CN104821005A - 可模拟笔势风格的汉字书法作品书写过程动态复现的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可模拟笔势风格的汉字书法作品书写过程动态复现的方法。其具体步骤为：将汉字书法作品中的书法汉字进行数字化并提取其骨架线，对骨架线按照该汉字拓扑结构特征分离出笔画；针对汉字的所有笔画，建立符合该汉字每一笔画书写风格的笔势数学模型；将笔势数学模型赋予已提取的脱机汉字相应笔画的骨架线；对汉字笔画的书写过程进行复现，实现汉字书法作品书写过程的模拟。本发明可以模拟汉字书法创作时的书写笔顺、运笔方法、提按轻重、行笔节奏等体现书法美学内涵的动态过程，计算量小，实施性强，可以为汉字书写文化传承提供支持，比如可以为研发汉字书法教育软件等应用提供支持。

Description

可模拟笔势风格的汉字书法作品书写过程动态复现的方法

技术领域

本发明涉及计算机数字书法生成的技术领域，尤其涉及一种可模拟笔势风格的汉字书法作品书写过程动态复现的方法。

背景技术

中国书法是中国汉字特有的一种传统艺术，具有很高的艺术欣赏价值，历史上流传下来了大量的书法碑帖。但是，这些书法碑帖大多是以静态图像的形式呈现的，已不能满足当前很多实际应用需求，如汉字书法教学及影视传媒等，需要大量地制作汉字书写的临摹动画。如何将计算机技术与书法艺术相结合，更好地应用于人们日常生活中，同时推动书法艺术的普及和发展，服务于广大书法爱好者，是一个富有挑战性的任务。目前采用的计算机技术主要是Flash、PPT等方式制作汉字书写动画，这种方式的缺点是需要手工逐帧制作且制作过程繁琐耗时，而且也不能模拟书法作品的笔势风格。如果能提供更加便捷的汉字书法动画生成方法，由静态书法汉字图像生成其动态书写过程的动画，不仅能表现书法艺术的魅力，还将大大提高汉字书写动画的制作效率，满足更多实际应用需求。

目前对汉字书法书写过程的模拟分成以下几种：

1.中国发明专利“一种利用向量字体实现汉字书写动态及电子描红的方法”(公开号：CN101000722A)公开了一种在对向量字体数据的分析基础上，通过对字体数据进行调整和标志位的设置，实现汉字书写的演示及描红的方法。该方法仅能实现汉字书写的动态演示，并不能实现汉字书写时的行笔节奏。

2.2009年的Proceedings of the 8^thIEEE/ACIS International Conference on Computerand Information Science会议论文集(文章标题“Animating the brush-writing process ofChinese calligraphy characters”)公布了一种实现楷书汉字图像的动态书写动画的方法。该方法仅能实现书写笔顺的演示，并不能实现汉字书写时的运笔方法。

3.《计算机辅助设计与图形学学报》2014年第6期的《书法临摹过程的交互式动画建模方法》中提出通过收集典型的真实笔触样本构建新的毛笔笔触模型，然后借助数位板，通过书法图像交互获得汉字的笔锋运动轨迹，再结合书法经验知识计算每个笔锋轨迹点的笔触形状，得到笔触变化的时间序列，生成汉字书写动画的方法，但是该方法操作复杂。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种模拟汉字书法创作时的书写笔顺、运笔方法、提按轻重、行笔节奏等体现书法美学内涵的动态过程，为汉字书写文化传承提供支持，比如可以为研发汉字书法教育软件等应用提供技术支持。

为了实现发明目的，本发明采用的技术方案为：

可模拟笔势风格的汉字书法作品书写过程动态复现的方法，包括以下步骤：

(1)将汉字书法作品中的书法汉字进行数字化并提取其骨架线，对骨架线按照该汉字拓扑结构特征分离出笔画；

(2)针对汉字的所有笔画，建立符合该汉字每一笔画书写风格的笔势数学模型；

(3)将所述笔势数学模型赋予已提取的脱机汉字相应笔画的骨架线；

(4)对汉字笔画的书写过程进行复现，实现汉字书法作品书写过程的模拟。

所述步骤(2)的具体处理过程如下：

1)通过分析书法家联机书写汉字时采集的书写点集，计算每个点的书写速度，建立每个笔画的书写速度曲线；

2)对每个笔画的书写速度曲线进行分析，确定起笔、行笔和收笔每个阶段的速度变化关系；

3)建立一个带参数的数学模型刻画笔画书写过程中的节奏变化：Y＝F(x)，其中x是一个向量，它代表了一个样本空间中的样本的主要特征；向量x的维数反映了主要特征的个数；

