中国书画艺术电子化创作的初步算法性探索——美、智能与计算

摘要

本学位论文选择了将中国书画艺术电子化创作的论题作为研究中心。 本学位论文对中国书画艺术电子化创作中涉及到的若干智能设计与美学创作的重要问题以计算机科学研究的方式展开了一系列算法设计工作与软件工程的实践。我们对中国书画艺术电子化创作进行的算法性探索主要包括三个方面的研究工作：1)计算机智能书法生成的研究，包括计算机智能书法生成算法的研究及与之相应的面向计算机自动书法生成的智能计算机辅助设计系统的研制;2)国画分解及国画风格动画智能生成技术的研究，具体包括面向中国国画作品图像的笔划分解技术及与之配套的基于笔划的国画风格计算机动画智能生成制作技术的研究和相应软件原型系统的研制；3)交互式中国书画创作的研究，包括面向交互式电子书画创作的算法研究及与之相应的软件平台工具的研制，具体体现在对基于物理模拟的面向计算机交互式电子书画创作的虚拟画笔模型的算法设计和相应软件原型系统的研制以及对富有艺术表现力的高精度虚拟颜料行为模拟仿真模型的设计及配套算法技术的研究。下面将对上述三方面研究的主要工作作一个简要的介绍。 在计算机智能书法生成的子课题研究中，我们探究了如何研制具有机器创造力的可以从事自动设计的智能计算机辅助设计系统的论题。这一研究的主要难点在于如何对人脑的创造力进行数学建模并基于该模型通过计算模拟的方式实现机器创造力。在该研究中，我们采用了综合推理的创作思维模型来模拟人脑在从事设计活动时展开创造性思维的过程。之所以选用综合推理作为我们计算模拟的算法设计基础，是因为该模型在前人的研究中已被证明是一种尤其适合于模拟人脑在形象思维领域从事创造性思维活动的心象计算模型。在本研究中，我们根据计算机书法生成的特定领域问题背景，基于综合推理模型的一般设计方法，提出了基于综合推理的计算机智能书法生成算法。在研究如何模拟书法家在进行书法创作时所开展的创造性思维的问题同时，我们还研究了智能书法生成这一问题所涉及到的知识表示与获取的问题。这是因为知识表示与获取的方法是否完备且利于知识重用会对我们的推理模型解决实际问题的能力起着至关重要的影响。本研究对汉字书法作品引入了可以实现组件重用的多层次参数化知识表示方法。这一知识表示方法是基于对汉字构成图像中存在的大量冗余、可重用图像特征及结构特征的观察认识所设计提出的。因此该知识表示方法可以非常有效地支持对关于汉字书法的图像信息的知识表达和重用。综合上述两部分对基于综合推理的计算机智能书法生成算法的研究以及对汉字书法信息知识表达与获取方法的研究，我们初步现实了在计算机书法这一特定领域问题内的形象设计思维中创造力的计算模拟，获得了计算机在书法创作活动中丰富的机器想象力与创新能力--计算机在学习了有限的输入字帖后，能够在一个巨大的创作可能性空间里，实时全自动地创作出风格迥异的计算机书法作品。由于知识的组合爆炸，这个计算机书法创作的可能性空间十分巨大，荧屏上常出现出乎意料之外的崭新的书写风格和别有韵味的书法作品。通过我们的方法生成的计算机书法作品书写效果变化多样、风格迥异，并且常常别有韵味，可以激发起书法爱好者对美学创作活动强烈的兴趣和无限的创作灵感。对于专业书法创作人士来说，通过观察计算机智能生成的书法作品，可以获得由于思维定势约束或缺乏创作灵感而无法发现的艺术创作动机与可能性，从而实现计算机智能辅助设计与创作。 在基础研究的层面上，我们对计算机智能书法生成的研究以中国传统书法作品的智能生成作为实验背景，探索了计算机美术中创作思维模拟的问题。值得一指的是，我们对计算机智能书法生成的研究本身是以一个案例分析的形式所展开的，旨在探索在形象思维领域对人脑从事创造性思维活动进行机器模拟的可行性。这一研究的最终目的在于研制针对形象思维的先进智能计算机辅助设计系统和工具，用于辅助设计人员在从事富有挑战性的设计作业时拥有更为开阔的想像力和开展更为活跃的创造性思维活动。由于人脑本身受到的诸如思维定势等约束所导致的功能上的局限性，即便是最富有才华的设计师和最富有创新能力的思考者也会受益于上述的先进智能计算机辅助设计系统。