写意水墨动态建模与渲染算法的人工智能实现

陈菁 张平 梁麒麒

摘 要：写意水墨是中国文化的精髓，是中国文化在国际文化市场中的名片。然而，国内的游戏界很少采用写意式的画面呈现方式，对游戏画面进行实时动态渲染。其根本原因是写意画的画面结构复杂、元素多、终端计算能力和渲染周期每秒不能达到30帧以上的游戏画面的染色效果。通过本文的分析，通过简化模型和对色彩逻辑的优化，可以实现写意水墨画风格动画的动态绘制。

关键词：人工智能实现;写意墨水动态;绘制算法

中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：2096-0905（2020）20-0-02

渲染是CG的最后一个过程，也是使您的图像与您的3D场景匹配的阶段。在英语中，它被称为渲染，有些人称它为阴影，但通常阴影被称为阴影，而渲染称为渲染。因为渲染和阴影是3D软件中的两个重要概念。虽然它们的功能非常相似，但它们都是一种显示方案，它在3D软件的主窗口中有很好的显示效果。它在观察模型以及三维模型的线框中起着辅助作用。显然，阴影模式对我们来说比线框模式更容易理解模型的结构，但它只是一个简单地显示，在数字图像中称为阴影。先进的3D软件，如玛雅，你可以使用阴影来显示简单的光线，阴影和表面纹理效果。当然，高质量的阴影效果需要专业的3D图形显示卡来支持，它可以加速非計算机图形转换成高质量的图像，但是，无论如何优化，都不能将显示出来的三维图形转换成高质量的图像。由于硬件的速度限制，这是因为阴影采用的是实时的，因为它不能反馈光线跟踪文件，例如反射和折射。在实际工作中，我们经常将模型或场景输出为图像、视频信号或电影，这些都必须经过渲染程序。[1]

作为意象绘画的祖师爷——传统中国绘画，早在宋元时代无论是实践还是理论就已经建立了一个成熟的水墨画形式语言系统。这个系统建立在对客观事物有着强烈的主观感受基础上，具备鲜明的有意味的形式主义特征。写意水墨是描述风景的一种简单方式，写意水墨大多是表现生活场景、抒发情感来表现的，多使用率真笔法和墨色飞扬。写意笔法与工笔笔法相比，更能反映风景的神韵，更能直接表达作者的情感。写意笔法表现为中前、侧前、反前，写意绘画是在长期的艺术实践中逐渐形成的。其中，自由画家的参与对写意绘画的形成和发展起到了积极的作用。据说唐朝王炜以其优秀的诗歌和绘画而闻名，所以他的绘画后人称之为“诗在画，画在诗”。他“改变了传统的方法”，用“轻墨清笔”的方法，把水墨拼凑在一起。五代先秦时期画家徐禧先是写花的板、叶、雌蕊、花萼，再略施浅色，创造出徐式的“墨滴法”。[2]

一、写意水墨渲染的难度

我们可以看出写意水墨的随意性和随机性，其重置和复制的难度比较大。在过去，物理引擎、粒子引擎和光引擎经常被用来绘制真实的红外动画，而最终的渲染则是在复杂的粒子部件下进行的。工作流程和处理程序都比较烦琐，一个工作站渲染一个帧通常需要几个小时甚至更长的时间。但是在游戏和其他场景的实时动态渲染下，一般移动终端的帧速率要求达到30帧/s。此时，不可能采用传统的逻辑规划方法。例如下图1所示：

