一種線條增強(qiáng)的烙畫藝術(shù)效果模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)圖形圖像處理中線條增強(qiáng)的、烙畫藝術(shù)效果的仿真繪制方法， 屬信息技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種線條增強(qiáng)的烙畫藝術(shù)效果模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，非真實(shí)感繪制（NPR :Non Photorealistic Rendering)技術(shù)成為圖形學(xué)的 研究熱點(diǎn)。非真實(shí)感繪制建立在人類感知的基礎(chǔ)上，結(jié)合了藝術(shù)的繪畫規(guī)則與科學(xué)的技術(shù) 方法，是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的有益補(bǔ)充。該技術(shù)主要通過計(jì)算機(jī)模擬生成具有卡通、油畫、水彩 等不同手繪風(fēng)格的圖像。它的特點(diǎn)在于表現(xiàn)圖形的藝術(shù)特質(zhì)、模擬藝術(shù)作品，甚至能表現(xiàn)出 人的主觀情感信息，在自然藝術(shù)風(fēng)格的模擬、圖像信息的增強(qiáng)、動(dòng)畫的生成、數(shù)據(jù)的藝術(shù)表 現(xiàn)以及醫(yī)學(xué)、建筑學(xué)、教育學(xué)等方面都發(fā)揮著越來越重要的作用。此外，非真實(shí)感繪制能適 應(yīng)圖像內(nèi)容信息，忽略次要細(xì)節(jié)，有效地將用戶的注意力吸引到關(guān)鍵或者重要的區(qū)域；能節(jié) 省大量的人力、物力、時(shí)間來完成用戶的意圖，例如動(dòng)畫的制作、藝術(shù)效果的生成等過程，提 高繪制效率，在影視作品、景點(diǎn)漫游、廣告宣傳、游戲娛樂、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)阮I(lǐng)域中，扮演著越來 越重要的角色。
[0003] 非真實(shí)感繪制技術(shù)側(cè)重模擬具有各種不同風(fēng)格的藝術(shù)作品，如油畫、水彩畫、鋼筆 畫、鉛筆畫、抽象畫等藝術(shù)風(fēng)格作品，然而，千百年來形成了眾多的藝術(shù)風(fēng)格作品，具有中國(guó) 民族特色的藝術(shù)作品包括：剪紙畫、重彩畫、烙畫、版畫等，利用計(jì)算機(jī)仿真具有烙畫藝術(shù)風(fēng) 格的繪畫作品，是非真實(shí)感藝術(shù)特質(zhì)模擬的一項(xiàng)重要技術(shù)，同時(shí)，也是非真實(shí)感繪制效果的 有益補(bǔ)充。
[0004] 烙畫藝術(shù)作品主要產(chǎn)于河南、河北、江蘇、安徽等地，同時(shí)，在云南省武定和麗江地 區(qū)也為其主要生產(chǎn)基地，具有民族和地域特色。烙畫作品用烙鐵為筆，高溫為墨，待烙鐵燒 熱后，在竹木、萌蘆、扇骨、梳篦、紙、絹等材質(zhì)上進(jìn)行藝術(shù)創(chuàng)作，作品中具有突出的線條、光 滑的邊緣等特點(diǎn)，作品一般呈焦、黑、褐、黃色，古樸典雅，清晰秀麗，其特有的高低不平的肌 理變化具有一定的浮雕效果，在把握火候、力度的同時(shí)，注重"意在筆先、落筆成形"，別具一 格。其悠悠古韻和現(xiàn)代人們的審美追求融會(huì)貫通，相得益彰，成為中國(guó)民族藝術(shù)的一朵奇 葩，并以其淳厚的藝術(shù)內(nèi)涵和生動(dòng)的歷史痕跡受到人們的喜愛。
[0005] 在非真實(shí)感繪制公知的技術(shù)中，王東等人采用紋理合成和紋理傳輸?shù)姆椒▽㈧o態(tài) 圖像渲染為烙畫風(fēng)格的藝術(shù)效果（〈系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2010, 22(12) : 2929-2933? ;此外，王東 等人采用動(dòng)態(tài)權(quán)重控制的變形及紋理傳輸方法模擬了萌蘆烙畫藝術(shù)風(fēng)格（〈計(jì)算機(jī)應(yīng)用， 2010, 30 (9) : 2473-2478? ;錢文華等人采用背景紋理合成及偏離映射的方法獲得了烙畫藝 術(shù)風(fēng)格（〈中國(guó)圖像圖形學(xué)報(bào)，2013,18(7) :836-843>);曹毅采用基于圖像的方法模擬繪制 了中國(guó)水墨畫藝術(shù)效果（〈吉林大學(xué)博士畢業(yè)論文，2012? ;陳釗針對(duì)具體場(chǎng)景設(shè)計(jì)了地 