CN103489204B - 一种二维彩色铅笔画自动绘制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种二维彩色铅笔画自动绘制方法，首先在HSI色彩空间下，对亮度通道（I）计算输入图像的梯度信息，生成一个梯度矢量场，并在亮度通道（I）根据输入图像的亮度信息，生成白噪声图像；然后，利用输入图像当前像素点的矢量信息生成当前像素点的铅笔滤镜算子；将滤镜算子与白噪声图像的像素点做卷积运算，得到黑白铅笔画草图；将输入图像色彩通道（H、S）的色彩信息添加到黑白铅笔画草图中；进行色彩空间转化，在RGB色彩空间，生成彩色铅笔画草图；将提取轮廓线的输入图像与彩色铅笔画草图进行图像融合，形成彩色铅笔画效果图。解决了现有绘制方法生成的彩色铅笔画草图色彩失真严重、纹理特性不明显的问题。

Description

一种二维彩色铅笔画自动绘制方法

技术领域

本发明涉及一种二维彩色铅笔画自动绘制方法。

背景技术

铅笔画是一种以铅笔或固体矿物为色素颜料，在不特定纸上，以明暗面为主，结合线条来表现对象特征所构成的画面，能给人以简洁明快、自然流畅的感觉。

彩色铅笔画的效果图不仅能够保留黑白铅笔画的纹理特性，同时可以借助于不同的色彩来增强其艺术表现力，然而手工铅笔画绘制技术存在着各种各样的缺点，并不能够轻易的被人们掌握，因此，用计算机来模拟生成具有铅笔画艺术效果的图片具有重要的应用和娱乐价值。

目前，可以应用的彩色铅笔画生成软件相对较少，常见的有国外专用软件Photoshop等，但是这些软件处理的自动化程度较低、色彩失真严重，铅笔纹理特性不明显，最终效果不理想。

发明内容

本发明的目的是提供一种二维彩色铅笔画自动绘制方法，用以解决现有绘制方法生成的彩色铅笔画草图色彩失真严重、纹理特性不明显的问题。

为实现上述目的，本发明的方案是：

一种二维彩色铅笔画自动绘制方法，以抑制色彩失真现象，其特征在于，步骤如下：

(1)将输入图像由RGB色彩空间转换到HSI色彩空间；

(2)在HSI色彩空间下，对亮度通道(I)计算输入图像的梯度信息(Gx，Gy)，生成一个梯度矢量场V，并在亮度通道(I)根据输入图像的亮度信息，生成白噪声图像N：首先生成一个[0,1]之间的随机数P,并令如果T>P，则将当前像素点的像素值置为255；否则，保留原像素值不变，即： $N(i,j)=\left\{\begin{array}{cc}{I}_{input},& P>T,P\∈\[0,1\]\\ 255,& otherwise\end{array}\right.,$ 其中，N(i,j)为白噪声图像的像素点，k为白噪声密度系数，I_input为输入图像的原始像素值；