通过对写意绘画风格的分析，采用泼墨、水墨、干笔等技法，使写意画层次分明，色彩多样。颜料渗溢出的肌理与树枝的生长形态具有某种同构关系，运用自然渗化的方法表现密密麻麻的树枝，更增添了画面的自然天趣。要实现中国审美风格的画面，就必须与生动的空白相配合。在过去，为了达到写意水墨的效果，我们需要逐个对水墨进行建模和渲染，消耗大量的计算资源。采用墨块绘制方法，分析了喷墨的多构形原理，并对油墨块控制的元件进行了复位，也对透明度和噪声贴图进行处理，可以有效减少绘制的计算量，实现高速实时动态绘制。例如，在传统模式下，色带中大约有4000-6000个墨滴，每帧的渲染时间约为6000-9000秒（100-150分钟），色带被规划为整个墨块，并采用骨骼技术附着，用异色透明材料驱动模型的单墨水块绘制，实际绘制速度将小于1秒。采用缓存技术，可以实现每秒30帧以上的实时渲染。

二、水墨渲染软件逻辑

一般几何形态使用计算机以数学方法描述物体和它们之间的空间关系。通过二维图形投影可在屏幕上生成物体，使用方程式产生直线和形状，依据它们相互之间及与所在的二维或三维空间的关系精确放置。但是水墨渲染与几何形态建模的程序略有不同。

首先，将组件的数量应该大大减少。充分利用贴图材料实现细节的显示。以流媒体为例，电影级渲染将使用组件实现每个纹理细节。此时，将形成大量的组分，每个组分都将独立映射，进行独立的光学、粒子和物理计算，渲染需要很长时间。通过对材质的设置，能给模型赋予一定的颜色，为了能模拟出充满变化并具有天然肌理的视觉元素效果，并为了表现这些丰富的效果，就需要为模型赋予某种特殊效果的图像，称之为贴图，用来模拟真实物体的纹理。当使用纹理材质来表示其细节时，一方面，构件的结构将得到最大程度地简化，另一方面构件的数量也将大大减少。将其渲染时间压缩数千次。

其次，充分利用渲染缓冲区算法。在组件的初始呈现之后，大多数引擎配置参数都保存在缓冲区中。因此，不需要逐帧计算引擎参数，而且可以大大减少渲染过程中前端引擎参数的计算工作量，使渲染时间缩短10倍至100倍。

在具体实施过程中，采用实时动态绘制，如果要显示手绘效果，关键技术是组件的透明度和层次性，此时，只需调整色块的透明度即可实现，这一实现过程会经过反复的尝试和修改才能达到比较理想的效果。在固定构件渲染参数配置下，这种绘制时间远小于复杂构件组的独立绘制。[3]

最后，采用多线程管理的思想，充分利用多核处理器的线程资源。在电影级写意水墨渲染过程中，GPU浮点运算能力一般被用作主要的渲染计算资源，但对于家用电脑、手机、平板电脑等实时动态渲染设备来说，CPU的浮点运算能力远远低于GPU。但其多核计算机资源可以为软件逻辑提供足够的独立线程资源。例如在8核CPU中，一个内核运行游戏引擎，一个内核计算不同渲染引擎下的渲染参数，另外六个内核根据梯度渲染图像，实际渲染效率可提高6倍。即使核心无法在设计时间内完成渲染，也可以实现帧跳转处理。在30帧的游戏体验速度下，插入1-2帧的跳帧，不在肉眼可见的范围内，这种情况下游戏的画面效果不会对游戏体验造成太大影响。

三、结束语

通过本文的分析，以高通8核芯片为例，利用移动终端以每秒30帧以上的速度实现具有近似写意效果的游戏动画的动态渲染是可行的。虽然最终的渲染图像不能达到电影级动画的水平，但它可以实现移动终端动态渲染技术在写意水墨风格动画游戏中的应用。这对弘扬中国写意水墨文化具有积极意义。通过大色块、低精度造型、高精度贴图材质和透明度控制，可以实现类似写意水墨的游戏艺术风格。

参考文献：

[1]周俊.写意水墨画的形式语言[J].荣宝斋，2019（12）：194-205.

[2]张晓涵，杜士英.水墨写意风格在CG插画中的表现与运用[J].汉字文化，2019（S1）：175-176.

[3]路萍.进化着的水墨写意[J].美与时代（中），2018（02）：16-17.