在我们计算机智能书法生成的个案研究中，我们通过展示计算机自动书法生成系统的研制过程，详细示例了如何根据综合推理的一般方法，研制能够解决具体领域问题的智能计算机辅助设计系统。这一智能系统设计研发过程的成功个案示范，表明了研制上述先进智能计算机辅助设计系统的可能性，也预示着针对其他特定领域问题研制类似高端智能计算机辅助设计系统的技术可行性。这些系统将智能地辅助设计人员更富有创造力地完成设计工作，实现设计创新。就此，我们最后提出了开发基于综合推理的面向特定应用领域的智能计算机辅助设计系统的一般方法，用以作为研发类似系统的方法论指导。 在国画分解及国画风格动画智能生成的子课题研究中，我们提出了一种新的基于静态国画作品生成国画风格动画的智能技术。为了生成一幅国画风格的动画，首先需要提取构成该静态画面的笔划。笔划提取过程的关键是利用一个样本笔划库进行笔划分解。一旦构成原画的笔划被计算提取出来之后，该绘画就可以在笔划级完成动画的编辑和生成工作。根据上述算法，我们成功地开发了一个基于笔划的国画风格动画编辑、创作环境。我们的实验结果包括对几幅国画作品笔划分解及动画生成的实例。这些实验结果均获得了满意的视觉效果，从而实证了本研究所提出的“基于笔划的国画分解与动画技术”的可行性与有效性。 在交互式中国书画创作的子课题研究中，我们探索并设计了一个与用户友好交互、实时响应，并且具有丰富艺术表现力的全电子化的书画创作软件环境。对这一问题的研究是计算机图形学和计算机人机交互领域长期以来存在的热点与难点。这项研究不仅富有理论研究价值，而且有着广阔的市场应用前景，也对信息时代中国传统书画艺术的创新与电子化变革有着重要的意义。在技术层面，本研究提出了面向书画创作、基于实体造型技术的虚拟毛笔模型以及利用它进行交互式电子书画创作的计算模拟框架。我们还对影响该计算模拟框架综合性能的若干关键模块做了算法优化，旨在提升性能。根据上述模拟框架，我们研发了一个基于虚拟毛笔模型的支持电子书画交互式创作的软件原型系统。实验结果表明，用户可以利用虚拟毛笔创作出艺术表现力非常丰富的电子书画作品。 为了进一步提高上述系统的艺术表现力，我们还提出了一种新颖的面向数字绘画--特别是中国水墨画和水彩画创作的虚拟颜料行为模拟仿真模型。该模型不但计算模拟了颜料水溶液的独立行为；还考虑了在颗粒级上颜料和画笔、画纸之间发生相互作用的物理化学过程，从而实现了对颜料颗粒在画笔笔毛上的扩散过程以及在画纸表面的吸附和沉降过程的精细模拟仿真。在算法的具体设计过程中，我们大量参考了表面化学和纺织工业中对吸附和扩散过程研究所得出的定性规律和定量方程。这样高精度的模拟有效地保证了我们为艺术家提供的电子书画创作工具的艺术表现力。例如我们新的算法可以同时模拟包括非常湿润和极其干枯的笔划在内的一系列绘画笔触效果，从而为数字绘画提供了广泛的可能性。这是现有的颜料模型所没有能够很好解决的问题。为了验证上述模型的有效性，我们将该模型的算法实现集成到我们在第一阶段研究中已经开发的基于虚拟画笔的电子书画创作系统中。实验结果表明，我们提出的这一新颖的虚拟颜料仿真模型可以有效地支持高质量东方绘画和水彩画的创作过程，从而肯定了该模型设计的成功性及其实用价值。 总的来说，本学位论文的研究综合运用了智能计算机辅助设计技术、人工智能、计算机图形学与图形交互技术以及计算机人机交互技术等多种计算机科学与技术的手段，对中国书画艺术电子化创作的论题从多个视角展开了深入而细致的算法性探索。该研究成功地解决了中国书画艺术电子化创作中所特有的多个富有挑战性的学术难题，取得了许多算法研究的成果，并积累了丰富的研制相关算法性软件原型系统的工程实践经验。该学位论文汇报了上述对中国书画艺术电子化创作开展的算法性探索工作与相应的软件工程实践所取得的主要研究成果。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论与背景介绍

