數(shù)字三維寫意水墨山水畫的建模繪制與渲染方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于計算機制圖技術領域，涉及數(shù)字三維寫意水墨山水畫的建模繪制與渲 染方法。
【背景技術】
[0002] 數(shù)字三維寫意水墨山水畫的建模、繪制與渲染以數(shù)字三維寫意水墨山水畫作為主 要研究對象，在虛擬數(shù)字三維空間中，運用三維圖形技術強大的表現(xiàn)力來創(chuàng)建動態(tài)、高度逼 真的三維水墨寫意山水形象，通過分析、提取和模擬傳統(tǒng)中國水墨畫，解決了皴法繪制乃至 山石自動生成技術，設計了數(shù)字三維水墨山水畫的繪制方案，提出了傳統(tǒng)中國山水畫構圖 中的"散點透視"法則在數(shù)字三維空間中的解決方案，實現(xiàn)了數(shù)字山水畫中的山石和樹木的 建模、繪制與渲染問題，展現(xiàn)了傳統(tǒng)二維水墨畫無法實現(xiàn)的動態(tài)三維水墨空間，形成了一整 套較為系統(tǒng)和完整的水墨山水畫的制作技術。通過數(shù)字方式的創(chuàng)作，體現(xiàn)中國山水畫美學 理論中的南派寫意山水畫的"意境"美。
[0003] 數(shù)字三維寫意水墨山水畫的建模與渲染方法繼承和發(fā)展了傳統(tǒng)水墨畫藝術的審 美理論和美學思想，對中國水墨畫的變革和發(fā)展有著積極的參考價值和推動意義。數(shù)字三 維寫意水墨山水畫拓展了計算機的三維藝術表現(xiàn)語言，對三維建模及渲染領域而言，也是 一個不小的突破。數(shù)字三維寫意水墨山水畫的創(chuàng)建和渲染技術研究對于引導靜態(tài)水墨畫仿 真研究向動態(tài)的三維渲染領域進軍，豐富圖形渲染領域的處理手段，推動計算機仿真技術 的發(fā)展，促進非真實感渲染技術研究的發(fā)展乃至推動計算機圖形學的發(fā)展都能起到積極作 用。數(shù)字三維寫意水墨山水畫的創(chuàng)作技術研究成果在電影藝術、卡通動畫制作、非真實感全 景巡游、三維虛擬游戲等數(shù)字藝術制作領域將有極為廣泛的應用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供數(shù)字三維寫意水墨山水畫的建模繪制與渲染方法，采用的 技術方案步驟如下：
[0005] 本發(fā)明所采用的技術方案是數(shù)字三維寫意水墨山水畫的建模繪制與渲染方法， 其特征在于按照以下步驟進行：
[0006] 步驟1:數(shù)字三維寫意水墨山水畫建模；
[0007] 步驟2:皴法紋理采樣與合成；
[0008] 步驟3:水墨山水畫的繪制筆刷；
[0009] 步驟4:斜投影視圖空間的創(chuàng)建；
[0010] 步驟5:基于阿爾法遮罩通道的最終渲染。
[0011] 進一步，所述步驟1的建模方法為基于粒子堆疊的建模、基于程序的綜合特征建 模；
[0012] 基于粒子堆疊的建模采用粒子沉積算法，使粒子序列下落，模擬它們在一個先前 落下的粒子所組成的表面上流動，下落足夠數(shù)目的粒子將產(chǎn)生看起來像是粘性流體的流動 線狀結構，在這種粒子沉積和堆疊過程中，粒子在重力、浮力和粘性力的約束下，隨機產(chǎn)生 的粒子會堆疊成各種千變?nèi)f化的形狀；
[0013] 基于程序的綜合特征建模是設計一種關系增長語法RGG和擴展L系統(tǒng)語言XL，RGG 是一個在圖上的替代字符串的重寫系統(tǒng)操作，一個圖就是一個結構組成的節(jié)點和連接這些 節(jié)點的弧;基于RGG的擴展L系統(tǒng)綜合特征建模是通過編程或撰寫腳本語言，把種類眾多、紛 繁復雜的各種水墨山水畫物象內(nèi)容通過簡潔的筆刷和簡單的動作方式繪制出來。
[0014] 進一步，所述步驟2方法是初始化記錄匹配點位置的數(shù)組，設置為輸入圖像中的隨 機點，對于輸出圖像中的每一個象素，按照掃描線順序計算：（1)在輸出圖像中，考慮當前點 的L-鄰域，對鄰域中的每個點，根據(jù)數(shù)組中匹配點的位置，偏移相應位置后，選取該點為待 選點，從而形成候選點列表；（2)清除其中重復的待選點；（3)在待選點中選取與輸出圖像當 前點的L-鄰域誤差最小的點，拷貝到輸出圖像當前點中，并記錄該位置；（4)重復直至獲得 合成圖。
[0015] 進一步，所述步驟3水墨山水畫的繪制筆刷是在造型與紋理基礎上，采用水墨山水 畫的繪制筆刷進行山水畫的局部繪制，水墨山水畫的繪制筆刷步驟如下：筆刷的通用控制 參數(shù)設定;樹木生成筆刷的控制參數(shù)設定；山石生成筆刷的控制參數(shù)設定;水墨山石與樹木 繪制的筆刷插件開發(fā)；