(3)根据步骤(2)中得到的梯度矢量场V，利用输入图像当前像素点的矢量信息V(i，j)生成当前像素点的铅笔滤镜算子Pencil(i，j)；

(4)将步骤(3)中得到的滤镜算子Pencil(i，j)与步骤(2)中得到的白噪声图像的像素点N(i,j)做卷积运算，生成新的像素值，得到黑白铅笔画草图；

(5)在HSI色彩空间下，将输入图像色彩通道(H、S)的色彩信息添加到步骤(4)中的黑白铅笔画草图中；

(6)将输入图像由HSI色彩空间转换到RGB色彩空间，生成彩色铅笔画草图；

(7)将提取过轮廓线的输入图像与步骤(6)中生成的彩色铅笔画草图进行图像融合，形成彩色铅笔画效果图。

优选的，所述步骤(3)中，生成铅笔滤镜算子Pencil(i，j)的方法步骤如下：

1)由输入图像当前像素点的矢量信息V(i,j)计算出矢量的模|V(i,j)|和方向角θ，|V(i,j)|即为笔刷的长度；

2)确定铅笔滤镜的尺寸为2|V(i,j)|*sinθ×2|V(i,j)|*cosθ；

3)计算滤镜中每个点到滤镜中心点的距离r；

4)计算滤镜中每个点到倾角为θ的方向线的距离d；

5)设笔刷宽度D，如果d>D，则当前位置的滤镜算子Pencil(i,j)＝0；否则Pencil(i,j)＝D-d，其中，D由系统预置默认值提供，或由用户自定义。

优选的，采用改进的Kirsch算子提取输入图像的轮廓线信息I_contour，其中,I_contour＝I_input⊕K_i，K_i＝μ*K_i，i＝0,……,7,μ∈(0,1]，K_i为某个方向的Kirsch卷积核，μ为一个控制轮廓粗细程度的比例系数。

进一步的，步骤(7)中进行图像融合的公式为I_output＝(1-c)*I_sketch+c*I_contour，其中，c为图像融合比例系数，I_sketch为彩色铅笔画草图的像素信息，I_contour为输入图像的轮廓线信息。

进一步的，计算矢量的模|V(i,j)|和方向角θ的方法为：|V(i,j)|＝sqrt(Gx^2+Gy^2)，θ＝arctan(Gy/Gx)，其中，(Gx，Gy)为输入图像的梯度信息。

本发明达到的有益效果：本发明为了抑制彩色铅笔画色彩失真的问题，对白噪声图像的生成算法进行了改进，传统的白噪声生成算法生成的白噪声图像中仅有黑(0)、白(255)两类像素点，可以满足灰度级铅笔画的绘制需要，但在彩色铅笔画绘制过程中基本是完全改变了图像原有的像素值，在进行通道合并后，色彩信息得不到恢复，产生了严重的色彩失真现象。本发明对于不满足相应条件的像素点，不是单纯用黑色(0)来定义，而是保留图像的原始像素值不变，这样，在通道合并后，可以有效地拟制色彩失真现象。

本发明为了解决彩色铅笔画纹理特性不明显的问题，提出一种新的铅笔滤镜生成算法，该滤镜的生成依据笔刷长度、宽度和方向角，能够较好的模拟铅笔纹理的固有特性，使得最终的铅笔画效果跟接近手工铅笔画，另外，本发明根据输入图像的亮度信息来自动控制各像素点的笔划绘制方向和笔划的长度，为对应像素点的滤镜生成提供了基础，也提升了程序的自动化程度。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是输入的静态图像；

图3为在HSI色彩空间下对亮度通道(I)求取的梯度矢量场可视图；

图4为取k＝0.9时，在亮度通道(I)所得的白噪声图像；

图5为经过铅笔滤镜卷积后的铅笔画草图；

图6为μ＝0.65时，对输入图像进行轮廓提取所得到的轮廓线图；

图7为c＝0.3时，铅笔画草图与轮廓线图融合后得到的铅笔画效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，本发明的方法步骤如下：

S1：将输入图像由RGB色彩空间转换到HSI色彩空间。

S2：在HSI色彩空间下，对亮度通道I计算出输入图像的梯度信息(Gx、Gy)，根据输入图像的梯度信息来生成一个矢量场V。

S3：在HSI色彩空间下，在亮度通道I，根据输入图像的亮度信息来生成一副白噪声图像N，具体过程为：首先生成一个[0,1]之间的随机数p，令如果T>p，将当前像素点像素值置为255(白色)；否则，保留原值不变；此处k是一个噪声密度系数，取值范围[0,1]。具体公式如下：

$N(i,j)=\left\{\begin{array}{cc}{I}_{input},& P>T,P\∈\[0,1\]\\ 255,& otherwise\end{array}\right.,$ 其中， $T=k\·\left(\frac{I_{input}}{255}\right),k\∈\[0,1\],$ N(I,j)为白噪声图像的像素值，k为白噪声密度系数，I_input为输入图像的原始像素值。

