基于纹理的非真实感绘制技术研究

【摘要】：经典的真实感图形学主要是追求仿真世界的真实效果,采用物理建模的方法,对实物场景的颜色、灯光、材质等属性进行模拟,仿真光线和对象的交互,产生仿真图像和视频的真实效果。但人类对于真实世界的模拟还远远不够,通过模拟真实世界来实现真实感绘制是一项极其复杂的工作。探索新的研究和应用领域已经是图形学发展的必然趋势。 非真实感绘制(NPR:Non Photorealistic Rendering)建立在人类感知的基础上,结合了艺术的绘画规则与科学的技术方法,利用计算机生成具有手绘风格的图形,主要在于表现图形的艺术特质、模拟艺术作品,并且在自然艺术风格的模拟,图像信息的增强,动画的生成,数据的艺术表现以及医学、建筑学、教育学等方面都发挥着越来越重要的作用。此外,NPR适应图像内容,忽略次要细节,有效地将用户的注意力吸引到关键部分；能节省大量的人力、物力和时间来完成动画的制作、艺术效果的生成,这些特点使越来越多的研究者投入其中 本文首先分析了真实感绘制存在的不足,介绍了非真实感绘制概念、特点和分类,指出非真实感绘制的研究意义。论文重点从纹理的角度出发,探讨和研究了一系列基于纹理的NPR技术,在基于样本的纹理合成基础上实现了纹理传输的艺术效果；通过纹理方向的确定,模拟了铅笔画、流体风格的艺术效果,并将铅笔画算法扩展到视频场景中；此外,论文将NPR技术与视频纹理合成技术相接合,将抽象艺术效果算法运用到视频纹理中,本文的主要工作和创新点包括以下几方面的内容： 1.研究基于偏离映射的纹理传输技术。对已有的纹理传输算法进行回顾和总结,论文对基于图像类比技术的纹理传输算法进行改进。首先,为了得到与输入图像相同大小的纹理图像,利用改进的合成算法对纹理样本进行纹理合成,采用边界扩充、种子点选取、匹配过程优化等方法加速纹理合成过程,提高随机性和结构性纹理样本的合成效率。其次,基于Phong光照明模型改进了已有的纹理传输过程,环境光对传输效果的贡献根据目标图像的亮度自动调节,此外,实现了彩色图像的纹理传输效果。 2.基于纹理的铅笔画艺术效果研究。铅笔画艺术效果是非真实感绘制技术最常见、最重要的艺术效果之一,介绍了已有的非真实感铅笔画艺术效果实现方法,将线积分卷积技术(LIC)作用于白噪声图,产生铅笔画笔划纹理,算法可调节色调和边缘信息。基于颜色空间的转变,在lαβ色彩空间实现了彩色的铅笔画艺术效果图像,此外,论文将相关算法扩展到视频纹理中,实现了视频纹理中的铅笔画艺术效果。 3.基于LIC纹理的流体艺术效果研究。利用线积分卷积(LIC)技术,对输入图像进行纹理线条方向控制,通过迭代卷积模拟具有漩涡状、波动感的艺术效果图像。算法可根据参考纹理矢量图以及自身输入图像的梯度信息进行卷积；基于参考图像的局部统计特征,自适应地改变积分长度；采用迭代积分的思想加速迭代的过程,此外,利用颜色传输算法对绘制效果进行颜色渲染。 4.具有抽象艺术效果的视频纹理合成技术研究。论文基于人的视觉对亮度、颜色、线条朝向等信息影响最大的特点,通过非线性扩散、量化光照信息、边缘增强等技术提出了自动的抽象模型,得到抽象的视频帧图像,算法可突出部分区域的细节信息；其次,与视频纹理合成技术接合,通过对视频帧的相似度计算、划分子序列、确定播放序列、视频帧纹理合成等技术得到无限播放的视频场景。