiáng)烈的主觀(guān)感受基礎(chǔ)上，具備鮮明的有意味的形式主義特征。寫(xiě)意水墨是描述風(fēng)景的一種簡(jiǎn)單方式，寫(xiě)意水墨大多是表現(xiàn)生活場(chǎng)景、抒發(fā)情感來(lái)表現(xiàn)的，多使用率真筆法和墨色飛揚(yáng)。寫(xiě)意筆法與工筆筆法相比，更能反映風(fēng)景的神韻，更能直接表達(dá)作者的情感。寫(xiě)意筆法表現(xiàn)為中前、側(cè)前、反前，寫(xiě)意繪畫(huà)是在長(zhǎng)期的藝術(shù)實(shí)踐中逐漸形成的。其中，自由畫(huà)家的參與對(duì)寫(xiě)意繪畫(huà)的形成和發(fā)展起到了積極的作用。據(jù)說(shuō)唐朝王煒以其優(yōu)秀的詩(shī)歌和繪畫(huà)而聞名，所以他的繪畫(huà)后人稱(chēng)之為“詩(shī)在畫(huà)，畫(huà)在詩(shī)”。他“改變了傳統(tǒng)的方法”，用“輕墨清筆”的方法，把水墨拼湊在一起。五代先秦時(shí)期畫(huà)家徐禧先是寫(xiě)花的板、葉、雌蕊、花萼，再略施淺色，創(chuàng)造出徐式的“墨滴法”。[2]

一、寫(xiě)意水墨渲染的難度

我們可以看出寫(xiě)意水墨的隨意性和隨機(jī)性，其重置和復(fù)制的難度比較大。在過(guò)去，物理引擎、粒子引擎和光引擎經(jīng)常被用來(lái)繪制真實(shí)的紅外動(dòng)畫(huà)，而最終的渲染則是在復(fù)雜的粒子部件下進(jìn)行的。工作流程和處理程序都比較煩瑣，一個(gè)工作站渲染一個(gè)幀通常需要幾個(gè)小時(shí)甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。但是在游戲和其他場(chǎng)景的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)渲染下，一般移動(dòng)終端的幀速率要求達(dá)到30幀/s。此時(shí)，不可能采用傳統(tǒng)的邏輯規(guī)劃方法。例如下圖1所示：

通過(guò)對(duì)寫(xiě)意繪畫(huà)風(fēng)格的分析，采用潑墨、水墨、干筆等技法，使寫(xiě)意畫(huà)層次分明，色彩多樣。顏料滲溢出的肌理與樹(shù)枝的生長(zhǎng)形態(tài)具有某種同構(gòu)關(guān)系，運(yùn)用自然滲化的方法表現(xiàn)密密麻麻的樹(shù)枝，更增添了畫(huà)面的自然天趣。要實(shí)現(xiàn)中國(guó)審美風(fēng)格的畫(huà)面，就必須與生動(dòng)的空白相配合。在過(guò)去，為了達(dá)到寫(xiě)意水墨的效果，我們需要逐個(gè)對(duì)水墨進(jìn)行建模和渲染，消耗大量的計(jì)算資源。采用墨塊繪制方法，分析了噴墨的多構(gòu)形原理，并對(duì)油墨塊控制的元件進(jìn)行了復(fù)位，也對(duì)透明度和噪聲貼圖進(jìn)行處理，可以有效減少繪制的計(jì)算量，實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)繪制。例如，在傳統(tǒng)模式下，色帶中大約有4000-6000個(gè)墨滴，每幀的渲染時(shí)間約為6000-9000秒（100-150分鐘），色帶被規(guī)劃為整個(gè)墨塊，并采用骨骼技術(shù)附著，用異色透明材料驅(qū)動(dòng)模型的單墨水塊繪制，實(shí)際繪制速度將小于1秒。采用緩存技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)每秒30幀以上的實(shí)時(shí)渲染。

二、水墨渲染軟件邏輯

一般幾何形態(tài)使用計(jì)算機(jī)以數(shù)學(xué)方法描述物體和它們之間的空間關(guān)系。通過(guò)二維圖形投影可在屏幕上生成物體，使用方程式產(chǎn)生直線(xiàn)和形狀，依據(jù)它們相互之間及與所在的二維或三維空間的關(guān)系精確放置。但是水墨渲染與幾何形態(tài)建模的程序略有不同。

