CN101329770A - 基于水流结构图的中国水墨动画自动生成的方法 - Google Patents

Abstract

基于水流结构图的中国水墨动画自动生成的方法，属于视频处理技术领域，该方法包括如下步骤：a.抽取现有水墨动画的水墨线条；b.统计水流水墨笔画的参数；c.多种风格水墨线条模板库的建立；与步骤c’“输入基于真实视频的水流结构图”一同进入下步骤；d.多种风格水墨笔画的绘制；e.合成背景，将水流的水墨线条与处理后的水墨风格背景融合到一起，输出水墨动画结果视频；f.恢复原视频视角变换，得到与原视频角相同的水墨风格画视频；g.输出水墨动画视频。本方法利用本发明得到与原视频对应的水墨风格动画视频，可以看出本发明的结构中水流笔画，符合画家作画的规则，可以模拟画家描绘改视频场景而得到的水墨动画效果。

Description

基于水流结构图的中国水墨动画自动生成的方法

技术领域

本发明属于视频处理技术领域，特别涉及一种利用真实流体视频的基于水流结构图的中国水墨动画自动生成的方法。

背景技术

山水画与人物画、花鸟画一起构成中国水墨画的三大画科，是一种表现山川之妙并能为人类寻求某种精神寄托的写意画种。它以描绘山河自然景物为主体，在艺术表现上不求写实，讲究意境与神韵。水墨画风格多样，笔墨技法种类繁多，但少有动画形式。水墨动画从1960年诞生至今，我国只生产出了五部。因为拍一部水墨动画片需要人力、物力、财力的投入非常大，周期也非常长，但随着电脑技术的介入，研究人员开始用计算机模拟水墨动画，已有所突破，特别是在利用三维技术做平面的水墨动画。水墨动画的现在和将来，都充满了创作的空间。水墨效果的非真实感绘制的研究大都集中在对水、墨、纸、笔的物理模拟，在我国大陆主要是天津大学基于物理建模的水墨画扩散效果仿真(2005)，香港科技大学的Real-Time Painting with an Expressive VirtualChinese Brush(2004)，在国外也有人研究毛笔(毛刷hairy brush)的物理模拟。另外三维模型的水墨渲染也是近期研究的热点，如浙江大学的工作。基于物理建模的水墨效果非真实感绘制能较好的把握水墨画的特征，适于创作一些简单的水墨画或书法作品，在创作水墨动画方面同样面临投入大，效率低的问题，不适合做水墨动画。三维模型的水墨渲染虽然可以创作水墨动画，但是需要创作三维模型，如果需要生成一个真实自然场景的水墨动画，模型的创建会非常困难，水墨动画的细节无法达到要求。

事实上，水墨动画中表现真实自然场景，尤其是对山水、河流、瀑布的渲染占了很大的比例，特别是一些比较著名的自然风光。而这些场景往往有较多的视频和影视作品，如果能将这里视频和影视作品利用到水墨动画的制作中，可以大大减少水墨动画制作的成本。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，在已有的方法中，创作水墨动画方面，面临着投入大，效率低的问题，而三维模型的水墨渲染虽可创作水墨动画，但模型创建会非常困难，为了克服这些不足之处，就需要寻求一种新的方法，本发明的目的，就是提供一种基于水流结构图的中国水墨动画自动生成的方法，它实为一种利用真实流体视频的作法，能够参考和利用真实的瀑布、河流等流体视频的水流结构图，自动地生成原视频场景的水墨动画。

为解决上述技术问题，实现本发明的目的，所采用的技术方案是：一种基于水流结构图的中国水墨动画自动生成的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：a.抽取现有水墨动画的水墨线条；b.统计水流水墨笔画的参数；c.多种风格水墨线条模板库的建立；与步骤c’“输入基于真实视频的水流结构图”一同进入下步骤；d.多种风格水墨笔画的绘制；e.合成背景，将水流的水墨线条与处理后的水墨风格背景融合到一起，输出水墨动画结果视频；f.恢复原视频视角变换，得到与原视频角相同的水墨风格画视频；g.输出水墨动画视频。

