基于领域像素概率统计的图像非真实感艺术处理

中国美术学院实验教学管理部 章 雁



基于领域像素概率统计的图像非真实感艺术处理

中国美术学院实验教学管理部 章 雁

非真实感绘制（Non-photorealistic Rendering，NPR)是计算机图形学中一个崭新的课题，属于计算机艺术的范畴。作为与真实感图形学相对应的图形学分支，NPR是计算机科学与艺术的有效融合，是以计算机为工具来模拟各种艺术绘制风格。在非真实感绘制处理过程中，针对不同的图像处理期望，各种非真实处理的算法是研究的主要内容之一。该文主要针对在色彩渲染过程中一种基于领域像素色彩信息概率统计，从而实现画面色块模拟来达到非真实感绘制的算法进行研究。

非真实感绘制 概率统计 色块模拟

0 引言

自20世纪60年代以来，计算机图形技术主要致力于对客观世界的真实感模拟，人们努力把眼睛所看到的准确无误地重现出来，基于各种手段，通过模拟可以得到最接近现实世界、高真实度的图像效果。真实感绘制技术越来越成熟且广泛应用，并且随着计算机软件和硬件技术的不断进步，我们所面对的是越来越高分辨率的图像和显示屏，计算机能够模拟的图像越来越清晰，越来越接近真实世界。然而由于真实感绘制过于精确反应现实，所以缺乏绘画作品应有的艺术感觉，很难融入传统艺术作品那样表达艺术家想要表达的情感和意境。与真实感绘制相对应的非真实感绘制（Non-photorealistic Rendering，NPR)[1]，它更专注于图形个性化和艺术化的表达，致力于将传统的手工制作的艺术作品改由计算机自动生成，使得画面更具有表现力，并且赋予画面以艺术情感和生命力。非真实感绘制系统的目标是利用计算机生成具有某种艺术风格的图像，使其看起来是由艺术家手工绘制的作品。非真实感绘制技术早期主要应用于自然材质（比如铅笔、墨水、油画、水彩）的模拟，目前在教育、娱乐、动画、影视、游戏、艺术等领域都有着广泛的应用前景。

通常的NPR方法大致分为2类[2]：一类是使用物理方法实现对绘画原材料的模拟[3]；另一类则是从最终效果出发，参考艺术家的创作过程，模拟画笔形状或笔法特征，通过各种算法模拟不同类型艺术作品的风格[4]。

1 现实场景与艺术作品的区别

自然界色彩因为其从本质上来说就是不同波长的光，因为光谱的连续性，所以自然界色彩数量从理论上讲有无限多种，真实的现实画面是在色彩、光影等诸多因素综合之下由无穷多的色彩平滑连续地展现在我们面前的，真实感绘制的追求就是尽可能地实现对真实画面的模拟，现代计算机图像技术随着计算机显示技术的不断发展与进步，从最开始的只能表达黑白两色的2位图发展到可以表达16777216种颜色的24位“真彩色”乃至进一步的32位色，其能够模拟的自然界颜色越来越多。在硬件上，显示器的技术发展决定了显示分辨率的不断提高，同样面积的画面中能够包含的像素更多、图像更加清晰。从而使得我们在计算机里能够模拟的画面越来越接近自然界的真实画面。

而在艺术作品中，因为作画工具，材质、颜料本身等原因，艺术作品画面所能达到的色域远小于计算机所能表达的色彩数量，更不用说现实场景。而恰恰是这种区别，使得艺术家在色彩运用上不拘泥于完全写实，不用如同计算机般的模拟，从而可以让色彩为作品服务，艺术家对大自然的景物在各种光影条件下进行观察与理解，并融合自身情感后再通过色彩在艺术作品上表现出来。通过人为的方式展现一个“不一样的现实”，而这种融合了感情的艺术作品，就超脱了画面本身表达的内容，有了更高的意境。

真实感模拟技术的发展就是要通过尽可能高的分辨率与色彩位数来在每个像素模拟真实场景中的色彩，这样原来真实场景中平滑连续的色彩变化可以通过高分辨率及高色彩位数在显示过程中以微弱的色彩变化差距来模拟，从而让在显示器上显示的计算机图像从视觉效果上可以接近现实场景。而艺术作品则因为画面色彩是通过数量有限的颜料调合而成。因此在画面中能够出现的色彩数量有限，并且因为作画工具尺寸、作画材料材质等原因，很难达到像素级的清晰度，艺术作品画面与现实场景和计算机模拟画面最明显的区别就是大色块的存在，并且因为作品类型、画派、工具、材质等等原因，色块效果也各有特征。

2 色块效果非真实感处理算法流程

将一幅现实场景画面通过计算机实现非真实感艺术处理，主要是基于图像的非真实感绘制[5]，它以原始数字图像如数码照片或计算机生成的图像作为输入源，降低了所需输入的复杂性。按照对艺术作品模拟方式的不同又可以分为基于笔划的绘制和无笔划绘制两种。前者将笔划作为最基本的绘图元素，将其作用于源图从而生成具有手工作品特点的图像。而后者则通过对输入的数字图像进行滤波、特征增强、边缘检测、图像分割等处理，使得处理之后的图像具有特殊的艺术视觉效果。

