中国水墨画的设色扩散与风格化绘制研究

摘要

中国水墨画的计算机绘制是数字艺术领域一个具有挑战性的课题。为了将传统的水墨艺术风格引入到丰富的数字媒体世界中，促进国产游戏、动漫等产业的发展，本文针对中国水墨画的设色扩散与风格化绘制两个方面的诸多关键问题展开深入研究。
　　 首先基于颜色光学KM理论提出针对中国画设色技法的颜料仿真模型，建立标准水墨画颜料调色板，从而仿真实现多种颜料相调和以及多层颜料混合叠加所产生的丰富的颜色变化效果，体现出国画颜料中植物色与矿物色在扩散与混合过程中的不同特征。
　　 其次以菲克粒子扩散定律为基础，并引入爱因斯坦-布朗位移方程求解扩散方程的系数，推导出水墨及颜料粒子的粒径是影响扩散过程的重要参数。算法设计充分利用图形硬件达到设色水墨扩散过程的实时仿真绘制，解决了物理建模方法所带来的巨大计算量问题。
　　 然后针对古代画家名作的艺术风格重用问题，提出基于已有水墨画作品的风格化绘制技术。算法包括作品中对象的分割，特征信息的分析与提取，基于风格特征的三维渲染等。
　　 通过深入分析水墨风格差异成因，水墨对象的表达归纳为笔道特征(包括轮廓和内部特征线)、墨色特征(包括泼墨和没骨)、皴法特征。对已知水墨作品采用“无核”区域生长和区域合并相结合的图像分割技术，并改进区域合并与终止合并的准则，得到符合水墨特点的分割准则，从而提取出相对独立的水墨对象。对分割出的水墨对象的各个区域进行笔道特征、墨色特征和皴法特征的判别和特征信息的分析提取。
　　 最后提出3D水墨的多层渲染机制，使得基于风格特征的3D水墨渲染过程中，渲染方法的选择取决于特征分析的结果，不同对象可组合应用多种渲染方法。以此为依据并结合模型的表面特征指导三维场景的渲染过程，完成从特定水墨作品到3D场景的艺术风格再现。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1课题研究背景、目的和意义

1.1.1水墨画艺术

1.1.2水墨画的计算机绘制及面临的主要问题

1.1.3课题研究的意义

1.2本文主要研究工作与创新之处

1.3论文结构

第二章 研究基础

2.1水墨画的绘画材料与艺术特征

2.1.1水墨画的绘画材料

2.1.2水墨画的艺术特征

2.2面向特定水墨艺术效果的仿真研究现状

2.3模拟水墨绘画材料及其物理过程的研究现状

2.3.1宣纸的仿真研究

2.3.2毛笔的仿真研究

2.3.3扩散过程的仿真研究

2.3.4设色模型的仿真研究

2.4 3D水墨渲染和动画的研究

2.5本课题涉及的相关技术

2.5.1基于西方绘画的非真实感绘制研究

2.5.2艺术风格学习研究

2.5.3水墨特征分析提取研究现状

2.6小　结

第三章　基于KM理论的水墨画颜料仿真

3.1水墨画颜料特性

3.1.1水墨画颜料

3.1.2颜料与染料的区别

3.1.3颜料粒子形状与粒径

3.2水墨画设色技法

3.2.1设色特点

3.2.2设色技法

3.3水墨画颜料仿真的目标

3.4基于KM颜色模型的颜料仿真

3.4.1 KM颜色模型的引入

3.4.2 KM理论基础

3.4.3单色颜料的仿真

3.4.4多种颜料混合的仿真

3.4.5多层颜料叠加的仿真

3.5实验结果

3.5.1单色颜料仿真效果

3.5.2多种颜料混合效果

3.5.3小结

第四章 多颜料实时扩散仿真

4.1真实扩散效果分析

4.1.1扩散效果实例

4.1.2扩散效果的抽象模型

4.2扩散过程分析

4.2.1粒子化

4.2.2扩散效果模型的形成原理

4.2.3扩散过程总结

4.3宣纸模型

4.3.1宣纸的结构特征

4.3.2纸模型设计

4.3.3纸模型分层

4.3.4纸模型构建

4.4扩散的理论基础

4.4.1扩散原理

4.4.2稳态扩散

4.4.3非稳态扩散

4.4.4爱因斯坦-布朗位移方程

4.5水粒子运动模型

4.5.1水运动方程

4.5.2有限差分法求解非稳态水粒子运动方程

4.6颜料粒子运动模型

4.6.1颜料粒子的对流运动

4.6.2颜料粒子的分子扩散

4.6.3有限差分法求解颜料粒子运动方程

4.7蒸发和沉积

4.7.1水的蒸发

4.7.2颜料沉积

4.8算法的GPU加速

4.8.1基本流程

4.8.2加速效果

4.9结果及分析

4.9.1植物色与矿物色扩散效果对比

4.9.2参数影响

4.9.3叠加效果

第五章 水墨画作品风格特征的分析与提取

5.1水墨画风格化绘制概述

5.2水墨画艺术风格剖析

5.2.1水墨画技法综述

5.2.2水墨画笔法特征

5.2.3水墨画墨法特征

5.2.4水墨画皴法特征

5.2.5水墨对象的风格组成结构

5.3水墨对象的分割

5.3.1初始分割

5.3.2区域合并

5.3.3提取水墨对象二元组

5.4特征区域的类别判断

5.4.1笔道特征区域的判别

5.4.2墨色与皴法区域的判别

5.5水墨对象的特征分析

5.5.1笔道特征

5.5.2墨色特征

5.5.3皴法特征

5.6小结

第六章基于风格特征的3D水墨渲染技术

6.1多层渲染机制

6.1.1非真实感绘制的一般模式

6.1.2水墨画绘制特征

6.1.3多层渲染机制

6.2模型三维表面信息的提取

6.2.1轮廓线

6.2.2内部特征线

6.2.3顶点法向量

6.2.4顶点曲率

6.3笔道渲染器

6.3.1生成笔道映射纹理图

6.3.2外形轮廓边的渲染映射规则

6.3.3内部褶皱线的渲染映射规则

6.3.4绘制效果

6.4墨色渲染器

6.4.1颜色空间转换

6.4.2墨色渲染规则

6.4.3绘制效果

6.5皴法渲染器

6.5.1皴法映射纹理图的制作

6.5.2 S-O两步纹理映射

6.5.3绘制效果

6.6风格化绘制的综合效果

6.7小　结

第七章　总结与展望

7.1总结

7.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