藝術(shù)化繪制的圖形學(xué)原理與方法

前言

隨著全球動(dòng)漫和數(shù)字娛樂(lè)等產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，藝術(shù)化繪制的研究日趨得到重視。藝術(shù)化繪制本質(zhì)上是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與藝術(shù)的有機(jī)結(jié)合體：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)為色彩、造型和視覺(jué)空間排列等藝術(shù)元素提供技術(shù)承諾，激發(fā)藝術(shù)家的創(chuàng)新欲望，拓展藝術(shù)家的想象力，成為藝術(shù)新思維的源泉；藝術(shù)使計(jì)算機(jī)圖形學(xué)不僅可以用攝影師的眼光來(lái)觀察客觀世界，更可以模擬藝術(shù)家和設(shè)計(jì)師的眼光來(lái)描繪客觀世界，從而更加有效地實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與人之間的交流與溝通。藝術(shù)化繪制的起源可以追溯到20世紀(jì)50年代計(jì)算機(jī)藝術(shù)的誕生，它不僅產(chǎn)生了大量的計(jì)算機(jī)藝術(shù)作品，也積累了很多相關(guān)技術(shù)成果。20世紀(jì)90年代中期，隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的飛速發(fā)展，人們已經(jīng)不再滿足于像照片一樣真實(shí)的繪制效果，開(kāi)始大力追求具有藝術(shù)化效果的、更具含義表達(dá)能力的畫面，使藝術(shù)化繪制的研究進(jìn)入了一個(gè)蓬勃發(fā)展期。作者也正是在這一時(shí)期開(kāi)始了藝術(shù)化繪制的研究工作，并在1996年獲得國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目的資助。此后，作者連續(xù)獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（69973044、60373032和60773183）與國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（60633070）的支持，一直進(jìn)行與藝術(shù)化繪制相關(guān)的科研工作。本書根據(jù)作者多年來(lái)對(duì)藝術(shù)化繪制的探索和理解，把藝術(shù)化繪制研究的關(guān)鍵問(wèn)題歸結(jié)為5大方面，即如何從空白畫布或坯模生成藝術(shù)作品；如何基于參考圖像創(chuàng)作出藝術(shù)作品；如何根據(jù)三維模型繪制出藝術(shù)化的畫面；如何融合語(yǔ)義來(lái)繪制出更容易理解、更具表達(dá)性的畫面；如何有效地幫助用戶創(chuàng)作出具有時(shí)序一致性的美術(shù)動(dòng)畫片等。然后圍繞和針對(duì)這5大問(wèn)題，把目前積累下來(lái)的相關(guān)研究工作和研究成果進(jìn)行相對(duì)系統(tǒng)的梳理，形成了藝術(shù)化繪制的一個(gè)框架性學(xué)科體系，可為今后更加深入地開(kāi)展藝術(shù)化繪制研究工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

內(nèi)容概要

本書在作者多年來(lái)對(duì)藝術(shù)化繪制領(lǐng)域的研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有藝術(shù)化繪制及其相關(guān)領(lǐng)域的研究成果，構(gòu)建了統(tǒng)一的藝術(shù)化繪制理論框架，為以后開(kāi)展相關(guān)的研究提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)?！端囆g(shù)化繪制的圖形學(xué)原理與方法》主要探討和歸納了藝術(shù)化繪制的研究?jī)?nèi)容、研究方法、研究目標(biāo)；系統(tǒng)地闡述、分析、比較和總結(jié)了藝術(shù)化繪制的各種圖形學(xué)原理、方法和模型?！　”緯ㄟ^(guò)數(shù)字化繪畫與雕刻及美術(shù)圖案的生成、基于參考圖像的繪畫藝術(shù)模擬、面向三維對(duì)象的藝術(shù)化繪制、面向表達(dá)的藝術(shù)化繪制和計(jì)算機(jī)輔助美術(shù)動(dòng)畫制作5個(gè)主要科學(xué)問(wèn)題來(lái)闡述藝術(shù)化繪制的圖形學(xué)原理與方法。　　本書可作為相關(guān)研究工作的科技工作者、研究生、以及從事動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)的技術(shù)開(kāi)發(fā)人員的參考書，也可以為數(shù)字媒體相關(guān)研究生的教材。

