传统水墨画数字复原技术研究

庄佳峰

[摘 要]中国水墨画与一般的三维轮廓线渲染表现算法差别较大，有着更为复杂的数据算法。针对水墨在宣纸上扩散后会出现较明显的具有自相似特性的轮廓线这一特点，提出一种基于Inkn paint材质为基础的仿真水墨画边界扩散的渲染绘制方法。实验结果表明，该方法通过流体仿真模型产生扩散笔迹，利用分形在扩散笔迹的最外层模拟一条不规则的轮廓线绘制，并填充两者之间的空隙，使得扩散效果更自然、逼真。

[关键词]非真实感绘制 传统水墨画 数字复原

1 引言

非真实感绘制是计算机图形图象模拟国画、油画、素描和技术图纸等手绘艺术创作风格的新兴技术领域。其国画的水墨效果仿真模拟与一般3D渲染表现算法差别较大，有着复杂多变的墨系材质表现技法。对中国画计算机图形仿真绘制的研究更加有利于水墨画艺术的推广和计算机艺术化的发展。

根据水墨在宣纸上扩散后会出现较明显的具有自相似特性的轮廓线这一特点，吸取传统绘画艺术的营养与成就，提出一种基于Autodesk 3DSmax软件中Inkn paint材质为基础的新型渲染绘制方法。借助这种分形轮廓线的扩散方法详尽解释和研究了笔墨特点与造型规律，对水墨画内部复杂而丰富的结构系统作出了科学的分析，并形成接近真实的水墨山水画艺术效果。

2 水墨分形轮廓线绘制方法的基础技术原理

2.1 Inkn paint材质

由于水墨画面的扩散和渗透主要是宣纸纤维的自然吸水力，而不是棱角鲜明外轮廓。水墨材质的晕染虽具有可流动性，但并不遵照真实流体物理规律；材质和渲染算法中也不需要梯度及流体速度的概念，而是计算并维持了轮廓线之间一个局部的静态平衡，区别于真实模型仿真渲染。

Ink 'n Paint Material （勾边与填色材质）基本属性数据表：

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

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

Ink 'n Paint（轮廓线和填充）分解

Ink （Outline）=1/1.5 （+RGB

Paint Level=1/2 /3/4

Paint Level=2 （ Highlight=20/5/1）

2.2真实感绘制中的三维轮廓线模型

轮廓线是三维模型的一个基本特征，体现了模型的大致形状和轮廓，线在视觉效果方面对于刻画三维模型基本外观的感知与审美都是必需的。其三维轮廓模块输出是基本几何对象类与几何计算函数，如点、矢量、矩阵的数据结构定义和相关的计算函数，是本次实验过程中必不可少的模块，系统中与模型构建及基本的变换都需要这些几何对象和计算功能。

数据函数包括内外力两方面，如边界曲率和梯度。对于轮廓比较平滑的目标，这种方法可以获得更好的效果。当目标比较复杂或与其它物体靠得较近时，用户无法估计效果扩散的最后结果，初始的轮廓线也不易确定，往往需要进行多次的交互工作，才能使获得的边界扩散渗透更接近真实的水墨画视觉效果。

3 基于Inkn paint材质的仿真水墨画轮廓线绘制方法研究

3.1轮廓线吸水性扩散和渗透平衡性仿真研究

水是笔、墨、色和纸发生相互作用的中介，左右着画面素材之间的渗化作用。水墨画内部与外形轮廓线均有扩散和渗透现象，（如图1）由于水墨绘画材料的特殊性，它还具有潜在的渗化作用。渗化与扩散是一个可以看到的极为明显的动态过程，水墨会扩散到笔迹之外，同时渗化作用留下清晰的扩散纹理[1]。