§1.1引言

§1.2本研究的目的和意义

§1.3计算机艺术研究的背景简介

§1.3.1计算机艺术研究的历史回顾

§1.3.2相关书籍简述

§1.4中国书画艺术电子化创作的国内外研究现状

§1.5本研究的主要贡献

§1.6本文的组织结构

第二章基于综合推理的书法创作

§2.1背景介绍与相关工作

§2.2智能CAD与类比推理

§2.2.1类比推理起源

§2.2.2类比的科学基础

§2.2.3类比推理理论

§2.2.4类比推理的根本着眼点

§2.2.5类比生成

§2.3综合推理与智能书法创作

§2.3.1综合推理的思维创新模型

§2.3.2综合推理特点

§2.3.3综合推理与智能书法创作

§2.4汉字书法作品的层次化参数表示

§2.4.1汉字书法作品的知识表示

§2.4.2汉字书法作品的层次结构

§2.4.3汉字层次结构的拓扑构成信息

§2.4.4汉字的分层结构参数化表达

§2.5汉字书法作品知识表示的获取

§2.5.1自动笔划分解提取

§2.5.2基于智能用户交互的笔划分解提取

§2.6综合创新与智能书法创作

§2.7计算机书法美观度的自动评价

§2.7.1总体算法设计思路

§2.7.2对单笔形态美观度的自动评分

§2.7.3对笔划间空间位置关系美观度的自动评分

§2.7.4对笔划间书写风格一致性的自动评分

§2.7.5对汉字书写效果整体美观度的自动评分

§2.8实验结果

§2.8.1实验结果及讨论

§2.8.2实验系统简介

§2.9对综合推理模型的改进

§2.9.1综合创新的约束

§2.9.2开发基于综合推理的特定应用领域ICAD系统的一般方法

§2.10研究的意义及未来的工作

§2.10.1在理论研究方面的学术价值

§2.10.2在实际应用方面的现实价值

第三章基于笔划的国画分解与动画技术

§3.1概述

§3.2背景介绍

§3.3绘画作品图像的分解与笔划提取算法

§3.3.1图像分割

§3.3.2基于区域合并的笔划提取算法

§3.3.3初始笔划分解方案的优化

§3.3.4细长笔划的分解

§3.4笔划纹理的表达与合成

§3.4.1矢量化笔划纹理模型

§3.4.2引入矢量化笔划纹理模型的优点与必要性

§3.5重叠笔划的分离

§3.6绘画作品的动画制作

§3.7基于笔划的绘画动画系统

§3.8讨论与分析

第四章基于虚拟毛笔的交互式电子书画创作算法框架

§4.1概述与背景介绍

§4.2相关工作

§4.3基于实体造型技术的虚拟毛笔模型

§4.3.1基本绘图单元(基元)

§4.3.2基元的造型特征

§4.3.3基元形变与分裂的模拟

§4.3.4基元上墨水扩散过程的模拟

§4.4基于虚拟毛笔的交互式电子书写、绘画算法

§4.4.1虚拟毛笔的交互式控制

§4.4.2基元与虚拟纸张的快速求交算法

§4.4.3基于虚拟毛笔的交互式书画创作笔迹绘制算法

§4.5虚拟毛笔的品质参数及面向用户的毛笔品质定制

§4.6实验结果与讨论

第五章基于物理模拟的面向数字绘画的虚拟颜料模型

§5.1背景介绍与概述

§5.1.1主要设计思想

§5.1.2虚拟颜料模型和虚拟画笔模型

§5.1.3本章结构

§5.2相关研究工作

§5.3虚拟画笔和画纸表面间的颜料吸附与解附作用的模拟

§5.4纸张表面颜料扩散过程的模拟

§5.5画笔笔尖上颜料扩散过程的模拟

§5.6蒸发作用的模拟

§5.6.1笔尖上蒸发过程的模拟

§5.6.2画纸表面蒸发过程的模拟

§5.7颜料在纸张纤维中沉降过程的模拟

§5.8硬件加速算法实现

§5.9实验结果

§5.10小结

第六章结论与展望

§6.1计算机智能书法研究的结论与展望

§6.1.1总结

§6.1.2研究价值

§6.1.3展望

§6.2国画风格动画的计算机生成研究的结论与展望

§6.2.1总结

§6.2.2研究价值

§6.2.3展望

§6.3交互式中国书画创作研究的结论与展望

§6.3.1总结

§6.3.2研究价值

§6.3.3展望

参考文献

附录

致谢