作者簡(jiǎn)介

耿衛(wèi)東，博士，浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，數(shù)字媒體與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)系主任，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，香港理工大學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)院兼職副教授。主要研究專長(zhǎng)為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)、數(shù)字媒體與娛樂(lè)技術(shù)、人工智能／認(rèn)知科學(xué)。2004年入選浙江省151人才工程第二層次培養(yǎng)對(duì)象，2007年獲選教育部新世紀(jì)人才計(jì)劃資助。

書籍目錄

第1章 緒論　1.1 藝術(shù)化繪制的誕生　1.2 藝術(shù)繪制的內(nèi)涵　1.3 藝術(shù)化繪制與真實(shí)感繪制的比較　1.4 藝術(shù)化繪制的研究目標(biāo)與方法　1.5 全書內(nèi)容組織　參考文獻(xiàn)第2章 數(shù)字化繪畫與雕刻　2.1 硬筆書畫的模擬　　2.1.1 基于線繪圖元的交互式繪畫　　2.1.2 結(jié)合筆畫紋理的鋼筆畫模擬　　2.1.3 交互式的鉛筆畫模擬　　2.1.4 蠟筆畫的模擬　2.2 東方書法和水墨畫的交互式創(chuàng)作　　2.2.1 毛筆的建模　　2.2.2 軟筆書法的模擬　　2.2.3 中國(guó)水墨畫技法模擬　2.3 彩色繪畫藝術(shù)的模擬　　2.3.1 彩色顏料的繪制計(jì)算模型　　2.3.2 水彩畫藝術(shù)的模擬　　2.3.3 油畫藝術(shù)的模擬　2.4 雕刻藝術(shù)的數(shù)字化模擬　　2.4.1 木雕藝術(shù)效果模擬　　2.4.2 金屬雕刻效果模擬　2.5 虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的藝術(shù)創(chuàng)作　2.6 小結(jié)　參考文獻(xiàn)第3章 計(jì)算機(jī)輔助二維美術(shù)圖案設(shè)計(jì)　3.1 美術(shù)圖案設(shè)計(jì)概述　3.2 基于分形計(jì)算的美術(shù)圖案生成　3.3 基于文法規(guī)則的美術(shù)圖案設(shè)計(jì)　3.4 面向構(gòu)圖布局的美術(shù)圖案輔助生成　　3.4.1 基于規(guī)整形狀布局的不規(guī)則圖案紋理生成　　3.4.2 結(jié)合工藝結(jié)構(gòu)布局的圖案生成　　3.4.3 基于特定圖元的風(fēng)格化布局圖案生成　3.5 美術(shù)圖案的智能化生成　　3.5.1 面向圖案生成的美術(shù)知識(shí)表達(dá)　　3.5.2 基于綜合推理的美術(shù)圖案生成　3.6 小結(jié)　參考文獻(xiàn)第4章 基于參考圖像的繪畫藝術(shù)模擬　4.1 基于像素級(jí)運(yùn)算的藝術(shù)化效果生成　　4.1.1 基于Halftone算法的藝術(shù)化效果轉(zhuǎn)換　　4.1.2 基于啟發(fā)式規(guī)則的藝術(shù)化效果處理　4.2 基于筆畫繪制的藝術(shù)技法模擬　　4.2.1 點(diǎn)繪技法及其拓展模擬　　4.2.2 馬賽克與玻璃彩雕效果模擬　　4.2.3 鋼筆畫的模擬　　4.2.4 鉛筆畫的模擬　　4.2.5 水墨畫的模擬　　4.2.6 彩色繪畫的模擬　4.3 直接借鑒參考圖像中的色彩搭配和紋理效果的藝術(shù)化繪制　　4.3.1 直接模擬參考圖像中的顏色效果　　4.3.2 直接模擬參考圖像中的紋理效果　　4.4 基于繪畫樣例的藝術(shù)化繪制模擬　　4.4.1 基于像素類比的藝術(shù)化效果模擬　　4.4.2 基于筆畫模板的藝術(shù)化效果生成　4.5 