[发明专利]基于边缘正切流的模拟铅笔素描画方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于边缘正切流的模拟铅笔素描画方法，属于非真实感图形学领域。

技术背景

在计算机图形学中，非真实感图形学已经成为越来越重要的研究领域。非真实感绘制是指通过计算机生成不具有照片般真实感，而具有手绘风格的图形的技术。该技术虽不能描绘出像照片一样真实的场景，但更注重表现画面的艺术特质、模拟绘画风格、艺术感觉等。近几年来，在非真实感图形学该领域中已经进行了大量的研究，在各种艺术风格上都进行了尝试，充分体现了其发展空间和人们对艺术的渴望。作为非真实绘制技术其中的一个分支，铅笔素描画绘制技术也是研究的重点之一。

铅笔素描的基本造型手法是用线条、明暗来表现物体的形体、结构和空间。在计算机模拟绘制时，笔画方向的确定是十分关键的。为了表现物体本身所有的特征，提升画面的立体感和明暗对比关系，本发明采用边缘正切流(Edge Tangent Flow，ETF)的方法确定笔画的方向，根据图像自身特征信息自动地绘制铅笔素描纹理。边缘正切流是一种基于核的非线性向量平滑方法，使梯度较小的向量受控于相邻梯度较大的向量，从而使向量保持平滑及其特征。对于亮度变化不明显的区域，设定阈值提取，并把该区域的笔画方向设置为45°±5°。对白噪声图和结构矢量场进行线积分卷积处理，并生成铅笔纹理图层。然后在结构矢量场的基础上，将笔画方向逆时针旋转90°，利用线积分卷积处理生成背景纹理图层。最后将两图层叠加，生成铅笔素描画。

、Huang在“A feature-based pencil drawing method”(in Proceedings of the 1st international conference on Computer graphics and interactive techniques in Australasia and South East Asia，2003)一文中提出了一种基于特征区域的铅笔画绘制方法，对原始图像进行图像分割，并对分割出的区域进行几何特征的计算，以此确定最终的笔画方向。

Yamamoto、Mao和Imamiya在“Enhanced LIC Pencil Filter”(in Proceedings of the International Conference on Computer Graphics, Imaging and Visualization ，2004)一文中提出了一种改进的铅笔画生成方法。避免采用图像分割，根据原始图像灰度值的范围将图像分成黑、灰和白三种图层，利用线积分卷积算法对三层分别生成铅笔纹理，最终叠加在一起生成铅笔画。

Yang, Kwon和Min在“A Texture-Based Approach for Hatching Color photographs”(ISVC 2010, Part I, LNCS 6453, pp. 86–95, 2010)一文中提出基于纹理的彩色铅笔画生成方法，采用Delaunay triangulation方法根据原始图像的结构生成三角形网格，以三角形网格的每一个节点确定笔画的方向。

Yang, Kwon和Min 在“A Stylized Approach for Pencil Drawing from Photographs”(in Proceeding of Eurographics Symposium on Rendering 2012)一文中提出一种铅笔画的风格绘制方法，采用特征笔画流、物体笔画流和背景笔画流来分别控制笔画的方向。但是当遇到复杂背景的时候，不能自动识别背景与前景，则需要人工交互来完成。

根据型号的不同，铅笔可分为软性铅笔和硬性铅笔两种类型。以HB作为界限，H-6H为硬性铅笔，6H最硬，一般于设计专业、制作图纸方面使用。HB-6B是向软性铅笔和颜色更深的方向变化的，颜色更深的有6B、7B铅笔。硬性铅笔画出的线条硬挺、清晰，而软性铅笔画出的线条沉稳、厚重。通过观察铅笔素描作品，发现无论硬性铅笔或是软性铅笔与纸张摩擦后，留下的纹理都具有明显的颗粒效果。根据这一特性，本发明采用线积分卷积算法生成铅笔的纹理，模仿笔芯与纸张交互后产生的摩擦效果。

对于铅笔素描模拟技术的研究是一种推动人工智能发展的一个重要研究领域。对铅笔素描生成方法进行研究，并不是要代替手工作画，而是希望能让它可以成为一种工具，供没有绘画基础的人使用。本发明设计的铅笔素描画生成方法，流程简便，实现效果更贴近手工绘画的效果。

发明内容