葛照君

（杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院,浙江 杭州 310012）

0 引言

隨著計算機圖形學(xué)的發(fā)展，非真實感繪制發(fā)展迅速，其在智能模擬、藝術(shù)領(lǐng)域、社會領(lǐng)域、娛樂領(lǐng)域等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)水彩畫作為以“水”和“彩”為特點的畫種，水和色彩構(gòu)成了水彩畫語言的基礎(chǔ)，借助水和色彩的相互作用，使畫面產(chǎn)生獨特的具有活潑的、偶然的、詩一般的藝術(shù)效果和情感意境。由傳統(tǒng)水彩畫的特征及繪制方法不難總結(jié)出非真實感水彩畫的繪制目標:從藝術(shù)角度需要模擬出水彩畫柔和、光亮等藝術(shù)特征，從繪制角度來看需要繪制出邊緣的暗色化、顏料自由擴散、流動圖案以及不同的紙張紋理產(chǎn)生的不同繪制效果。為了模擬出更好的水彩畫效果，本文提出一種基于Canny邊緣暗色化的水彩畫模擬繪制方法。利用八鄰域加權(quán)平均擴散算法來實現(xiàn)水彩顏料的自由擴散效果，利用形態(tài)學(xué)運算來實現(xiàn)水和色彩相互作用產(chǎn)生的流動圖案，最后利用基于像素級的融合算法來實現(xiàn)紙張的紋理效果。水彩畫模擬繪制流程圖如圖1所示。

圖1 水彩畫模擬繪制流程圖Fig.1 Flow chart for simulation drawing of watercolor paintings

1 Canny邊緣暗色化

邊緣暗色化是水彩畫模擬繪制過程中一個非常重要的環(huán)節(jié)，可實現(xiàn)邊緣顏色比內(nèi)部顏色要深的特征效果。實現(xiàn)這一特征效果最簡單的思路是先檢測出圖像的邊緣，然后通過改變邊緣線的顏色值達到邊緣的暗色化。這個處理過程主要包括兩項工作:一是精確的邊緣檢測，這個是實現(xiàn)邊緣暗色化的基礎(chǔ)；二是邊緣暗色化處理。

1.1 Canny邊緣檢測

圖像的邊緣檢測算法有很多，如Robert，Sobel，Laplace，Prewitt，Canny等算子。Canny邊緣檢測將原圖與高斯平滑濾波后得到圖像進行卷積，計算平滑過的圖像的一階導(dǎo)數(shù)，可以得到圖像的梯度值與梯度方向。通過高斯濾波平滑后產(chǎn)生的圖像通常邊緣上會有所擴散，通常使用非最大抑制來降低這種擴散對邊緣檢測效果的影響。圖2為各類經(jīng)典邊緣檢測的效果圖。

圖2 各經(jīng)典邊緣檢測效果圖Fig.2 Effect pictures of various classical edge detections

從效果圖上看，各種邊緣檢測算法基本上都能檢測出比較準確的邊緣。Sobel算子和Prewitt算子的效果輪廓較為清楚，但是效果圖中間噪聲比較明顯。對于非真實感水彩畫繪制的邊緣暗色化，只需要對圖像大色塊中的邊緣進行暗色；而對于同一大色塊中略微差別的邊緣無需進行暗色化。因此，盡管這兩個算法效果較好，但是，不是太適合水彩畫的邊緣暗色化。Robert交叉算子丟失部分細節(jié)信息，Laplace算子檢測出來的效果比較模糊而且噪聲偏多，因此，這兩種算法也不適合水彩畫的邊緣暗色化。Canny算子效果適中，既能檢測出比較完整的邊緣信息，而且除了邊緣之外沒有多于的噪聲；因此，本文中最后選擇Canny算子最為水彩繪繪制的邊緣檢測算法。

1.2 邊緣暗色化

在此通過Canny邊緣檢測完成對圖像的邊緣檢測操作。所謂邊緣暗色化就是對已經(jīng)檢測到的邊緣像素的顏色值進行暗色化操作。對邊緣像素值做特定的改變就可以得到暗色化的效果。本文選擇在RGB顏色模型中進行暗色化效果的操作。在RGB空間模型中，每個像素的顏色值都是由R，G，B值來表示，三個值的范圍為0～255，并且顏色從暗到亮依次變化。因此必須對三個分量分別進行處理本文中在邊緣檢測的基礎(chǔ)上對圖像的像素點一一進行判斷，如果該像素點為邊緣點，則對其進行亮度調(diào)暗操作，即對RGB三個分量值都進行同一參數(shù)值的調(diào)暗。實驗證明，參數(shù)值為-40時的亮度調(diào)整產(chǎn)生較好的暗色化效果，效果如圖3所示。

圖3 邊緣暗色化效果圖Fig.3 Effect pictures of edge darkening

2 八鄰域顏料自由擴散

顏料顆粒自由擴散作為水彩畫模擬過程中重要環(huán)節(jié)之一，是指在繪制過程中，顏料在水的作用下在紙張上的一些細微的自由擴散。本文采取一種基于圖像處理的八鄰域內(nèi)的平均擴散算法，實現(xiàn)中心點向八鄰域內(nèi)隨機產(chǎn)生的擴散點的自由擴散，擴散范圍如圖4所示。如果把隨機生成的擴散方向處的像素值直接替換成中心點的像素值，將會使整個圖片的顏色發(fā)生很大的變化，最后處理出來的圖片將會嚴重的失真。為使擴散效果柔和、逼真，本文利用相鄰像素平均色差的思想，即在利用隨機函數(shù)產(chǎn)生出中心點的擴散方向后，該擴散點的顏色值不是單純的由中心點的顏色值取代，而是由該點原來的顏色值加上中心點與該點原來顏色值色差的平均值來定。擴散的效果如圖5所示。