S4：根据S2所得到的当前像素点的矢量信息V(i,j)生成一个当前像素点的铅笔滤镜算子Pencil(i,j)，具体过程为：

a：由输入图像当前像素点的矢量信息V(i,j)计算笔刷长度len和方向角θ，笔刷长度len为矢量的模|V(i,j)|，len＝|V(i,j)|＝sqrt(Gx^2+Gy^2)，方向角θ＝arctan(Gy/Gx)；

b：确定铅笔滤镜的尺寸为2len*sinθ×2len*cosθ；

c：计算滤镜中每个点到滤镜中心点的距离r；

d：计算滤镜中每个点到倾角为θ的方向线的距离d；

e：设笔刷宽度D，D由系统预置默认值提供，或由用户自定义，如果d>D，则当前位置的滤镜算子Pencil(i,j)＝0；否则Pencil(i,j)＝D-d；若D-d<0，记Pencil(i,j)＝0。

铅笔滤镜的生成流程可参考下面伪代码：

计算滤镜中每个点到原点的距离r和滤镜中每个点到倾角为θ的方向线l的距离d；

S5：用S4所得的滤镜算子Pencil(i，j)对S3的输出结果N(i，j)及其周边邻域像素点做卷积运算，生成当前点的新的像素值S(i,j)，得到黑白铅笔画草图，其中，S(i,j)＝N(i,j)⊕Pencil(i,j)，符号“⊕”代表卷积运算。

S6：将输入图像H通道、S通道的色彩信息添加到黑白铅笔画草图中，同时由HSI色彩空间转换回RGB色彩空间来，就生成了彩色铅笔画草图I_sketch。

S7：采用改进的Kirsch算子提取图像的轮廓线信息I_contour。

其中,I_contour＝I_input⊕K_i，K_i＝μ*K_i，i＝0,……,7,μ∈(0,1]，K_i为某个方向的Kirsch卷积和，μ为一个控制轮廓粗细程度的比例系数。

S8：图像融合，将S7中提取出轮廓线信息的输入图像与S6中生成的彩色铅笔画草图进行图像融合，得到最终的彩色铅笔画效果图，具体的融合公式为：I_output＝(1-c)*I_sketch+c*I_contour，其中，c为图像融合比例系数，I_sketch为彩色铅笔画草图的像素信息，I_contour为输入图像的轮廓线信息。

本发明几乎所有的参数都是由软件自动根据图像的内容自动提取完成的，仅有个别参数值是可以允许用户进行修改，这些参数主要包括白噪声密度系数k，笔刷宽度D，图像融合比例系数c。即使用户在执行本程序时不对这三个参数进行特殊设置，程序将按照默认参数值进行计算，这样就确保了本发明方法较高的自动化程度。

针对传统彩色铅笔画绘制技术色彩失真严重的问题，本发明对白噪声图像的生成算法进行了改进，有效的抑制了色彩失真现象。传统的白噪声生成算法生成的白噪声图像中仅有黑(0)白(255)两类像素点，可以满足灰度级铅笔画的绘制需要，但在彩色铅笔画绘制过程中基本是完全改变了图像原有的像素值，致使在进行通道合并后，色彩信息得不到恢复，从而产生了严重的色彩失真现象。为此，本方案对于不满足S32中T>p条件的像素点，不是单纯用黑色(0)来定义，而是保留图像的原始像素值不变。这样，在通道合并后，可以有效的拟制色彩失真现象。

针对传统铅笔画绘制方案中存在的铅笔纹理特性不明显的缺点，本发明从真实铅笔纹理分析入手，提出了一种新的铅笔滤镜生成方法。该滤镜的生成依据3个笔刷参数，分别是笔刷长度(len)、笔刷宽度(D)和方向角(theta)。其中笔刷长度(len)和方向角(θ)由系统自动提取的梯度矢量场信息；笔刷宽度(D)由系统预置默认值提供，或由用户自定义参数值。