[0016] 所述筆刷的通用控制參數(shù)設定是編寫Maya的Mel格式的繪制筆刷，編寫Maya的Mel 格式的繪制筆刷時，必須考慮在繪制過程中發(fā)生的各種可能性，包括筆刷的繪制類型、筆 刷寬度大小、繪制對象的初始大小、是否啟用光照顯示、是否采用紋理；
[0017] 所述樹木生成筆刷的控制參數(shù)設定是制作樹木生成筆刷，樹木生成筆刷的控制參 數(shù)可以分為樹干、樹枝、小枝、樹葉、花、芽6個樹器官模塊；
[0018] 所述山石生成筆刷的控制參數(shù)設定首先定義粒子筆劃"tubes"的啟用、繪制筆劃 的長度和寬度，然后再設定粒子"Tubes"的軟度、密度、邊緣的淡入或淡出，并且根據(jù)水墨山 石的皴法特征，選用合適的合成紋理；
[0019] 所述水墨山石與樹木繪制的筆刷插件開發(fā)是開發(fā)水墨山石樹木筆刷插件;Maya的 Mel筆刷編程時需要了解的山石、樹木等各種程序控制參數(shù)，這些參數(shù)都包含在一個稱之為 "PaintEffects"的筆刷容器里，尚未使用或暫時不需要使用的控制參數(shù)就用布爾值0進行 關閉，需要使用的才用布爾值1打開，根據(jù)水墨山水畫的各種山石、樹木的造型和渲染效果 需要，把具備某種水墨效果特征的山石或樹木進行單獨"打包"，形成一個個水墨畫筆刷插 件，這些筆刷插件發(fā)布以后就可以在虛擬數(shù)字三維空間進行自由繪制、創(chuàng)作，繪制時，這些 筆刷能根據(jù)創(chuàng)作者的需要進行單獨使用或組合使用。
[0020] 進一步，所述步驟4斜投影視圖空間的創(chuàng)建，是在數(shù)字化虛擬三維空間，采用斜投 影視圖空間來完全模擬傳統(tǒng)山水畫的"三遠"法構圖和靈活處理山水畫的空間透視關系。
[0021] 進一步，所述步驟5基于阿爾法遮罩通道的最終渲染，根據(jù)數(shù)字山石畫寫意效果的 需要，渲染合成完整的寫意山水畫效果圖，包括阿爾法遮罩通道的獲取和定義、寫意水墨山 石的合成；
[0022] 阿爾法遮罩通道的獲取和定義是根據(jù)數(shù)字山石畫寫意效果的需要，通過定義粒子 堆疊模型的中的粒子密度、軟硬程度和融合程度，然后得到一張與山石基本外觀形狀相吻 合的阿爾法遮罩通道圖像，在遮罩通道圖像參與紋理和模型合成貼圖的渲染過程，為了使 皴法紋理和山石的外觀形狀能達到更好的契合，即產(chǎn)生一種水墨和皴法共同結合、交相輝 映的效果，或者有的地方只顯示淡墨而沒有皴法線條，有的地方只顯示皴法線條而沒有淡 墨，對阿爾法遮罩通道中的墨、白、灰層次重新定義和設置閥值，在區(qū)塊灰度值60〈RGB〈255 之間設置皴法紋理顯示度的權重值，其中，RGB的灰度值在60以下的定義為不顯示紋理，最 黑區(qū)塊即RGB為0,0,0的純黑色的皴法紋理顯示度為0%，最白區(qū)塊即RGB為255，255,255的 純白色的皴法紋理顯示度為100% ;
[0023]寫意水墨山石的合成步驟是在Maya內(nèi)部的三維渲染引擎中，輸入合成的皴法紋理 圖像，并定義粒子堆疊的山石模型渲染指標，系統(tǒng)自動生成具有阿爾法通道的遮罩圖像，最 后渲染合成完整的寫意山水畫效果圖。
[0024] 本發(fā)明的有益效果是對傳統(tǒng)寫意山水畫進行深入了解的基礎上進行寫意畫墨法 效果的特征解析，對計算機仿真過程進行程序處理上的分解與整合，進而提供一種計算機 程序控制和人工干預相結合的模式，生成數(shù)字寫意水墨山水畫的模型和皴法紋理，設計數(shù) 字三維水墨山水畫的繪制方案，解決數(shù)字水墨山水畫在三維空間中的構圖，完成數(shù)字水墨 山水畫的最終渲染合成，實現(xiàn)水墨山水畫的數(shù)字化。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明數(shù)字三維寫意水墨山水畫的建模、繪制與渲染方法的基本流程圖；
[0026] 圖2是本發(fā)明的一組基于三維粒子堆疊技術的建模圖；
[0027] 圖3是本發(fā)明的基于綜合特征建模構架體系的筆刷創(chuàng)建流程圖一一從初始到完 成；
[0028] 圖4是本發(fā)明L形鄰域及匹配搜索示意圖；
[0029]圖5是本發(fā)明皴法紋理的一次和多次紋理取樣與合成效果圖；
[0030]圖6是本發(fā)明基于Mel的各類水墨山水畫筆刷圖；
[0031]圖7是左上為斜投影相機視圖，中上、中下和右下為正投影視圖，右上為透視圖； [0032]圖8是阿爾法通道的遮罩圖像各區(qū)塊的RGB灰度值以及與灰度值對應的紋理顯示 情況；
[0033]圖9是本發(fā)明的寫意水墨山石的皴法合成圖；
[0034]圖10是本發(fā)明的基于三維粒子堆疊技術的山石水墨效果渲染參數(shù)試驗圖。
【具體實施方式】