一種將唐卡線描圖生成浮雕效果的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及浮雕效果生成方法，尤其涉及一種將唐卡線描圖生成浮雕效果的方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 唐卡繪畫，是在棉布或絲綢上表現(xiàn)佛教的神、場景或某種曼陀羅的繪畫作品，是藏 傳佛教和文化發(fā)展的產(chǎn)物。唐卡浮雕，是參照唐卡繪畫按照一定比例雕刻在木質(zhì)或石質(zhì)載 體上的浮雕，是當(dāng)代漢藏文化交流中出現(xiàn)的藏族佛教藝術(shù)新形式，對于藏傳佛教的發(fā)展和 漢藏文化的交流都有重要的意義。唐卡繪畫線條錯雜，色彩豐富，繪制耗時良久。在唐卡繪 畫的基礎(chǔ)上制作浮雕更是工藝繁雜，成本極高。因此借助計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)，從唐卡繪畫 快速生成浮雕效果，具有很大的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種將唐卡線描圖生成浮雕效果的 方法，該方法從一幅平面唐卡線描圖，通過少量的交互，生成符合唐卡浮雕特征的浮雕效 果?？紤]到唐卡浮雕表面的復(fù)雜特性，本發(fā)明基于泊松方程生成浮雕表面、利用距離變換調(diào) 節(jié)表面的方法，該方法能夠簡單且快速的調(diào)節(jié)參數(shù)，得到指定特征的浮雕表面。
[0004] 本發(fā)明的用唐卡線描圖生成浮雕效果的方法，包括以下步驟：
[0005] 1)使用圖像處理軟件對唐卡線描圖進(jìn)行修補(bǔ)噪點(diǎn)，連接斷線；
[0006] 2)細(xì)化圖像，將圖像細(xì)化成八鄰域連通的單像素線條圖；
[0007] 3)分割圖像，根據(jù)圖案的不同區(qū)域?qū)⑵浞指畛扇舾蓧K圖像并進(jìn)行填充，每一塊被 填充的圖像為一個浮雕區(qū)域；
[0008] 4)當(dāng)某塊圖像中存在被遮擋部分時，采用Bizier曲線，延伸該圖像的邊界遮擋點(diǎn)， 獲得該圖像完整邊界并將其填充；
[0009] 5)對每一個浮雕區(qū)域建立泊松方程模型如下：
[0011] 其中（x，y)為浮雕區(qū)域中點(diǎn)的坐標(biāo)，z(x，y)為待求解的每一點(diǎn)的高度，f(x，y)為泊 松方程的參數(shù)，以期望獲得的浮雕效果來設(shè)定該區(qū)域的約束條件，采用距離變換來控制f (x，y)為主要約束條件，采用邊界約束和表面細(xì)節(jié)約束作為補(bǔ)充約束條件；
[0012] 6)采用GPU迭代加速，根據(jù)約束條件求解獲得相應(yīng)浮雕區(qū)域中每一點(diǎn)的高度，得到 該區(qū)域相應(yīng)的高度圖；
[0013] 7)對高度圖三角化生成唐卡浮雕模型預(yù)覽，若不符合期望的效果則返回步驟5)， 調(diào)整約束條件直至達(dá)到期望的效果；
[0014] 8)將各個浮雕區(qū)域的高度圖疊加再三角化，得到最終的唐卡浮雕。
[0015] 上述技術(shù)方案中，步驟2)所述的細(xì)化圖像，將圖像細(xì)化成八鄰域連通的單像素線 條圖，包括如下步驟：
[0016] 1)使用一個八鄰域模板，對于每一個前景像素點(diǎn)P，考察其八領(lǐng)域的像素點(diǎn)P0-P7 八個點(diǎn)。從其右鄰像素點(diǎn)起逆時針依次定義為P0-P7。指定前景顏色為1，背景顏色為0。當(dāng)以 下四個條件同時滿足，才可標(biāo)記P點(diǎn)：
[0017] 2<N(P) <6
[0018] S(P) = 1
[0019] P2*P0*P6 = 0
[0020] P〇*P6*P4 = 0
[0021] 其中，N(P)為P的8鄰域點(diǎn)中非0的點(diǎn)的個數(shù)。S(P)為從P0到P7逆時針旋轉(zhuǎn)一周，像 素值從0到1變化的次數(shù)。
[0022] 在所有點(diǎn)循環(huán)訪問完之后，一次性將之前標(biāo)記的點(diǎn)刪除，即像素值變?yōu)?。
