傳統水墨畫數字復原技術研究

莊佳峰

[摘 要]中國水墨畫與一般的三維輪廓線渲染表現算法差別較大，有著更為復雜的數據算法。針對水墨在宣紙上擴散后會出現較明顯的具有自相似特性的輪廓線這一特點，提出一種基于Inkn paint材質為基礎的仿真水墨畫邊界擴散的渲染繪制方法。實驗結果表明，該方法通過流體仿真模型產生擴散筆跡，利用分形在擴散筆跡的最外層模擬一條不規則的輪廓線繪制，并填充兩者之間的空隙，使得擴散效果更自然、逼真。

[關鍵詞]非真實感繪制 傳統水墨畫 數字復原

1 引言

非真實感繪制是計算機圖形圖象模擬國畫、油畫、素描和技術圖紙等手繪藝術創作風格的新興技術領域。其國畫的水墨效果仿真模擬與一般3D渲染表現算法差別較大，有著復雜多變的墨系材質表現技法。對中國畫計算機圖形仿真繪制的研究更加有利于水墨畫藝術的推廣和計算機藝術化的發展。

根據水墨在宣紙上擴散后會出現較明顯的具有自相似特性的輪廓線這一特點，吸取傳統繪畫藝術的營養與成就，提出一種基于Autodesk 3DSmax軟件中Inkn paint材質為基礎的新型渲染繪制方法。借助這種分形輪廓線的擴散方法詳盡解釋和研究了筆墨特點與造型規律，對水墨畫內部復雜而豐富的結構系統作出了科學的分析，并形成接近真實的水墨山水畫藝術效果。

2 水墨分形輪廓線繪制方法的基礎技術原理

2.1 Inkn paint材質

由于水墨畫面的擴散和滲透主要是宣紙纖維的自然吸水力，而不是棱角鮮明外輪廓。水墨材質的暈染雖具有可流動性，但并不遵照真實流體物理規律；材質和渲染算法中也不需要梯度及流體速度的概念，而是計算并維持了輪廓線之間一個局部的靜態平衡，區別于真實模型仿真渲染。

Ink 'n Paint Material （勾邊與填色材質）基本屬性數據表：

Ink （Outline） - Ink （Quality） – Ink （Width）

Ink （SmGroup/Matld）- Ink （Overlap/Underlap）

Ink 'n Paint（輪廓線和填充）分解

Ink （Outline）=1/1.5 （+RGB

Paint Level=1/2 /3/4

Paint Level=2 （ Highlight=20/5/1）

2.2真實感繪制中的三維輪廓線模型

輪廓線是三維模型的一個基本特征，體現了模型的大致形狀和輪廓，線在視覺效果方面對于刻畫三維模型基本外觀的感知與審美都是必需的。其三維輪廓模塊輸出是基本幾何對象類與幾何計算函數，如點、矢量、矩陣的數據結構定義和相關的計算函數，是本次實驗過程中必不可少的模塊，系統中與模型構建及基本的變換都需要這些幾何對象和計算功能。

數據函數包括內外力兩方面，如邊界曲率和梯度。對于輪廓比較平滑的目標，這種方法可以獲得更好的效果。當目標比較復雜或與其它物體靠得較近時，用戶無法估計效果擴散的最后結果，初始的輪廓線也不易確定，往往需要進行多次的交互工作，才能使獲得的邊界擴散滲透更接近真實的水墨畫視覺效果。

3 基于Inkn paint材質的仿真水墨畫輪廓線繪制方法研究

3.1輪廓線吸水性擴散和滲透平衡性仿真研究

水是筆、墨、色和紙發生相互作用的中介，左右著畫面素材之間的滲化作用。水墨畫內部與外形輪廓線均有擴散和滲透現象，（如圖1）由于水墨繪畫材料的特殊性，它還具有潛在的滲化作用。滲化與擴散是一個可以看到的極為明顯的動態過程，水墨會擴散到筆跡之外，同時滲化作用留下清晰的擴散紋理[1]。