圖4 八鄰域擴散范圍Fig.4 Scope of eight-neighborhood diffusion

圖5 八鄰域內(nèi)自由擴散效果圖Fig.5 Effect pictures of eight-neighborhood free diffusion

3 形態(tài)學(xué)流動圖案產(chǎn)生

流動圖案的產(chǎn)生是指在水彩畫繪制的過程中，顏料隨水流動的方向產(chǎn)生的羽狀效果。為了實現(xiàn)圖像流動的效果，本文應(yīng)用彩色形態(tài)學(xué)中的一些理論、原理來實現(xiàn)。實驗過程中發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)元素的大小直接膨脹處理后的細節(jié)保留程度和顏色保留度與結(jié)構(gòu)元素大小有關(guān)，結(jié)構(gòu)元素越大，越容易破環(huán)原圖的顏色和細節(jié)。圖6a）、圖6b）中分別列出了使用3×3菱形、5×5菱形結(jié)構(gòu)元素進行膨脹運算后的效果圖。從效果圖中可以看出，在RGB空間中易于使用小的結(jié)構(gòu)元素進行膨脹處理，因此，本文選擇結(jié)構(gòu)元素的尺寸大小為3×3。選定好結(jié)構(gòu)元素以后，本文比較幾種經(jīng)典常用的基本的結(jié)構(gòu)元素。最后根據(jù)效果圖得出3×3結(jié)構(gòu)元素尺寸中菱形結(jié)構(gòu)元素具有最好的實現(xiàn)效果。

圖6 膨脹效果圖Fig.6 Pictures of expansion effect

4 圖像融合紙張紋理

傳統(tǒng)的水彩畫一般在宣紙上繪制。這類紙張表面粗糙、吸附能力強，因此紙張紋理的加入會使水彩畫的模擬具有更加逼真的效果。本文采用圖像融合的思想來實現(xiàn)紙張紋理效果的加入和彩色圖片在紙張上繪制的效果。

本文中用到的融合原理圖如圖7所示。

圖7 融合原理圖Fig.7 Diagram of fusion principle

設(shè)B（x，y）表示B層的像素值，F(xiàn)（x，y）表示F層的像素值，R（x，y）表示最后融合得到的新像素值，其中x，y∈N，在空域中采用點處理的方式對每個像素進行運算，選擇128×128的融合區(qū)域進行操作。在圖像融合處理過程中，以矩形中心像素為起點，從里向外由背景圖像逐漸地把像素值過渡到合成后的圖像。假定把滿足下式的函數(shù)作為圖像融合函數(shù):

式中:K是一個常數(shù)，表示融合因子，它是決定融合變化快慢的參數(shù)；D（x，y）決定融合時圖像的漸變方式，是與位置有關(guān)的系數(shù)，也是合成后的圖像像素值相對于合成前圖像像素值的變化偏移量；在保持背景圖像的連續(xù)性基礎(chǔ)上函數(shù)最后加入B（x，y）；在式中通常用從矩形區(qū)域內(nèi)的點到矩形中心點的歐氏距離來代替系數(shù)D（x，y）。隨著距離的增加，層F相對于層B的變化量權(quán)值逐漸增大，即背景圖逐漸向前景圖過渡。使用上式進行融合時，首先要選定常數(shù)K，K值決定了圖像過渡的快慢。合成前后的像素偏移量相對于背景圖的像素值B（x，y）的百分比越小，圖像過渡越能達到自然柔和的效果。同時這個百分比選擇又不宜太小，如果太小，將失去融合產(chǎn)生的效果。在實驗多次融合效果的比較中，K=0.025 8時，圖像具有較好的融合效果。本文把紙張紋理作為前景圖F，把產(chǎn)生的流動圖案作為背景圖B，對于不同的紙張紋理產(chǎn)生的融合效果如圖8所示。其中圖8b）為圖 8a）紙張對應(yīng)的效果圖，圖 8d）為圖 8c）紙張對應(yīng)的紋理圖。本文選擇不同類型的圖片進行水彩畫模擬繪制，部分效果如圖9所示。圖9a）表示原圖，圖9b）表示效果圖。從實驗結(jié)果可知本文提出的水彩畫模擬繪制方法具有較好的繪制效果。

圖8 不同紙張紋理融合效果Fig.8 Texture fusion effects of different types of paper

圖9 水彩畫繪制效果Fig.9 Drawing effects of watercolor paintings

5 結(jié)論

本文通過詳細的分析和研究傳統(tǒng)水彩畫特征和基本繪制技法，從而引入對非真實感水彩畫的繪制方法和目標。本文提出一種基于Canny邊緣檢測和八鄰域加權(quán)平均擴散算法的水彩畫模擬繪制方法，利用形態(tài)學(xué)運算來實現(xiàn)水和色彩相互作用產(chǎn)生的流動圖案，最后提出基于像素級的融合算法來實現(xiàn)紙張的紋理效果。實驗結(jié)果表明，所提方法具有較好繪制效果。