[0023] 3)第二階段同樣依次訪問每個前景像素點(diǎn)，同樣考慮其八鄰域的像素點(diǎn)。標(biāo)記P的 條件更改為同時滿足下列四個條件：
[0024] 2<N(P) <6
[0025] S(P) = 1
[0026] P2*P0*P4 = 0
[0027] P2*P6*P4 = 0
[0028] 同樣在訪問過程中對P進(jìn)行標(biāo)記，訪問完后將標(biāo)記過的點(diǎn)一次性刪除，得到四領(lǐng)域 連通線條圖。
[0029] 4)以上得到的圖像是四鄰域連通線條圖，后期的處理需求八鄰域連通線條，因此 改進(jìn)上面的算法在上述整個循環(huán)完成后，再做另一個循環(huán)以進(jìn)行邊角處理，將多余的四鄰 域連通的點(diǎn)去除。在該循環(huán)中，再次對于每一個前景點(diǎn)P，考慮其八鄰域的像素點(diǎn)，此時對刪 除P的條件更復(fù)雜一些，首先要滿足下列六個條件：
[0030] 2<N(P) <6
[0031] S(P) = lor S(P)=2
[0032] P2*P〇*P4 = 0
[0033] P2*P6*P4 = 0
[0034] P2*P0*P6 = 0
[0035] P0*P6*P4 = 0
[0036] 在滿足上述條件的情況下，滿足下四個條件中任意一個，即可將當(dāng)前的P置為0。
[0037] p〇*P2*(l-P5) = l
[0038] P2*P4*(1-P7) = 1
[0039] P4*P6*(1-P1) = 1
[0040] Ρ6*Ρ〇*(1-Ρ3) = 1
[0041] 經(jīng)過以上改進(jìn)后，可對輸入圖像進(jìn)行細(xì)化并得到八鄰域連通的單像素圖像，為之 后針對八鄰域骨骼的各項運(yùn)算做準(zhǔn)備。
[0042]將泊松方程參數(shù)f(x，y)對應(yīng)的圖像稱為F圖，步驟5)中所述采用距離變換設(shè)定約 束條件，實(shí)際是對F圖做約束，具體為計算每個像素點(diǎn)的距離場d(x，y)，令f(x，y)為：
[0044] 其中c為常數(shù)，f為背景區(qū)域，R為前景區(qū)域。
[0045] 計算每個像素點(diǎn)距離場的方法為本技術(shù)領(lǐng)域公知的方法，通常為：1)將前景區(qū)域 即非特征點(diǎn)的像素值置為正無窮，背景區(qū)域即特征點(diǎn)的像素值不變，公式如下：
[0047]其中，啦丨為初始時待計算圖像在（i，j)處的像素值，Pi, j為原圖像在（i，j)處的像 素值，V為背景區(qū)域，R為前景區(qū)域；
[0048] 2)對于上述非特征點(diǎn)區(qū)域，將掩模圖像中心像素點(diǎn)依次置于該區(qū)域中每個像素點(diǎn) A處，將掩模圖像的每個像素點(diǎn)B的局部距離與非特征點(diǎn)區(qū)域中被上述B點(diǎn)所掩蓋的相應(yīng)像 素點(diǎn)C的像素值求和，將其中最小值作為非特征點(diǎn)區(qū)域中A點(diǎn)的像素值。重復(fù)以上過程，直到 圖像中每個點(diǎn)的像素值不再變化，每個點(diǎn)的像素值即為其距離場。
[0049] 步驟5)中所述的邊界約束包括如下三種：
[0050] 1)對邊界的常數(shù)約束，即邊界處的高度值保持不變，如公式(2):
[0051 ] z(x,y)=c (2)
[0052]其中c為常數(shù)參數(shù);該約束多用于圖像的邊緣線條；
[0053] 2)對邊界梯度的常數(shù)約束，即將需要保持邊界梯度的區(qū)域使其高度圖邊界處保持 指定的梯度值，如公式(3):
[0054] z7 (x,y)=c (3)
[0055] 其中c為常數(shù)參數(shù);該約束用于少數(shù)區(qū)域，如臉部的眼瞼，某些衣服布料的邊角等；
[0056] 3)漸變約束，即對求解區(qū)域中局部區(qū)域的約束，使得在該區(qū)域和平滑表面之間獲 得漸變的效果，如公式(4)和公式(5):
[0057] z(x,y) = (l-c) X zn(x,y)+c Xzo(x,y) (4)
[0058] zn(x,y)=0.25X [z(x-l ,y)+z(x,y-l)+z(x+l ,y)+z(x,y+l)+f(x,y)] (5)
[0059] 其中c為常數(shù)參數(shù)，zn(x，y)為(x，y)上下左右四個鄰域點(diǎn)的高度加上f(x，y)后的 平均值，zo(x，y)為原始輸入圖的高度。