距离超过线宽的点(d>D)，滤镜中对应位置元素值0，保证了铅笔笔刷的覆盖宽度；对于笔刷能够覆盖区域，距离中心点越远(d越大)，滤镜中对应的元素值(D-d)越小，体现了铅笔笔刷末端随压力减小而墨粒逐渐减少的物理特性；对于笔刷能够覆盖区域内，与方向线L等距离的点(d相等)，滤镜中对应的元素值(D-d)也相等，保证了铅笔线条沿笔画方向的延伸。

综述所述，该滤镜模型和铅笔笔刷的物理模型之间有着一一对应的关系，因此由该滤镜处理的结果很好的模拟了铅笔纹理的固有特性。

Claims (5)

1.一种二维彩色铅笔画自动绘制方法，以抑制色彩失真现象，其特征在于，步骤如下：

(1)将输入图像由RGB色彩空间转换到HSI色彩空间；

(2)在HSI色彩空间下，对亮度通道(I)计算输入图像的梯度信息(Gx，Gy)，生成一个梯度矢量场V，并在亮度通道(I)根据输入图像的亮度信息，生成白噪声图像N：首先生成一个[0,1]之间的随机数P,并令如果T>P，则将当前像素点的像素值置为255；否则，保留原像素值不变，即：其中，N(i,j)为白噪声图像的像素点，k∈[0,1]，k为白噪声密度系数，I_input为输入图像的原始像素值；

(3)根据步骤(2)中得到的梯度矢量场V，利用输入图像当前像素点的矢量信息V(i，j)生成当前像素点的铅笔滤镜算子Pencil(i，j)；

(4)将步骤(3)中得到的滤镜算子Pencil(i，j)与步骤(2)中得到的白噪声图像的像素点N(i,j)做卷积运算，生成新的像素值，得到黑白铅笔画草图；

(5)在HSI色彩空间下，将输入图像色彩通道(H、S)的色彩信息添加到步骤(4)中的黑白铅笔画草图中；

(6)将输入图像由HSI色彩空间转换到RGB色彩空间，生成彩色铅笔画草图；

(7)将提取过轮廓线的输入图像与步骤(6)中生成的彩色铅笔画草图进行图像融合，形成彩色铅笔画效果图。

2.根据权利要求1所述的二维彩色铅笔画自动绘制方法，其特征在于，步骤(3)中，生成铅笔滤镜算子Pencil(i，j)的方法步骤如下：

1)由输入图像当前像素点的矢量信息V(i,j)计算出矢量的模|V(i,j)|和方向角θ，|V(i,j)|即为笔刷的长度；

2)确定铅笔滤镜的尺寸为2|V(i,j)|*sinθ×2|V(i,j)|*cosθ；

3)计算滤镜中每个点到滤镜中心点的距离r；

4)计算滤镜中每个点到倾角为θ的方向线的距离d；

5)设笔刷宽度D，如果d>D，则当前位置的滤镜算子Pencil(i,j)＝0；否则Pencil(i,j)＝D-d，其中，D由系统预置默认值提供，或由用户自定义。

3.根据权利要求1所述的二维彩色铅笔画自动绘制方法，其特征在于，采用改进的Kirsch算子提取输入图像的轮廓线信息I_contour，其中,I_contour＝I_input⊕K_i，K_i＝μ*K_i，i＝0,……,7,μ∈(0,1]，K_i为某个方向的Kirsch卷积核，μ为一个控制轮廓粗细程度的比例系数。

4.根据权利要求3所述的二维彩色铅笔画自动绘制方法，其特征在于，步骤(7)中进行图像融合的公式为I_output＝(1-c)*I_sketch+c*I_contour，其中，c为图像融合比例系数，I_sketch为彩色铅笔画草图的像素信息，I_contour为输入图像的轮廓线信息。

5.根据权利要求2所述的二维彩色铅笔画自动绘制方法，其特征在于，计算矢量的模|V(i,j)|和方向角θ的方法为：|V(i,j)|＝sqrt(Gx^2+Gy^2)，θ＝arctan(Gy/Gx)，其中，(Gx，Gy)为HIS色彩空间下输入图像的梯度信息。