中國美術(shù)學(xué)院實驗教學(xué)管理部 章 雁

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基于領(lǐng)域像素概率統(tǒng)計的圖像非真實感藝術(shù)處理

中國美術(shù)學(xué)院實驗教學(xué)管理部 章 雁

非真實感繪制（Non-photorealistic Rendering，NPR)是計算機圖形學(xué)中一個嶄新的課題，屬于計算機藝術(shù)的范疇。作為與真實感圖形學(xué)相對應(yīng)的圖形學(xué)分支，NPR是計算機科學(xué)與藝術(shù)的有效融合，是以計算機為工具來模擬各種藝術(shù)繪制風(fēng)格。在非真實感繪制處理過程中，針對不同的圖像處理期望，各種非真實處理的算法是研究的主要內(nèi)容之一。該文主要針對在色彩渲染過程中一種基于領(lǐng)域像素色彩信息概率統(tǒng)計，從而實現(xiàn)畫面色塊模擬來達(dá)到非真實感繪制的算法進行研究。

非真實感繪制 概率統(tǒng)計 色塊模擬

0 引言

自20世紀(jì)60年代以來，計算機圖形技術(shù)主要致力于對客觀世界的真實感模擬，人們努力把眼睛所看到的準(zhǔn)確無誤地重現(xiàn)出來，基于各種手段，通過模擬可以得到最接近現(xiàn)實世界、高真實度的圖像效果。真實感繪制技術(shù)越來越成熟且廣泛應(yīng)用，并且隨著計算機軟件和硬件技術(shù)的不斷進步，我們所面對的是越來越高分辨率的圖像和顯示屏，計算機能夠模擬的圖像越來越清晰，越來越接近真實世界。然而由于真實感繪制過于精確反應(yīng)現(xiàn)實，所以缺乏繪畫作品應(yīng)有的藝術(shù)感覺，很難融入傳統(tǒng)藝術(shù)作品那樣表達(dá)藝術(shù)家想要表達(dá)的情感和意境。與真實感繪制相對應(yīng)的非真實感繪制（Non-photorealistic Rendering，NPR)[1]，它更專注于圖形個性化和藝術(shù)化的表達(dá)，致力于將傳統(tǒng)的手工制作的藝術(shù)作品改由計算機自動生成，使得畫面更具有表現(xiàn)力，并且賦予畫面以藝術(shù)情感和生命力。非真實感繪制系統(tǒng)的目標(biāo)是利用計算機生成具有某種藝術(shù)風(fēng)格的圖像，使其看起來是由藝術(shù)家手工繪制的作品。非真實感繪制技術(shù)早期主要應(yīng)用于自然材質(zhì)（比如鉛筆、墨水、油畫、水彩）的模擬，目前在教育、娛樂、動畫、影視、游戲、藝術(shù)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。

通常的NPR方法大致分為2類[2]：一類是使用物理方法實現(xiàn)對繪畫原材料的模擬[3]；另一類則是從最終效果出發(fā)，參考藝術(shù)家的創(chuàng)作過程，模擬畫筆形狀或筆法特征，通過各種算法模擬不同類型藝術(shù)作品的風(fēng)格[4]。

1 現(xiàn)實場景與藝術(shù)作品的區(qū)別

自然界色彩因為其從本質(zhì)上來說就是不同波長的光，因為光譜的連續(xù)性，所以自然界色彩數(shù)量從理論上講有無限多種，真實的現(xiàn)實畫面是在色彩、光影等諸多因素綜合之下由無窮多的色彩平滑連續(xù)地展現(xiàn)在我們面前的，真實感繪制的追求就是盡可能地實現(xiàn)對真實畫面的模擬，現(xiàn)代計算機圖像技術(shù)隨著計算機顯示技術(shù)的不斷發(fā)展與進步，從最開始的只能表達(dá)黑白兩色的2位圖發(fā)展到可以表達(dá)16777216種顏色的24位“真彩色”乃至進一步的32位色，其能夠模擬的自然界顏色越來越多。在硬件上，顯示器的技術(shù)發(fā)展決定了顯示分辨率的不斷提高，同樣面積的畫面中能夠包含的像素更多、圖像更加清晰。從而使得我們在計算機里能夠模擬的畫面越來越接近自然界的真實畫面。

而在藝術(shù)作品中，因為作畫工具，材質(zhì)、顏料本身等原因，藝術(shù)作品畫面所能達(dá)到的色域遠(yuǎn)小于計算機所能表達(dá)的色彩數(shù)量，更不用說現(xiàn)實場景。而恰恰是這種區(qū)別，使得藝術(shù)家在色彩運用上不拘泥于完全寫實，不用如同計算機般的模擬，從而可以讓色彩為作品服務(wù)，藝術(shù)家對大自然的景物在各種光影條件下進行觀察與理解，并融合自身情感后再通過色彩在藝術(shù)作品上表現(xiàn)出來。通過人為的方式展現(xiàn)一個“不一樣的現(xiàn)實”，而這種融合了感情的藝術(shù)作品，就超脫了畫面本身表達(dá)的內(nèi)容，有了更高的意境。

