[发明专利]一种计算机实时素描渲染系统及其算法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机技术领域，具体为一种计算机实时素描渲染系统及其算法。

背景技术

非真实感绘制技术是一种致力于生成不同手绘艺术风格的图形渲染技术。目前非真实感绘制技术已经在模拟素描、油画、水彩画、钢笔画、版画等方面取得了长足的进步，其中素描画是一种以铅笔或固体矿物为色素颜料，在不特定纸上，以明暗为主，结合线条来表现立体效果，其计算机绘制的难点主要在于如何模拟手绘的轮廓线以及笔画文理，该领域也一直是非真实感绘制技术的研究热点之一。

在轮廓线绘制上，由于计算机绘制的线条具有精确性和统一性，因此计算机绘制的线条与手绘的线条相比显得呆板生硬。为了表现不同的艺术风格渲染，采用了一种存储单一的纹理笔触，通过平铺不同的纹理笔触，达到绘制不同的艺术效果，但是该方法并没有对计算机绘制的线条进行特殊处理。在轮廓线的检测方法都是通过检测物体的曲率来检测出物体暗示线，通过检测这样的隐性轮廓线，更好的表达物体的空间结构，但是他们的工作仅仅包含轮廓线检测，而为涉及不同风格的轮廓线绘制。采用三维空间轮廓线绘制不连续问题，其算法核心是利用轮廓线的连续性，重新拓扑绘制轮廓线，提高了轮廓线的绘制质量。为了解决线条风格化渲染问题，采用了图像分割的方法进行渲染绘制，但是仍然摆脱不了线条过于精确与统一的性质，因此仅适合模拟简笔画。从轮廓线的连续性、宽度、alpha值变化等属性考虑绘制轮廓线，绘制出来的轮廓线变现更为生动，在一定程度上实现了手绘线条的风格效果，但由于素描绘画的轮廓线具有断续性和重叠性，该方法并不适合素描画风格渲染。为此，我们提出了一种计算机实时素描渲染系统及其算法投入使用，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种计算机实时素描渲染系统及其算法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种计算机实时素描渲染系统，该计算机实时素描渲染系统由场景数据文件模块、渲染引擎、输入模块、轮廓线检测模块和三维模型生成模块组成；

所述场景数据文件模块用于加载和保存场景数据，并将场景数据文件上传至所述渲染引擎中；

所述渲染引擎包括向量矩阵模块、混合文本渲染模块、照相机视图体模块、多定时器模块、纹理图像加载和纹理库管理模块与渲染应用通用模块，所述向量矩阵模块用于完成各种向量运算和矩阵运算功能；所述混合文本渲染模块实现文本显示功能，采用基于纹理映射的方式来显示文本，在运行时动态改变字体和字体大小；所述照相机视图体模块实现三维渲染系统中的照相机模型和视图体剪裁相关基本算法，为场景漫游、场景漫游路径记录与回放和层次性视图体剪裁提供实现支持；所述多定时模块用于完成基本的定时功能，提供8个独立的时间计时器，并使用其中的两个时间计时器来实现帧速显示和帧速调控；所述纹理图像加载和纹理库管理模块用于加载图像文件到内存中，生成纹理对象供场景渲染，并把一个场景模型中的所有纹理对象放进纹理库中进行管理；所述渲染应用通用模块为渲染应用系统提供一个基本的框架，并完成窗口初始化和渲染环境建立的通用功能；

所述输入模块包括鼠标输入和键盘输入，且所述渲染引擎的场景漫游操作由键盘控制；

所述轮廓线检测模块用于轮廓线的检测与拆分，并对不同方向上的轮廓线进行紊乱处理；

所述三维模型生成模块利用三维模型切线方向和副法线方向生成相应的方向场，并分别对带有光影信息的基础纹理进行线性卷积处理，输出不同方向的线条纹理图。

优选的，所述输入模块的处理对于25帧/秒的渲染系统，其处理的相应时间为40毫秒。

优选的，所述纹理图像加载和纹理库管理模块支持bmp、tga和jpg三种图像文件格式，并支持图像文件格式扩展。

优选的，一种计算机实时素描渲染算法，该计算机实时素描渲染算法的具体步骤如下：

S1：对轮廓线进行检测与拆分，对不同方向的轮廓线进行紊乱处理；

S2：对轮廓线条进行线性卷积根据公式重新计算每个方向上的轮廓线像素点周边像素的影响权重，式中f(x)为周边像素点的影响权重，Γ为卡方方程的偏正态分布效果值，n为可影响当前像素的周边像素个数；

S3：根据公式重新计算每个像素点的像素值，式中P₀是当前像素点的原始像素值，f(i)是由步骤S2中的公式计算出的周边像素点的影响权重，N是拆解成不同方向的轮廓线总数，D′_t(i)是通过公式拆解成不同方向的轮廓线在周边像素点i处的像素值；