[0060] 步驟5)中所述的表面細(xì)節(jié)約束是指對F圖進(jìn)行表面細(xì)節(jié)調(diào)節(jié)，包括四種：
[0061] ①不改變 f(x，y);
[0062]②對原f (x，y)進(jìn)行正弦變換作為新的f (x，y);
[0063]③對原f (x，y)進(jìn)行反相作為新的f (x，y);
[0064]④對原f(x，y)先反相再作正弦變換作為新的f(x，y)。
[0065] 步驟6)具體包括如下步驟：
[0066] 1)將迭代公式(6):
[0068]寫入片斷著色器，其中為點(diǎn)（x，y)第n+l次迭代后的高度，h為兩個相鄰點(diǎn)的間 距；
[0069] 2)對每一塊浮雕區(qū)域，結(jié)合其相應(yīng)的F圖，繪制與該區(qū)域圖像分辨率同樣大小的矩 形區(qū)域，使GHJ執(zhí)行實(shí)現(xiàn)1)中定義好的片斷著色器；
[0070] 3)將離屏幀緩存的紋理和輸入紋理綁定交換，避免紋理之間的拷貝交換，減少每 一幀之間的處理時間；
[0071] 4)迭代計算后將數(shù)據(jù)從顯存中讀出并檢測是否已收斂，當(dāng)兩次迭代后的值變化大 小小于或等于設(shè)定值則收斂，若不收斂則回到2)繼續(xù)計算直到收斂。
[0072]本發(fā)明的有益效果在于：
[0073] 1.本發(fā)明對生成浮雕的圖像預(yù)處理做了研究，改進(jìn)了Zhang快速并行細(xì)化算法以 適應(yīng)浮雕的應(yīng)用，本發(fā)明修改并實(shí)現(xiàn)了基于多種子點(diǎn)的Flood Fill算法分割圖像，提出了 基于Bezier曲線的區(qū)域邊界平滑延伸方法。使得生成浮雕的圖像輸入能夠具有很大的靈活 性，并且可以處理較復(fù)雜的圖像。
[0074] 2.本發(fā)明在學(xué)習(xí)以往浮雕生成技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計了新的浮雕表面生成和調(diào)節(jié)的 方法，并應(yīng)用到唐卡浮雕的制作中。該方法能夠生成具有豐富的表面細(xì)節(jié)的浮雕表面，且通 過距離變換調(diào)節(jié)泊松方程使浮雕依然保持G2連續(xù)性，并且加入了邊界限制和表面細(xì)節(jié)。
[0075] 3.本發(fā)明利用GPU計算浮雕的高度圖，將浮雕曲面生成的效率大大提高。
[0076] 4.采用本發(fā)明的方法可以避免手工繪制唐卡以及在其基礎(chǔ)上制作浮雕的成本，可 以改變唐卡的背景或者不同圖案的組合。本方法直接生成三維浮雕效果，節(jié)省成本，便于傳 播。
【附圖說明】
[0077]圖1是細(xì)化圖像時米用的八鄰域不意圖；
[0078]圖2是細(xì)化圖像后獲得的八鄰域連通唐卡圖像；
[0079]圖3是唐卡面部分割圖像示意，根據(jù)圖案的不同區(qū)域?qū)⑵浞指畛扇舾蓧K圖像并進(jìn) 行填充，每一塊被填充的圖像為一個浮雕區(qū)域；
[0080] 圖4是手部遮擋區(qū)域擴(kuò)充示意圖；（a)為原始圖，（b)為對邊界遮擋點(diǎn)進(jìn)行延伸，（c) 為擴(kuò)充后示意圖；
[0081] 圖5是掩膜距離圖；
[0082] 圖6是唐卡面部浮雕三角化后的預(yù)覽；
[0083]圖7是唐卡整體浮雕效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0084]以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0085] 1)使用圖像處理軟件對唐卡線描圖進(jìn)行簡單修補(bǔ)噪點(diǎn)，連接斷線；
[0086] 2)細(xì)化圖像，將圖像細(xì)化成八鄰域連通的單像素線條圖，如圖1，使用一個八鄰域 模板，對于每一個前景像素點(diǎn)P，考察其八領(lǐng)域的像素點(diǎn)P0-P7八個點(diǎn)。從其右鄰像素點(diǎn)起逆 時針依次定義為P0-P7。指定前景顏色為1，背景顏色為0。當(dāng)以下四個條件同時滿足，才可標(biāo) 記P點(diǎn)：