真實感模擬技術(shù)的發(fā)展就是要通過盡可能高的分辨率與色彩位數(shù)來在每個像素模擬真實場景中的色彩，這樣原來真實場景中平滑連續(xù)的色彩變化可以通過高分辨率及高色彩位數(shù)在顯示過程中以微弱的色彩變化差距來模擬，從而讓在顯示器上顯示的計算機圖像從視覺效果上可以接近現(xiàn)實場景。而藝術(shù)作品則因為畫面色彩是通過數(shù)量有限的顏料調(diào)合而成。因此在畫面中能夠出現(xiàn)的色彩數(shù)量有限，并且因為作畫工具尺寸、作畫材料材質(zhì)等原因，很難達(dá)到像素級的清晰度，藝術(shù)作品畫面與現(xiàn)實場景和計算機模擬畫面最明顯的區(qū)別就是大色塊的存在，并且因為作品類型、畫派、工具、材質(zhì)等等原因，色塊效果也各有特征。

2 色塊效果非真實感處理算法流程

將一幅現(xiàn)實場景畫面通過計算機實現(xiàn)非真實感藝術(shù)處理，主要是基于圖像的非真實感繪制[5]，它以原始數(shù)字圖像如數(shù)碼照片或計算機生成的圖像作為輸入源，降低了所需輸入的復(fù)雜性。按照對藝術(shù)作品模擬方式的不同又可以分為基于筆劃的繪制和無筆劃繪制兩種。前者將筆劃作為最基本的繪圖元素，將其作用于源圖從而生成具有手工作品特點的圖像。而后者則通過對輸入的數(shù)字圖像進行濾波、特征增強、邊緣檢測、圖像分割等處理，使得處理之后的圖像具有特殊的藝術(shù)視覺效果。

基于領(lǐng)域像素概率統(tǒng)計的圖像非真實感藝術(shù)處理方法是在考慮到筆劃大小的情況下，針對原有數(shù)字圖像進行色彩數(shù)值調(diào)節(jié)，最主要的變化就是將原本圖像中的以微弱差異逐步變化的像素點按照某一片領(lǐng)域為單位重新賦值，即根據(jù)設(shè)定的筆劃大小為筆劃中心像素賦予一個特定的色彩值，從而改變了原畫面平滑過渡的真實感效果，而小范圍的相同色彩值在宏觀上可以表現(xiàn)為色塊凝結(jié)效果，進而使得畫面模擬出藝術(shù)作品中最常見的顏料色塊堆積效果。而針對不同藝術(shù)風(fēng)格、不同流派的藝術(shù)作品的模擬，則可以通過筆劃大小即領(lǐng)域統(tǒng)計區(qū)域的調(diào)整得以實現(xiàn)。這種方法的優(yōu)點在于算法簡便、易于形成，并可用于進一步畫面處理的前期工作，對畫面進行預(yù)處理。

這種可以模擬出色塊效果的圖像非真實感處理，是通過對原圖像進行一種基于領(lǐng)域像素概率統(tǒng)計的非線性濾波得以實現(xiàn)。與常見的針對圖像進行的非線性濾波選取區(qū)域最大值、最小值或平均值不同，本文的方法是在濾波器大小即掩模大小的范圍內(nèi)統(tǒng)計各個像素點的色彩數(shù)值信息，如圖1所示，即在原圖像中每個像素點f（x , y)的周圍統(tǒng)計濾波器掩模大小Sxy領(lǐng)域內(nèi)所有像素點的色彩數(shù)值信息，然后將該區(qū)域內(nèi)統(tǒng)計后得到的概率最高的色彩數(shù)值賦值給f（x , y)。通過這種濾波器方法，可以使得原來色彩數(shù)值相似的像素點變成色彩數(shù)值相同的像素點，而被賦值后的f（x , y)又作為與之相鄰的下一個濾波器掩模中心像素點的鄰域樣本參與統(tǒng)計，像“種子”一樣把這個數(shù)值傳染出去直到遇到概率更高的數(shù)值（這時往往達(dá)到了原畫面中色彩變化較大的區(qū)域，即邊緣）為止。采用這種算法，通過這種作用于像素點“染色式”的濾波方式，可以使處理之后的數(shù)字圖像從宏觀上產(chǎn)生變化，原來相似色彩區(qū)域即像素中連續(xù)相似或者平滑過渡的區(qū)域出現(xiàn)相同色彩像素區(qū)域來凝結(jié)成彩色塊，從而使圖像產(chǎn)生一種顏料堆積的效果，用以模擬藝術(shù)作品中的筆觸效果，并且可以通過擴大濾波器掩模大小的手段使色彩凝結(jié)區(qū)域增加，對應(yīng)于筆觸加寬效果，用于模擬不同藝術(shù)風(fēng)格。