所述水墨线条模板库的建立：通过分析学习已有的水墨画、水墨动画，以长度、宽度、透明度、淡入淡出比例特征，抽取现有水墨动画中的水流水墨笔画线条，并统计各个模版线条各特征的最大、最小和平均值。通过统计现有水墨动画线条的信息建立水墨线条模板库，并用带随机参数的样条曲线模拟生成不同风格的水墨线条。

水墨笔画的渲染步骤：从水墨线条模版库中挑选适当风格的线条，将其布置在水流区域上，布置时遵循水墨画风格的一些规律，以水流结构图作为参考。

背景的融合和水墨动画的输出步骤：将原视频的背景水墨风格化，再将生成的水流线条融和到这一背景中，最后恢复原视频的视角变换，得到原视频的水墨风格动画视频。

在上述方法中，可以使用以基数样条曲线为骨架、带有随机参数的水墨笔画线条建立模型。

在上述笔画线条建模方法中，可以以水流结构图为参考，将水流线条截断为水墨笔画线条，并通过运动约束使得生成的动画保持时间上的连续性，以达成一种符合水墨画艺术风格的笔画分布。

本发明的有益效果是，利用本发明得到与原视频对应的水墨风格动画视频，可以看出本发明的结构中水流笔画，符合画家作画的规则，可以模拟画家描绘改视频场景而得到的水墨动画效果。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为本发明的算法流程图。

图2为本发明对水墨笔画的建模的示意图。

具体实施方式

参照图1表示本发明基于水流结构图的中国水墨动画的自动生成的方法流程图。该流程图包括7个步骤，其中步骤c’是输入数据为一个真实的河流或瀑布视频的水流结构图14；流程开始时，步骤a先抽取现有水墨动画中的水流水墨笔画线条11；步骤b及c通过统计现有水墨动画线条的参数信息12，建立水墨线条模板库13，并用带随机参数的样条曲线模拟生成各种风格的水墨线条；然后从水墨线条模版库中挑选适当风格的线条，将其布置在水流区域上，布置时遵循水墨画风格的一些规律，以水流结构图作为参考，进行步骤d多种风格水墨笔画的绘制15；再将原视频的背景水墨风格化，将生成的水流线条融和到这一背景中16，步骤e合成背景；步骤f恢复原视频的视角变换17；步骤g得到原视频的水墨风格动画视频18。

下述表格为本发明中建立的水墨笔画模版库特征统计示意表。本发明从自建的水墨笔画线条库中选取不同绘画风格的笔画线条，来满足用户生成不同风格水墨动画的要求，其中的水墨笔画线条库是通过学习不同种真实水墨画/水墨动画作品来获得的。本发明接受水墨画家的建议，在分析水流结构图的基础上，将水墨笔画布置到水流区域中，并保证了水墨笔画主要布置在水流变化较大的地方，而在水流变化较小的地方水墨笔画较少，这是一种符合水墨画风格的布置方法，并通过运动约束使得生成的动画保持时间上的连续性。

本发明从以往的水墨艺术作品中手工提取水流的笔画线条，测量这些笔画线条的长度、宽度、透明度、淡入淡出比例等特征，然后按照这些笔画线条的对不同风格进行分类，从而建立一个包含不同风格水墨笔画的模版库，并统计各个模版线条各特征的最大、最小和平均值，如下表所示。

	长度	宽度	中心偏移	淡入比例	淡出比例
						最小值	28.8	4.11	1.28	0.07	0.04
最大值	82.3	12.7	6.91	0.31	0.19
						平均值	52.8	7.75	4.11	0.15	0.11

表1水墨笔画的模版库特征统计示意

参照图2表示本发明对水墨笔画的建模的示意图。在图中水墨笔画表示为一个条带：

C(u)＝(p(u)，w(u)，o(u)，α(u))

其中p(u)为笔画的基数样条曲线骨架(a)，w(u)是笔画的宽度(b)，o(u)为笔画横截面上骨架在法向上的扰动，α(u)为笔画横截面上透明度的分布(c)。从而笔画上每一点的值可如下计算：