首先，將組件的數(shù)量應(yīng)該大大減少。充分利用貼圖材料實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)的顯示。以流媒體為例，電影級(jí)渲染將使用組件實(shí)現(xiàn)每個(gè)紋理細(xì)節(jié)。此時(shí)，將形成大量的組分，每個(gè)組分都將獨(dú)立映射，進(jìn)行獨(dú)立的光學(xué)、粒子和物理計(jì)算，渲染需要很長(zhǎng)時(shí)間。通過(guò)對(duì)材質(zhì)的設(shè)置，能給模型賦予一定的顏色，為了能模擬出充滿(mǎn)變化并具有天然肌理的視覺(jué)元素效果，并為了表現(xiàn)這些豐富的效果，就需要為模型賦予某種特殊效果的圖像，稱(chēng)之為貼圖，用來(lái)模擬真實(shí)物體的紋理。當(dāng)使用紋理材質(zhì)來(lái)表示其細(xì)節(jié)時(shí)，一方面，構(gòu)件的結(jié)構(gòu)將得到最大程度地簡(jiǎn)化，另一方面構(gòu)件的數(shù)量也將大大減少。將其渲染時(shí)間壓縮數(shù)千次。

其次，充分利用渲染緩沖區(qū)算法。在組件的初始呈現(xiàn)之后，大多數(shù)引擎配置參數(shù)都保存在緩沖區(qū)中。因此，不需要逐幀計(jì)算引擎參數(shù)，而且可以大大減少渲染過(guò)程中前端引擎參數(shù)的計(jì)算工作量，使渲染時(shí)間縮短10倍至100倍。

在具體實(shí)施過(guò)程中，采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)繪制，如果要顯示手繪效果，關(guān)鍵技術(shù)是組件的透明度和層次性，此時(shí)，只需調(diào)整色塊的透明度即可實(shí)現(xiàn)，這一實(shí)現(xiàn)過(guò)程會(huì)經(jīng)過(guò)反復(fù)的嘗試和修改才能達(dá)到比較理想的效果。在固定構(gòu)件渲染參數(shù)配置下，這種繪制時(shí)間遠(yuǎn)小于復(fù)雜構(gòu)件組的獨(dú)立繪制。[3]

最后，采用多線(xiàn)程管理的思想，充分利用多核處理器的線(xiàn)程資源。在電影級(jí)寫(xiě)意水墨渲染過(guò)程中，GPU浮點(diǎn)運(yùn)算能力一般被用作主要的渲染計(jì)算資源，但對(duì)于家用電腦、手機(jī)、平板電腦等實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)渲染設(shè)備來(lái)說(shuō)，CPU的浮點(diǎn)運(yùn)算能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于GPU。但其多核計(jì)算機(jī)資源可以為軟件邏輯提供足夠的獨(dú)立線(xiàn)程資源。例如在8核CPU中，一個(gè)內(nèi)核運(yùn)行游戲引擎，一個(gè)內(nèi)核計(jì)算不同渲染引擎下的渲染參數(shù)，另外六個(gè)內(nèi)核根據(jù)梯度渲染圖像，實(shí)際渲染效率可提高6倍。即使核心無(wú)法在設(shè)計(jì)時(shí)間內(nèi)完成渲染，也可以實(shí)現(xiàn)幀跳轉(zhuǎn)處理。在30幀的游戲體驗(yàn)速度下，插入1-2幀的跳幀，不在肉眼可見(jiàn)的范圍內(nèi)，這種情況下游戲的畫(huà)面效果不會(huì)對(duì)游戲體驗(yàn)造成太大影響。

三、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本文的分析，以高通8核芯片為例，利用移動(dòng)終端以每秒30幀以上的速度實(shí)現(xiàn)具有近似寫(xiě)意效果的游戲動(dòng)畫(huà)的動(dòng)態(tài)渲染是可行的。雖然最終的渲染圖像不能達(dá)到電影級(jí)動(dòng)畫(huà)的水平，但它可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端動(dòng)態(tài)渲染技術(shù)在寫(xiě)意水墨風(fēng)格動(dòng)畫(huà)游戲中的應(yīng)用。這對(duì)弘揚(yáng)中國(guó)寫(xiě)意水墨文化具有積極意義。通過(guò)大色塊、低精度造型、高精度貼圖材質(zhì)和透明度控制，可以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似寫(xiě)意水墨的游戲藝術(shù)風(fēng)格。

參考文獻(xiàn)：

[1]周俊.寫(xiě)意水墨畫(huà)的形式語(yǔ)言[J].榮寶齋，2019（12）：194-205.

[2]張曉涵，杜士英.水墨寫(xiě)意風(fēng)格在CG插畫(huà)中的表現(xiàn)與運(yùn)用[J].漢字文化，2019（S1）：175-176.

[3]路萍.進(jìn)化著的水墨寫(xiě)意[J].美與時(shí)代（中），2018（02）：16-17.