基于领域像素概率统计的图像非真实感艺术处理方法是在考虑到笔划大小的情况下，针对原有数字图像进行色彩数值调节，最主要的变化就是将原本图像中的以微弱差异逐步变化的像素点按照某一片领域为单位重新赋值，即根据设定的笔划大小为笔划中心像素赋予一个特定的色彩值，从而改变了原画面平滑过渡的真实感效果，而小范围的相同色彩值在宏观上可以表现为色块凝结效果，进而使得画面模拟出艺术作品中最常见的颜料色块堆积效果。而针对不同艺术风格、不同流派的艺术作品的模拟，则可以通过笔划大小即领域统计区域的调整得以实现。这种方法的优点在于算法简便、易于形成，并可用于进一步画面处理的前期工作，对画面进行预处理。

这种可以模拟出色块效果的图像非真实感处理，是通过对原图像进行一种基于领域像素概率统计的非线性滤波得以实现。与常见的针对图像进行的非线性滤波选取区域最大值、最小值或平均值不同，本文的方法是在滤波器大小即掩模大小的范围内统计各个像素点的色彩数值信息，如图1所示，即在原图像中每个像素点f（x , y)的周围统计滤波器掩模大小Sxy领域内所有像素点的色彩数值信息，然后将该区域内统计后得到的概率最高的色彩数值赋值给f（x , y)。通过这种滤波器方法，可以使得原来色彩数值相似的像素点变成色彩数值相同的像素点，而被赋值后的f（x , y)又作为与之相邻的下一个滤波器掩模中心像素点的邻域样本参与统计，像“种子”一样把这个数值传染出去直到遇到概率更高的数值（这时往往达到了原画面中色彩变化较大的区域，即边缘）为止。采用这种算法，通过这种作用于像素点“染色式”的滤波方式，可以使处理之后的数字图像从宏观上产生变化，原来相似色彩区域即像素中连续相似或者平滑过渡的区域出现相同色彩像素区域来凝结成彩色块，从而使图像产生一种颜料堆积的效果，用以模拟艺术作品中的笔触效果，并且可以通过扩大滤波器掩模大小的手段使色彩凝结区域增加，对应于笔触加宽效果，用于模拟不同艺术风格。

图1

3 实验结果

根据本文算法，对原图《樱花》（如图2）进行非真实感艺术处理，并通过修改掩模大小调整概率统计区域来得到不同程度的处理结果。

图2 原图

图3是原图像进行基于领域像素概率统计滤波处理后得到的效果图，分别是使用5×5、9×9、15×15和25×25的滤波器掩模大小处理后的效果图，可以看到使用这种算法进行处理后，笔触效果模拟较为明显，滤波器掩模大小越大，色块凝结效果越明显，范围也越大，而景物之间轮廓界限越来越模糊，纯粹以色差来表示轮廓和立体感。用此种方法采用合适的滤波器掩模大小针对原目标图片进行处理，能够较好地模拟艺术作品特别是油画、水彩这类作品中以色彩表现为主的艺术风格（例如印象主义画派）的特点：淡化了景物的体积感，强化了色彩因素，不再依靠明暗和线条形成空间感，而是用色彩的冷暖形成空间。

图3 效果图

4 结束语

非真实感绘制中艺术效果的仿真模拟遵循一定的绘制原理[6]，它是一种灵活多样的艺术，利用计算机强大的运算能力与艺术创作相结合，在基本绘制原理的基础上大胆去想象和尝试不同的模拟方法和过程并不断总结。本文将基于领域像素概率统计的模拟思路融入到非真实感模拟的过程中，这是一种非常简易的模拟过程、便于理解，虽然在算法的实现上完全不同于物理的模拟，但遵循物理模拟的原理，能够实现较好地模拟艺术作品画面效果，同时可以通过修改掩模大小来模拟不同的笔触大小和艺术风格。

在整个算法研究过程中，也有一些不足之处有待进一步改进：输入图像本身的画质、清晰度对结果有一定影响，并不能做到每次模拟效果都得到最佳并且固定不变，需要用户针对不同的原图像进行相应的参数调整或者画面预处理。色彩空间的选择对模拟结果有一定影响，能在模拟过程中根据原画面特点选择合理合适的色彩空间，也是进一步实验和探索的主要工作。最终的模拟效果和真正的艺术作品仍然有一定的差别，缺乏真正艺术作品中的“随机性”及艺术家个人风格特点。这些问题都是今后继续研究的方向。相信随着计算机技术和非真实感绘制技术的不断发展，会使得计算机艺术作品模拟过程变得更加简单、结果更加逼真，让每个人都可以通过便捷的操作变成艺术家。

[1] Strothotte T,Schlechtweg S. 叶修梓，万华根，张引, 译. 非真实感图形学——造型、绘制与动画技术[M]. 北京：电子工业出版社，2004.

[2] 卢少平，张松海.基于视觉重要性的图像油画风格化绘制算法[J].计算机辅助设计与图形学学报, 2010,22(7): 1120-1125.

[3] Curtis C J, Anderson S E, Seims J E, et al. Computergenerated watercolor [C].Computer Graphics Proceedings, Annual Conference Series, ACM SIGGRAPH, Los Angeles,1997:421-430

[4] Hertzmann A. Painterly rendering with curved brush strokes of multiple sizes [C]. Computer Graphics Proceedings, Annual Conference Series, ACM SIGGRAPH, Orlando ,1998:453-460

[5] 王会芹.基于图像的非真实感绘制技术的研究[D].上海.东华大学, 2009.

[6] 康李峰，唐棣.基于颜料扩散的水彩画仿真[J].计算机工程与应用, 2008, 44(11): 101-103.

[7] Rafael C Gonzalez, Richard E Woods. 阮秋琦, 等译. 数字图像处理[M]. 北京：电子工业出版社，2011.