$S(u,v)=p\left(u\right)+v(w\left(u\right)+w_r\left(u\right))\hat{N}\left(u\right)/\left|\right|\hat{N}\left(u\right)\left|\right|,$

其中v∈[-1，1]且

为p(u)法向，w_r(u)为一个随机的宽度扰动(b)。为达到笔画的效果，令横截面上的透明度为 $\mathrm{\α}(u,v)=\mathrm{\α}\left(u\right)\tilde{N}\left(v\right),$

如下：

$\tilde{N}\left(v\right)=\left\{\begin{array}{c}N((v-o\left(u\right))/(1-o\left(u\right))),\mathrm{ifv}\≥o\left(u\right)\\ N((o\left(u\right)-v)/(o\left(u\right)+1)),\mathrm{otherwise}\end{array}\right.,$

N(x)为如下高斯函数：N(x)＝exp(-9x²/2)(c)。(d)(e)为笔画的淡入淡出示意，为达到这种效果，可以简单得让透明度沿淡出方向线性衰减。

本发明中水墨笔画布置方法如下。水墨笔画的亮度取决于原视频中像素点的亮度，水墨笔画的分布在水流结构图的水流线条上，其风格由从库中选择的模版决定。具体实施办法为，首先确定该线条应该选用模板库中的哪一种风格的模板线条，这可以由用户决定(视用户喜好某个风格或某个画家而定)，也可由水流结构图水流速度和混乱程度而定，如缓慢水流区域用粗而淡的线条，湍急水流区域用细长快速的线条。然后，线条的具体参数如长度、宽度、透明度、淡入淡出比例由该模板线条的各特征的最大、最小和平均值而定。使线条的各特征为最大最小值之间的随机数，从而既满足绘画的随机性，又满足要求的笔画风格，使生成的笔画更为逼真。视频时间上的一致性由水墨笔画从一帧到下一帧的信息传递保证，实施方法为将以上的水墨笔画条带函数C(u)变为一个跟时间有关的函数C(u，t)，当t增加1的时候，另C(u，t)延水流结构图中的水流方向移动，移动的距离为改点水流速度。

最后可选择、比较图片，对于已有的图片风格化方法将原视频的背景水墨风格化，再将生成的水流水墨笔画融和到这一背景中，最后恢复原视频的视角变换，得到与原视频对应的水墨风格动画视频。比较原水流视频和本发明生成的对应的水墨动画，可以看出本发明的结果中水流笔画符合画家作画的规律，且与原视频水流结构相同，基本可以模拟画家描绘改视频场景而得到的水墨动画效果。

Claims (4)

1.一种基于水流结构图的中国水墨动画自动生成的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：a.抽取现有水墨动画的水墨线条；b.统计水流水墨笔画的参数；c.多种风格水墨线条模板库的建立；与步骤c’“输入基于真实视频的水流结构图”一同进入下步骤；d.多种风格水墨笔画的绘制；e.合成背景，将水流的水墨线条与处理后的水墨风格背景融合到一起，输出水墨动画结果视频；f.恢复原视频视角变换，得到与原视频角相同的水墨风格画视频；g.输出水墨动画视频。

2.根据权利要求1所述的基于水流结构图的中国水墨动画自动生成的方法，其特征在于：所述水墨线条模板库的建立，以长度、宽度、透明度、淡入淡出比例特征，抽取现有水墨动画中的水流水墨笔画线条，统计现有水墨动画线条的信息建立水墨线条模板库。

3.根据权利要求1所述的基于水流结构图的中国水墨动画自动生成的方法，其特征在于：使用以基数样条曲线为骨架、带有随机参数的水墨笔画线条建立模型。

4.根据权利要求1所述的基于水流结构图的中国水墨动画自动生成的方法，其特征在于：以水流结构图为参考，将水流线条截断为水墨笔画线条，并通过运动约束使得生成的动画保持时间上的连续性。

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