形處理部分和地形水墨渲染兩個(gè)模塊，設(shè)計(jì)了寫意水墨畫繪制系統(tǒng)（〈吉林大學(xué)碩士論文， 2011? ;Meng等人對(duì)人臉等結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了研究，采用變形、數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建實(shí)現(xiàn)了人物肖像 畫的剪紙效果（〈吉林大學(xué)博士論文，2012? ;周杰等人采用參數(shù)化方法模擬了亂針刺繡藝 術(shù)效果（〈計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2014,26(3):436-444>);陳圣國(guó)設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)輔 助亂針刺繡藝術(shù)效果模擬過程（〈計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2011，34(3):526-532>);鐘秋月從網(wǎng)格和紋 理貼圖的風(fēng)格化兩方面模擬皮影的風(fēng)格特征，設(shè)計(jì)了具有皮影風(fēng)格的人影三維模型（〈電 子科技大學(xué)碩士畢業(yè)論文，2012? ;黃華等（〈專利CN200910023002. 1>，2009)根據(jù)素描以 及人眼視覺的特點(diǎn)，生成素描風(fēng)格化的藝術(shù)效果；李云夕等（〈專利CN2001110210312. 1>， 2011)公開了一種計(jì)算機(jī)素描畫的生成方法及系統(tǒng)；董立新公開了一種基于圖像的水墨畫 畫風(fēng)圖像生成方法（〈專利CN201110208739. 8>，2011);郝雯公開了一種帶特征線風(fēng)格化的 三維風(fēng)格模型非真實(shí)感渲染方法（〈專利CN201010541055. 5>，2011)。錢文華公開了一種基 于非真實(shí)感的藝術(shù)插畫效果繪制方法（〈專利CN201210135344. 4>，2012)，之后，錢文華公 開了一種基于非真實(shí)感的鋼筆淡彩效果繪制方法（〈專利CN201210105833. 5>，2012)。
[0006] 相對(duì)公知的計(jì)算機(jī)非真實(shí)感烙畫等藝術(shù)效果模擬方法，本發(fā)明突出目標(biāo)圖像的線 條特征，以邊緣提取和細(xì)節(jié)增強(qiáng)為基礎(chǔ)，結(jié)合圖像濾波、圖像融合技術(shù)，提出一種線條增強(qiáng) 的烙畫藝術(shù)效果模擬方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種線條增強(qiáng)的烙畫藝術(shù)效果模擬方法，以解決上述背景 技術(shù)中提出的問題。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
[0009] -種線條增強(qiáng)的烙畫藝術(shù)效果模擬方法，包括如下步驟：
[0010] S1、前景圖像殼度彳目息提取
[0011] 求取輸入前景圖像I (X，y)的亮度圖像L(X，y):
[0012] L (x, y) = 0. 299 X Ir (x, y) +0. 587 X Ig (x, y) +0. 114 X Ib (x, y)
[0013] 式中：（x，y)表示象素的坐標(biāo)位置，IR(x，y)，IG(x，y)，I B(x，y)表示輸入圖像 I (x，y)的紅、綠、藍(lán)三通道值；
[0014] S2、邊緣提取
[0015] 求取亮度圖像L(x，y)的梯度，沿梯度方向使用高斯差分DoG濾波器進(jìn)行濾波，對(duì) L(x，y)中不同象素位置進(jìn)行濾波后，累積濾波響應(yīng)得到F(x，y):
[0016]
[0017] 式中，（X，y)表示某一象素位置，X表示象素的橫坐標(biāo)，y表示象素的縱坐標(biāo)，▽為 對(duì)亮度圖像L(x，y)求梯度操作，f(x，y)表示高斯函數(shù)的濾波器，參數(shù)T表示濾波器的大小 (2 < T < 10)，d(x，y)表示求偏導(dǎo)過程；
[0018] 將F(x，y)沿梯度方向積分以增強(qiáng)線條的連續(xù)性，得到結(jié)果圖像A(x，y):
[0019]
[0020] 式中，（x，y)表示某一象素位置，X表示象素的橫坐標(biāo)，y表示象素的縱坐標(biāo)， G。（X，y)是標(biāo)準(zhǔn)差為〇的一維高斯函數(shù)（0 < 〇 < 4)，參數(shù)s控制線條平滑的程度（2 < s < 12)，d(x, y)表示求偏導(dǎo)過程；