小結(jié)　參考文獻(xiàn)第5章 面向三維對(duì)象的藝術(shù)化繪制　5.1 借鑒傳統(tǒng)三維繪制流水線的藝術(shù)化繪制　　5.1.1 藝術(shù)化光照模型　　5.1.2 藝術(shù)化的投影和仿射變換　　5.1.3 藝術(shù)化紋理映射與合成　5.2 結(jié)合中間圖像的藝術(shù)化技法模擬　　5.2.1 從三維模型生成鋼筆畫　　5.2.2 從三維模型生成鉛筆畫　　5.2.3 從三維模型生成水墨畫　　5.2.4 從三維模型生成彩色繪畫效果　5.3 基于視點(diǎn)相關(guān)的輪廓線繪制方法　　5.3.1 多面體的輪廓線繪制　　5.3.2 曲面體的輪廓線繪制　5.4 曲面體的線繪效果模擬　5.5 三維景物的藝術(shù)化繪制　　5.5.1 在三維物體的表面附加藝術(shù)化表現(xiàn)元素　　5.5.2 結(jié)合三維幾何和手工技法的藝術(shù)化效果模擬　　5.5.3 基于點(diǎn)云模型的景物繪制　5.6 體素模型的藝術(shù)化繪制　　5.6.1 外部表面和邊界特性繪制　　5.6.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和紋理的繪制　5.7 小結(jié)　參考文獻(xiàn)第6章 面向表達(dá)的藝術(shù)化繪制　6.1 藝術(shù)化的表現(xiàn)手法概述　6.2 易于理解的繪制方法　　6.2.1 基于屬性強(qiáng)調(diào)的可理解繪制　　6.2.2 基于剖切手法的可理解繪制　　6.2.3 基于視點(diǎn)整合的可理解繪制　6.3 傳遞形狀特征的繪制　　6.3.1 基于筆畫紋理的形狀特征表達(dá)　　6.3.2 基于選擇性描繪的形狀特征表達(dá)　6.4 表達(dá)意圖的繪制方法　　6.4.1 基于多媒體表現(xiàn)的意圖表達(dá)　　6.4.2 基于抽象關(guān)聯(lián)的意圖表達(dá)　　6.4.3 結(jié)合形象化符號(hào)的意圖表達(dá)　6.5 透明物體的藝術(shù)化表現(xiàn)　6.6 小結(jié)　參考文獻(xiàn)第7章 傳統(tǒng)美術(shù)動(dòng)畫的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)　7.1 二維美術(shù)動(dòng)畫的制作概述　　7.1.1 美術(shù)動(dòng)畫制作的一般流程　　7.1.2 美術(shù)動(dòng)畫制作的常見(jiàn)技法　7.2 二維美術(shù)動(dòng)畫制作中的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)　7.3 計(jì)算機(jī)輔助畫面上色　　7.3.1 中間幀畫面輔助上色　　7.3.2 黑白畫面的輔助上色　7.4 計(jì)算機(jī)輔助中間幀生成方法　　7.4.1 卡通人物的運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)中間幀生成　　7.4.2 卡通人物的臉部表情中間幀生成　7.5 小結(jié)　參考文獻(xiàn)第8章 計(jì)算機(jī)輔助美術(shù)動(dòng)畫制作的新方法　8.1 視頻流驅(qū)動(dòng)的卡通動(dòng)畫生成方法　　8.1.1 直接把視頻流轉(zhuǎn)化為卡通畫面序列　　8.1.2 基于輪廓線提取的卡通動(dòng)畫生成　　8.1.3 表演驅(qū)動(dòng)的面部表情動(dòng)畫繪制　8.2 結(jié)合三維幾何要素的卡通動(dòng)畫生成方法　　8.2.1 結(jié)合三維近似幾何模型的中間幀畫面合成　　8.2.2 基于三維模型畫布的卡通動(dòng)畫方法　　8.2.3 基于視點(diǎn)相關(guān)幾何的卡通動(dòng)畫方法　8.3 基于時(shí)序一致性繪制的卡通動(dòng)畫生成方法　8.4 融合三維圖形處理技術(shù)的卡通動(dòng)畫生成方法　　8.4.1 基于三維仿射變換的卡通特效制作　　8.4.2 