Inkn paint材質渲染中利用分形在擴散筆跡的最外層模擬一條不規則的輪廓線繪制，并填充兩者之間的空隙，使得擴散效果更自然、逼真。大多數圖象經過非真實變換后，邊緣點一般處于零交叉點，對同一點的兩條數據路徑，若邊緣點多的一條不能占優顯然不符合要求，因此當數據不占優時需要添加新的約束、需要根據數據路徑上零交叉點數的多少來時實判斷取舍。具體為在計算獲得新點的數據后，若當前計算獲得的數據大于已有的數據，則反向跟蹤路徑的最近n個點，統計兩路徑的零交叉點數，若當前路徑的零交叉點數大于舊路徑的零交叉點數，則用當前計算獲得數據替換舊的數據，繼續進行仿真渲染。

3.2擴散筆跡與不規則的輪廓線繪制研究

輪廓線是基于毛筆的擴散和紙張的暈染現象形成均勻滲透。這是一個由黑色線為中心向灰色再向alpha 擴散的一種真實形式。從紙面上看，其暈化呈同心擴張狀態，由中心向四周依次減弱色度和純度。即墨色從一個中心點均勻地作圓形擴張，擴張面積與水墨份量成正比的效果分解關系（如圖2）。[3]

Inkn paint材質提供了簡潔易操作的渲染技法，在搜索輪廓線時與一般的真實感繪制算法有些類似。基本思想是在設定輪廓線臨界點后，計算出圖上各點之間的最小數據。通過分析數據的計算過程，可以對復雜物體的邊緣進行比較準確的定位，由于模型邊緣點多為零交叉點，表現水墨畫面時其數據較弱，因而使數據沿中心線呈同心向外擴張狀態，從而在交互引導過程中自動勾勒出邊緣并向外擴散。

Inkn paint材質是在全圖范圍內尋找優化的邊界，與真實感繪制算法不同，不通過初始輪廓線降低數據的方式，而是通過分步優化數據函數獲得邊界數據。但也需要一個初始的模板以約束搜索，需要給出初始的輪廓，然后進行效果擴散，使輪廓線沿數據降低的方向靠近，最后得到一個優化的邊界。

測試效果：利用分形在擴散筆跡的最外層模擬一條不規則的輪廓線繪制，并填充兩者之間的空隙，使得擴散效果更自然、逼真。

3.3不可覆蓋、忽略光影性和多色彩效果的渲染技術研究

中國水墨畫不適合表現光感、質感，因為繪畫材料本身的透明性和不可覆蓋性。由于中國水墨畫顏色的特殊性，山水畫的色彩作為單獨子系統進行考慮。再加上與水墨的特殊作用關系，進行大量深入的研究和分析，建立適于中國水墨畫的色彩模型。水墨畫藝術色彩的計算再現可以提供給計算機圖形藝術家新的藝術創作手段，非寫實性渲染及紋理映射將增添中國畫的審美韻味（如圖3），人們可以通過更直接的方式認識中國水墨畫藝術。

Inkn paint材質利用RGB色彩模式來實現在三維場景中直接繪制出具有水墨輪廓線特性的色彩圖象。RGB顏色主要是針對色彩易于硬件實現為目的，往往同一種顏色在強弱不同的光照下差別較大，在實際應用中，由于幀間明暗存在差別，同一色塊因光照不均也存在高光或暗區域，所以需要的是一種能去掉亮度信息的顏色模型、輪廓線，即采用色度空間。

在視覺傳達領域廣泛采用三維模型的輪廓線繪制技術詳細客觀地描繪了水墨畫各組成要素的材料特性及相互間的作用關系。

結論

基于Inkn paint材質仿真中國水墨畫輪廓線的渲染方法，通過一組簡單有效的三維模型，成功地實現了中國水墨山水畫的基本藝術效果，實現了保留筆跡和擴散紋理等典型效果。特別是不同筆次之間的作用效果，如蕩墨、干筆飛白、破墨及水帶墨等，實現水墨畫的不可覆蓋性機理特殊效果。

在未來研究工作中，考慮到擴散紋理的滲化效果與紙纖維的內部結構直接相關，選擇更好的隨機性控制，以實現其它水墨藝術效果。這主要是因為水墨輪廓線繪制的微觀運動細微地刻畫了圖像細節，可以通過參數的變化，隨意控制最后的輸出結果，直到令人感到滿意。并具有自相似特性的輪廓線分形能力，同時提供了一定的可預見性和可控性，通過改變特征參數值得到期望的結果，有時甚至可以得到意想不到的藝術效果。

（責任編輯：劉小紅）