一种基于图像处理的二维内阴影生成方法

摘要

本发明揭示了一种基于图像处理的二维内阴影生成方法，通过获取造型图像外轮廓得到内阴影的附着边，然后根据设定的光照方向，采用栅格化处理方法来得到内阴影的过程，包括如下步骤：1）提取造型外轮廓；2）设定光照方向；3）内阴影生成；4）内阴影和造型图像的叠加。本发明有效提高了二维动画的表现效果，提高了动画制作的效率，有效节约了成本，计算效率较高，有效减少了阴影的计算时间，提高了动画制作的效率。

说明书

技术领域

本发明涉及数字图像处理技术，具体涉及一种基于图像处理的二维内阴影生成方法。

背景技术

 随着生产技术的提高，用户对产品的外观要求也是日益提高,在生产过程中，往往会遇到各种实际情况导致产品的外观受到损坏及其他不良影响，如：1.产品在电镀过程中因为电镀挂点问题导致产品的外观损坏的问题, 2.产品因为进胶点残留料头而导致产品外观不良的问题。以上情况的出现导致了产品的生产效率低下以及产品质量不过关的问题。阴影生成技术在三维图形处理中得到大量的应用，但在二维动画制作过程中却只能通过手绘来完成，因此为了减少工作量，降低成本，国内动画制作人员都采取了规避阴影的做法，在动画作品中不进行阴影处理，这不可避免地造成了画面没有层次感、视觉效果差的结果，也使得我国的动画作品一直难登世界二维动画的大雅之堂。

 当前在计算机图形学领域，对外阴影的研究非常广泛，成果也很多，但在内阴影方面则一直都是二维图形处理过程中的难点问题，国内外相关的研究也很少，在二维动画制作过程中也只能通过手绘来完成。

 目前，针对二维图形的内阴影生成完全采用手绘的方式，通过原画师根据内阴影原理绘制带阴影效果的原画，然后由动画人员完成其描线和数字化等工作，该方案没有什么技术可言，依靠的是个人的经验和绘画的技能来完成这一过程；其基本的流程如图1所示。

 通过对当前二维内阴影手绘方法的使用和研究，我们认为目前手绘方案的缺陷主要在于以下几点：

 1、通过手工绘制内阴影的方案完全依靠人工完成内阴影的绘制和上色，不同人员绘制的效果不但内阴影的区域形状和颜色可能存在差别，而且一旦出错，就必须重新绘制，这就使得工作量大、效率低，且因为其仅依赖具有较深经验的原画人员，在应用上受到很大限制。

 2、手绘得到内阴影的方法完全依靠原画人员对光照阴影的理解，虽然可以解决动画造型内阴影的问题，但因为不同的人对内阴影的效果有不同的理解，这就容易造成不同人员绘制的内阴影效果存在差异，无法实现二维动画阴影效果的一致性。此外，手工绘制的内阴影依靠人工进行光照模拟，难以得到真实的光照效果。

 3、通过手工绘制内阴影，一旦绘制完成就固化了光照的方向和强度，此时如果要对光照方向进行修改，就必须重新绘制原画，无法实现内阴影的动态调整以得到最佳的阴影效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二维动画表现效果高、动画制作效率高、节约成本、计算效率高的基于图像处理的二维内阴影生成方法。

1、本发明的技术方案是，一种基于图像处理的二维内阴影生成方法，通过获取造型图像外轮廓得到内阴影的附着边，然后根据设定的光照方向，采用栅格化处理方法来得到内阴影的过程，包括如下步骤：

1）提取造型外轮廓：在绘制的动画造型基础上，通过轮廓提取算法提取造型的外部轮廓;

2）设定光照方向：在提取轮廓的基础上，通过给定一条分隔线来确定光照的方向；

3）内阴影生成：根据光照方向，采用扫描线方法得到内阴影，在提取的轮廓上计算内阴影的附着区域；

4）内阴影和造型图像的叠加：把前一步骤中生成的内阴影区域和动画造型进行叠加，并根据造型的色彩填充情况确定内阴影的颜色。

在本发明一个较佳实施例中，得到造型图像后，基于图像的灰度信息，提取造型外轮廓的过程，包括如下步骤：

1）图像的灰度化处理：图像灰度化处理，对于彩色图像中的每一个像素，采用下式计算其灰度值：

 

其中表示第i行、j列的像素灰度；、、表示彩色图像上对应像素点的红、绿、蓝三种颜色值，w和h表示图像的宽和高；

2）提取外轮廓像素点；对于图像上的每一行，i分别从0->w和w->0进行检索，当检索到第一个不为空的像素时，记录该像素值，并开始下一行的检索；对于图像上的每一列，j分别从0->h和h->0进行检索，当检索到第一个不为空的像素时，记录该像素值，并开始下一列的检索；

3）图像的二值化处理：对图像中的所有像素，把第（2）步中记录的像素灰度赋为黑色，其余全部赋为白色，所得到的图像即为外轮廓图像。

在本发明一个较佳实施例中，通过绘制一条分隔线确定光照方向，并基于栅格化的计算方法，采用扫描线算法逐行确定阴影像素和灰度，包括如下步骤：

1）绘制外轮廓的分隔线，确定光照方向；

2）采用扫描线算法确定阴影像素；

3）轮廓处的内阴影灰度处理。

本发明所述为一种基于图像处理的二维内阴影生成方法，本发明有效提高了二维动画的表现效果，提高了动画制作的效率，有效节约了成本，计算效率较高，有效减少了阴影的计算时间，提高了动画制作的效率。