圖1

3 實驗結(jié)果

根據(jù)本文算法，對原圖《櫻花》（如圖2）進行非真實感藝術(shù)處理，并通過修改掩模大小調(diào)整概率統(tǒng)計區(qū)域來得到不同程度的處理結(jié)果。

圖2 原圖

圖3是原圖像進行基于領(lǐng)域像素概率統(tǒng)計濾波處理后得到的效果圖，分別是使用5×5、9×9、15×15和25×25的濾波器掩模大小處理后的效果圖，可以看到使用這種算法進行處理后，筆觸效果模擬較為明顯，濾波器掩模大小越大，色塊凝結(jié)效果越明顯，范圍也越大，而景物之間輪廓界限越來越模糊，純粹以色差來表示輪廓和立體感。用此種方法采用合適的濾波器掩模大小針對原目標(biāo)圖片進行處理，能夠較好地模擬藝術(shù)作品特別是油畫、水彩這類作品中以色彩表現(xiàn)為主的藝術(shù)風(fēng)格（例如印象主義畫派）的特點：淡化了景物的體積感，強化了色彩因素，不再依靠明暗和線條形成空間感，而是用色彩的冷暖形成空間。

圖3 效果圖

4 結(jié)束語

非真實感繪制中藝術(shù)效果的仿真模擬遵循一定的繪制原理[6]，它是一種靈活多樣的藝術(shù)，利用計算機強大的運算能力與藝術(shù)創(chuàng)作相結(jié)合，在基本繪制原理的基礎(chǔ)上大膽去想象和嘗試不同的模擬方法和過程并不斷總結(jié)。本文將基于領(lǐng)域像素概率統(tǒng)計的模擬思路融入到非真實感模擬的過程中，這是一種非常簡易的模擬過程、便于理解，雖然在算法的實現(xiàn)上完全不同于物理的模擬，但遵循物理模擬的原理，能夠?qū)崿F(xiàn)較好地模擬藝術(shù)作品畫面效果，同時可以通過修改掩模大小來模擬不同的筆觸大小和藝術(shù)風(fēng)格。

在整個算法研究過程中，也有一些不足之處有待進一步改進：輸入圖像本身的畫質(zhì)、清晰度對結(jié)果有一定影響，并不能做到每次模擬效果都得到最佳并且固定不變，需要用戶針對不同的原圖像進行相應(yīng)的參數(shù)調(diào)整或者畫面預(yù)處理。色彩空間的選擇對模擬結(jié)果有一定影響，能在模擬過程中根據(jù)原畫面特點選擇合理合適的色彩空間，也是進一步實驗和探索的主要工作。最終的模擬效果和真正的藝術(shù)作品仍然有一定的差別，缺乏真正藝術(shù)作品中的“隨機性”及藝術(shù)家個人風(fēng)格特點。這些問題都是今后繼續(xù)研究的方向。相信隨著計算機技術(shù)和非真實感繪制技術(shù)的不斷發(fā)展，會使得計算機藝術(shù)作品模擬過程變得更加簡單、結(jié)果更加逼真，讓每個人都可以通過便捷的操作變成藝術(shù)家。

[1] Strothotte T,Schlechtweg S. 葉修梓，萬華根，張引, 譯. 非真實感圖形學(xué)——造型、繪制與動畫技術(shù)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2] 盧少平，張松海.基于視覺重要性的圖像油畫風(fēng)格化繪制算法[J].計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報, 2010,22(7): 1120-1125.

[3] Curtis C J, Anderson S E, Seims J E, et al. Computergenerated watercolor [C].Computer Graphics Proceedings, Annual Conference Series, ACM SIGGRAPH, Los Angeles,1997:421-430

[4] Hertzmann A. Painterly rendering with curved brush strokes of multiple sizes [C]. Computer Graphics Proceedings, Annual Conference Series, ACM SIGGRAPH, Orlando ,1998:453-460

[5] 王會芹.基于圖像的非真實感繪制技術(shù)的研究[D].上海.東華大學(xué), 2009.

[6] 康李峰，唐棣.基于顏料擴散的水彩畫仿真[J].計算機工程與應(yīng)用, 2008, 44(11): 101-103.

[7] Rafael C Gonzalez, Richard E Woods. 阮秋琦, 等譯. 數(shù)字圖像處理[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2011.