Inkn paint材质渲染中利用分形在扩散笔迹的最外层模拟一条不规则的轮廓线绘制，并填充两者之间的空隙，使得扩散效果更自然、逼真。大多数图象经过非真实变换后，边缘点一般处于零交叉点，对同一点的两条数据路径，若边缘点多的一条不能占优显然不符合要求，因此当数据不占优时需要添加新的约束、需要根据数据路径上零交叉点数的多少来时实判断取舍。具体为在计算获得新点的数据后，若当前计算获得的数据大于已有的数据，则反向跟踪路径的最近n个点，统计两路径的零交叉点数，若当前路径的零交叉点数大于旧路径的零交叉点数，则用当前计算获得数据替换旧的数据，继续进行仿真渲染。

3.2扩散笔迹与不规则的轮廓线绘制研究

轮廓线是基于毛笔的扩散和纸张的晕染现象形成均匀渗透。这是一个由黑色线为中心向灰色再向alpha 扩散的一种真实形式。从纸面上看，其晕化呈同心扩张状态，由中心向四周依次减弱色度和纯度。即墨色从一个中心点均匀地作圆形扩张，扩张面积与水墨份量成正比的效果分解关系（如图2）。[3]

Inkn paint材质提供了简洁易操作的渲染技法，在搜索轮廓线时与一般的真实感绘制算法有些类似。基本思想是在设定轮廓线临界点后，计算出图上各点之间的最小数据。通过分析数据的计算过程，可以对复杂物体的边缘进行比较准确的定位，由于模型边缘点多为零交叉点，表现水墨画面时其数据较弱，因而使数据沿中心线呈同心向外扩张状态，从而在交互引导过程中自动勾勒出边缘并向外扩散。

Inkn paint材质是在全图范围内寻找优化的边界，与真实感绘制算法不同，不通过初始轮廓线降低数据的方式，而是通过分步优化数据函数获得边界数据。但也需要一个初始的模板以约束搜索，需要给出初始的轮廓，然后进行效果扩散，使轮廓线沿数据降低的方向靠近，最后得到一个优化的边界。

测试效果：利用分形在扩散笔迹的最外层模拟一条不规则的轮廓线绘制，并填充两者之间的空隙，使得扩散效果更自然、逼真。

3.3不可覆盖、忽略光影性和多色彩效果的渲染技术研究

中国水墨画不适合表现光感、质感，因为绘画材料本身的透明性和不可覆盖性。由于中国水墨画颜色的特殊性，山水画的色彩作为单独子系统进行考虑。再加上与水墨的特殊作用关系，进行大量深入的研究和分析，建立适于中国水墨画的色彩模型。水墨画艺术色彩的计算再现可以提供给计算机图形艺术家新的艺术创作手段，非写实性渲染及纹理映射将增添中国画的审美韵味（如图3），人们可以通过更直接的方式认识中国水墨画艺术。

Inkn paint材质利用RGB色彩模式来实现在三维场景中直接绘制出具有水墨轮廓线特性的色彩图象。RGB颜色主要是针对色彩易于硬件实现为目的，往往同一种颜色在强弱不同的光照下差别较大，在实际应用中，由于帧间明暗存在差别，同一色块因光照不均也存在高光或暗区域，所以需要的是一种能去掉亮度信息的颜色模型、轮廓线，即采用色度空间。

在视觉传达领域广泛采用三维模型的轮廓线绘制技术详细客观地描绘了水墨画各组成要素的材料特性及相互间的作用关系。

结论

基于Inkn paint材质仿真中国水墨画轮廓线的渲染方法，通过一组简单有效的三维模型，成功地实现了中国水墨山水画的基本艺术效果，实现了保留笔迹和扩散纹理等典型效果。特别是不同笔次之间的作用效果，如荡墨、干笔飞白、破墨及水带墨等，实现水墨画的不可覆盖性机理特殊效果。

在未来研究工作中，考虑到扩散纹理的渗化效果与纸纤维的内部结构直接相关，选择更好的随机性控制，以实现其它水墨艺术效果。这主要是因为水墨轮廓线绘制的微观运动细微地刻画了图像细节，可以通过参数的变化，随意控制最后的输出结果，直到令人感到满意。并具有自相似特性的轮廓线分形能力，同时提供了一定的可预见性和可控性，通过改变特征参数值得到期望的结果，有时甚至可以得到意想不到的艺术效果。

（责任编辑：刘小红）