[0021] 通過（l+tanh(A(x，y)))與閾值τ比較（〇 < τ < 3)，二值化后得到一幅黑白的 邊緣圖像E(x，y):
[0022]
[0023] S3、線條增強(qiáng)
[0024] 對(duì)邊緣圖像E (X，y)進(jìn)行雙邊濾波處理，采用r (I < r < 6)的半徑大小對(duì)象素位 置為（X，y)的鄰域Sur(l < Sur < 9)進(jìn)行雙邊濾波，得到濾波結(jié)果圖像S(X，y):
[0025]
[0026] 式中，（x，y)表示某一象素位置，X表示象素的橫坐標(biāo)，y表示象素的縱坐標(biāo)， w (X，y)表示象素位置為（X，y)的象素值與周圍鄰域象素的誤差值，1表示象素位置為（X，y) 的象素與周圍鄰域象素之間的歐式距離，d(x，y)表示求偏導(dǎo)過程；
[0027] 計(jì)算邊緣圖像E(x，y)與濾波結(jié)果圖像S(x，y)的差值，累計(jì)到邊緣圖像E(x，y) 中，獲得線條增強(qiáng)的結(jié)果圖像R(x，y);
[0028] R(x,y) = (E (x, y)-S (x, y)) X c+E (x, y)
[0029] 式中，（x，y)表示某一象素位置，c控制細(xì)節(jié)增強(qiáng)的程度（I < c < 6);
[0030] S4、輸入背景紋理
[0031] 選取具有木紋、竹子、紙張等材質(zhì)的輸入圖像B(x，y)，作為最終線條增強(qiáng)的、烙畫 藝術(shù)效果的背景圖像；
[0032] S5、圖像融合
[0033] 將輸入圖像B (X，y)從RGB色彩空間轉(zhuǎn)換到LAB色彩空間，采用正片疊底的方法， 將線條增強(qiáng)的結(jié)果圖像R(x，y)與輸入圖像B(x，y)的亮度信息進(jìn)行圖像融合，獲得灰度的 烙畫藝術(shù)效果圖像P(x，y):
[0034]
[0035] 式中，（x，y)表示某一象素位置A (x，y)表示輸入圖像B (x，y)在LAB色彩空間中 L通道的值；
[0036] 在LAB色彩空間中，將輸入圖像B (X，y)的色彩值Ba (X，y)、Bb (X，y)傳輸?shù)交叶鹊?烙畫藝術(shù)效果圖像中：
[0037]
[0038] 式中，（X，y)表示某一象素位置，Ba (X，y)、Bb (X，y)表示輸入圖像B (X，y)在LAB色 彩空間中A通道和B通道的值，(\(x，y)、Oa (X，y)、Ob (X，y)表示最終的烙畫藝術(shù)效果圖像在 LAB色彩空間中L、B、A通道的值，將(X，y)、Oa (X，y)、Ob (X，y)從LAB色彩空間轉(zhuǎn)換回RGB 色彩空間，獲得最終的線條增強(qiáng)的烙畫藝術(shù)效果圖像〇(x，y)。
[0039] 本發(fā)明以數(shù)字圖像處理技術(shù)中的邊緣提取、細(xì)節(jié)增強(qiáng)技術(shù)為基礎(chǔ)，模擬出具有線 條增強(qiáng)的烙畫藝術(shù)效果，針對(duì)輸入的目標(biāo)圖像，給出了對(duì)彩色圖像進(jìn)行邊緣提取、圖像濾波 等方法，提出了將線條前景圖像融合到紋理背景圖像中的方法。本發(fā)明基于非真實(shí)感繪制 技術(shù)，需要兩幅輸入圖像，其中一幅作為前景圖像，用于提取線條，另一幅作為背景圖像，輸 入木材、竹子、紙張等紋理圖像，整個(gè)的繪制方法工藝流程為：首先，對(duì)輸入的前景圖像進(jìn)行 殼度?目息提取，獲得灰度圖像；接著，米用邊緣檢測(cè)方法提取灰度圖像的邊緣?目息，接著，對(duì) 邊緣信息進(jìn)行圖像增強(qiáng)；然后，輸入具有紋理信息的背景圖像；最后，將增強(qiáng)的線條圖像融 合到背景圖像中，獲得不同背景的烙畫效果。
[0040] 本發(fā)明提出一種線條增強(qiáng)的烙畫藝術(shù)效果模擬方法，利用計(jì)算機(jī)對(duì)輸入圖像進(jìn)行 處理，能獲得非真實(shí)感的、線條增強(qiáng)的烙畫藝術(shù)效果，針對(duì)輸入不同的前景圖像和背景圖 像，可獲得不同的烙畫藝術(shù)效果，線條增強(qiáng)的特點(diǎn)更符合烙畫的藝術(shù)品質(zhì)。采用DOG邊緣檢 測(cè)方法獲取前景圖像的邊緣信息，并對(duì)邊緣信息進(jìn)行細(xì)節(jié)增強(qiáng)處理，提取了更多的邊緣細(xì) 節(jié)，增強(qiáng)了邊緣的連貫性和流暢性，提高了模擬算法的效率。輸入不同前景圖像，同時(shí)通過 輸入不同的材質(zhì)圖像作為背景圖像，將前景圖像與背景圖像的融合，提高了靈活性，擴(kuò)展了 最終烙畫藝術(shù)效果的創(chuàng)作題材。建立了一種計(jì)算機(jī)模擬非真實(shí)感線條增強(qiáng)的、烙畫藝術(shù)效 果繪制方法，符合真實(shí)烙畫線條的特點(diǎn)，在影視作品、游戲動(dòng)畫、及廣告