基于紋理映射的藝術(shù)感畫面處理　　8.4.3 三維運(yùn)動(dòng)的卡通化處理　　8.4.4 風(fēng)格化的高光和陰影處理　8.5 基于素材重用的動(dòng)畫生成方法　　　8.5.1 視覺(jué)內(nèi)容的重用方法　　8.5.2 運(yùn)動(dòng)內(nèi)容的重用方法　8.6 小結(jié)　參考文獻(xiàn)第9章 藝術(shù)化繪制研究展望參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：目前已經(jīng)積累了多種藝術(shù)表現(xiàn)手法，它們可以使得繪制出來(lái)的內(nèi)容更易于理解，或者是表達(dá)出某種含義、意圖和目的，傳遞出某種形狀特征等。雖然人們對(duì)這些視覺(jué)效果的生成和與人們的視覺(jué)認(rèn)知含義之間關(guān)系的認(rèn)識(shí)依然比較模糊，也缺少明確的理論指導(dǎo)，但在各種表達(dá)型繪制的實(shí)踐中，已經(jīng)形成了一些約定俗成的慣例，包括筆法、色調(diào)、紋理、輪廓線等常見(jiàn)繪畫元素與視覺(jué)認(rèn)知之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系準(zhǔn)則和一些規(guī)律等。在筆法的表現(xiàn)特性方面，有如下一些繪制準(zhǔn)則和規(guī)律可以參考：（1）細(xì)膩的筆法可以產(chǎn)生逼真的效果，粗獷的筆法可以省去很多不重要的細(xì)節(jié)，使人們可以更好地把握物體的全貌。（2）在通過(guò)畫筆繪制時(shí)，更換筆尖（或筆鋒）的同時(shí)往往需要變換筆的位置。（3）線的濃淡隨著長(zhǎng)度的變化而變化往往給人活潑、自然的感覺(jué)；均勻濃重的線繪圖往往表現(xiàn)出一種死氣沉沉的氛圍。（4）波動(dòng)線或具有一定偏離性的線往往給人以作品還只是一個(gè)大致的草稿的感覺(jué)。在傳統(tǒng)的真實(shí)感圖形繪制技術(shù)中，紋理的繪制和色調(diào)的繪制基本上是獨(dú)立的，紋理往往通過(guò)指定一些圖像映射到物體的某一表面上；色調(diào)是指物體表面上的某一點(diǎn)反射到觀察者的可見(jiàn)光，它一般通過(guò)畫面上的明暗變化產(chǎn)生，而相應(yīng)的紋理幾乎保持不變。面向表達(dá)的藝術(shù)化繪制在產(chǎn)生色調(diào)的同時(shí)又表達(dá)了相應(yīng)的紋理信息，紋理和色調(diào)是通過(guò)畫筆的適當(dāng)組合和控制而形成的。色調(diào)和紋理很難分開(kāi)，通過(guò)畫筆的特性變化繪制出某一指定的色調(diào)的同時(shí)，也畫出了相應(yīng)的紋理；而且在面向表達(dá)的藝術(shù)化繪制中，很難精確地繪制出物體表面上每一點(diǎn)的色調(diào)，只能通過(guò)畫筆的適當(dāng)組合從整體上形成期望的色調(diào)。有關(guān)紋理和色調(diào)的一些繪制原則和規(guī)律如下。（1）色調(diào)通過(guò)占用相同空間且具有基本相同的濃淡變化的線條構(gòu)成。（2）往往不要求精確地繪制出每一種色調(diào)，但相鄰區(qū)域之間色調(diào)的正確過(guò)渡很重要。（3）通過(guò)加強(qiáng)對(duì)比或產(chǎn)生陰影能增強(qiáng)色調(diào)，往往可以突出某一物體。（4）筆直的線繪筆畫往往可用來(lái)表示某種脆弱。（5）水平面往往通過(guò)水平的影線來(lái)表現(xiàn)。（6）細(xì)節(jié)的缺省往往能提供簡(jiǎn)潔性，使觀察者能多注視一部分。（7）潦草的線繪筆畫往往能表現(xiàn)“材料”的“老舊”特點(diǎn)，仔細(xì)認(rèn)真的線繪筆畫往往能表現(xiàn)出“材料”的“嶄新”特性。

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