附图说明

图1为现有的二维内阴影绘制流程图；

图2为本发明一较佳实施例的内阴影生成流程图；

图3为本发明一较佳实施例的确定光照方向示意图；

附图中各标记如下：1、光照方向。

具体实施方式

下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本发明所述为一种基于图像处理的二维内阴影生成方法，通过获取造型图像外轮廓得到内阴影的附着边，然后根据设定的光照方向，采用栅格化处理方法来得到内阴影的过程，包括如下步骤：

1）提取造型外轮廓：在绘制的动画造型基础上，通过轮廓提取算法提取造型的外部轮廓;

2）设定光照方向：在提取轮廓的基础上，通过给定一条分隔线来确定光照的方向；

3）内阴影生成：根据光照方向，采用扫描线方法得到内阴影，在提取的轮廓上计算内阴影的附着区域；

4）内阴影和造型图像的叠加：把前一步骤中生成的内阴影区域和动画造型进行叠加，并根据造型的色彩填充情况确定内阴影的颜色。

得到造型图像后，基于图像的灰度信息，提取造型外轮廓的过程，包括如下步骤：

1）图像的灰度化处理：图像灰度化处理，对于彩色图像中的每一个像素，采用下式计算其灰度值：

 

其中表示第i行、j列的像素灰度；、、表示彩色图像上对应像素点的红、绿、蓝三种颜色值，w和h表示图像的宽和高；

2）提取外轮廓像素点；对于图像上的每一行，i分别从0->w和w->0进行检索，当检索到第一个不为空的像素时，记录该像素值，并开始下一行的检索；对于图像上的每一列，j分别从0->h和h->0进行检索，当检索到第一个不为空的像素时，记录该像素值，并开始下一列的检索；

3）图像的二值化处理：对图像中的所有像素，把第（2）步中记录的像素灰度赋为黑色，其余全部赋为白色，所得到的图像即为外轮廓图像。

通过绘制一条分隔线确定光照方向，并基于栅格化的计算方法，采用扫描线算法逐行确定阴影像素和灰度，包括如下步骤：

1）绘制外轮廓的分隔线，确定光照方向：如图3所示，在造型图像上绘制一条直线，直线的一侧为光照面，而直线的另一侧为阴面；

    2）采用扫描线算法确定阴影像素：分隔线L把图像中的造型区域分为两个部分，设定光照方向为L的垂直方向，图像的高和宽分别为H、W，因为矢量图形生成的图片灰度单一，只有空白区域和轮廓线两种灰度，设空白区域灰度值为，轮廓线灰度值为I_（i，j）（0<i<W;0<j<H）为第j行，第i列的像素灰度。则具体的判定方法如下：

如果L的斜率不等于90o，则用伪计算机语言描述为：

for(j=0;j<H;j++)

对于每一行y=j，和直线L求交点，设交点的x坐标为X_j，则

for(i=0;i<W;i++)

如果光照方向自左向右，则：

如果i>X_j，且，则将i，j加入轮廓点数组K；

否则，继续循环。

如果光照方向自右向左，则：

如果i<X_j，且，则将i，j加入轮廓点数组K；

否则，继续循环。

如果L的斜率等于90o，则：

for(i=0;i<W;i++)

对于每一行x=i，和直线L求交点，设交点的y坐标为，则

for(j=0;j<H;j++)

如果光照方向自上向下，则：

如果j>y_i，且，则将i，j加入轮廓点数组K；

否则，继续循环。

如果光照方向自下向上，则：

如果j<y_i，且，则将i，j加入轮廓点数组K；否则，继续循环。

对于轮廓数组K中的每一个像素点，朝向直线L的方向，按照给定的阴影宽度l和一个距离权值确定的像素数量设定其阴影灰度值，从而生成阴影；

3）轮廓处的内阴影灰度处理：因为在生成内阴影的过程中，必须保持造型轮廓的灰度值，因此必须对轮廓处的像素灰度进行处理，主要考虑两方面的问题：一是判断要赋值的像素是否落在轮廓线上，如果位于轮廓线范围内，则跳过该像素；否则，赋灰度值；二是进一步判断灰度像素是否落在图像的造型轮廓区域外，如果是，则用原始图像上相应位置的灰度值替换阴影灰度值；否则，则保持阴影灰度值不变。判断方法如下：

经过阴影像素做一条平行于X轴的直线；

判断直线经过的像素中灰度等于D₁的像素个数，如果像素个数大于1，则说明该点在轮廓区域内部，否则在轮廓区域外部。

本发明中，所说的内阴影和造型的叠加，是指在生成内阴影以后，把内阴影和造型图像进行叠加，得到最终带阴影的造型过程,这一过程主要是影像叠加的过程，其主要计算方法如下：

设图像的高和宽分别为H、W，则把造型图像中的每一个像素灰度和内阴影图像上的每一个像素灰度值相加，而对于彩色图像而言，则在每一个颜色分量上增加一个阴影灰度值。

本发明所述为一种基于图像处理的二维内阴影生成方法，本发明有效提高了二维动画的表现效果，提高了动画制作的效率，有效节约了成本，计算效率较高，有效减少了阴影的计算时间，提高了动画制作的效率。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。