4)从脱机书法汉字作品中抽取一系列常用笔画，涵盖汉字的所有笔画，从每一个笔画中选取若干种不同的书写形式，建立每种书写形式的笔势数学模型；

5)以原书法作品风格为依据，动态调整笔势数学模型的各个参数，建立每个笔画的笔势数学模型。

所述步骤(3)的具体处理过程如下：

1)将已提取的脱机汉字笔画的骨架线按照点的均匀间隔的规则选取骨架点，建立脱机书法汉字笔画的骨架点集；

2)建立脱机书法汉字笔画的骨架点集与笔势数学模型之间的一一对应关系；

3)计算脱机书法汉字笔画骨架点集中每个骨架点对应的书写速度；

4)计算脱机书法汉字笔画骨架点集中两两骨架点之间的距离，如果计算的距离小于预设距离，则删除这些骨架点。

所述步骤(4)中，对汉字笔画的书写过程进行复现可以采用轮廓填充的方法，或者采用基于骨架线还原的方法。采用基于骨架线还原的方法的具体处理过程如下：

1)判断笔画骨架点集两两骨架点之间的距离是否大于预设距离；

2)如果判断出笔画骨架点两两之间的距离大于预设距离，则减细该骨架点对应的笔画；

3)如果判断出笔画骨架点两两之间的距离小于预设距离，则加粗该骨架点对应的笔画；

4)重复以上步骤，实现书法汉字书写过程的模拟。

本发明的方法可以模拟汉字书法创作时的书写笔顺、运笔方法、提按轻重、行笔节奏等体现书法美学内涵的动态过程，与现有技术相比的有益效果：

(1)本方法计算量小，实施性强，能够实现不同风格书法字的复现；

(2)本方法中建立的笔势数学模型，只需调整个别参数即可模拟各种风格的汉字书法书写节奏，操作简单；

(3)本方法中实现的汉字书法书写过程动态复现，对汉字练习过程中的临摹有重要的应用价值。

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说明。

图1是本发明的处理操作流程图；

图2(a)为脱机书法汉字样本“是”，(b)为(a)图的骨架图；

图3是书法家联机书写汉字横画的书写速度曲线；

图4是采用数学模型模拟的汉字横画书写速度曲线；

图5是特定风格的书法汉字书写过程复现效果。

具体实施方式

本发明的一种可模拟笔势风格的汉字书法作品书写过程动态复现的方法包括以下步骤，其流程图如图1所示：

1.选择一个汉字书法作品，对该汉字的脱机图像进行二值化和归一化处理，对二值图中的黑像素区域进行层层剥离，提取该脱机书法汉字的骨架线，对骨架线按照符合该汉字拓扑结构的要求分离出笔画的骨架线。

图像的二值化处理就是将图像上的点的灰度置为0或255，也就是将整个图像呈现出明显的黑白效果。即将256个亮度等级的灰度图像通过适当的阈值选取而获得仍然可以反映图像整体和局部特征的二值化图像。本实施例采用计算像素的平均值的方法，即设置阈值K，扫描图像的每个像素值如像素值大于K像素值设为255(白色)，值小于等于K像素值设为0(黑色)。

图像归一化包括对位置归一化和大小归一化。位置归一化可以先计算出汉字的重心，再将重心移到汉字点阵的指定处。大小归一化可以先计算出汉字点阵上、下、左、右的边框，然后按比例将汉字线性缩放为指定的大小。

汉字骨架是指一组穿过笔画中心，与原始汉字连通性和拓扑结构分布性相一致的曲线集合。对图像提取骨架又称图像细化，本实施例采用Zhang细化算法，对提取的骨架线按照符合该汉字拓扑结构的要求分离出笔画的骨架线，如图2(b)所示是提取的脱机书法汉字“是”的骨架线。

2.对每个笔画依照原作品风格建立笔势数学模型。

(1)通过分析书法家联机书写汉字时采集的书写点集，采集得到的书写点集记为p₀(x₀,y₀,t₀),p₁(x₁,y₁,t₁),p₂(x₂,y₂,t₂),...,p_i(x_i,y_i,t_i)，计算每个点的书写速度建立每个笔画的书写速度曲线，对书写速度曲线进行拟合，去除书写过程的干扰点，如图3所示是书法家书写横画的书写速度曲线。

(2)对每个笔画的书写速度曲线进行分析，确定起笔、行笔和收笔每个阶段的速度变化关系。如汉字横画每个阶段的书写节奏都表现出先快后慢的关系。

(3)建立一个带参数的数学模型刻画笔画书写过程中的节奏变化，本实施方法以笔画“横”书写为例，采用

f(x)＝y₁+y₂+y₃+...+y_n，

$y_n=m_n*\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_n\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{-}\frac{{(x-{\mathrm{\μ}}_n)}^2}{{{2\mathrm{\σ}}_n}^2}$ 其中

m_n为节奏系数，μ_n为峰值点x坐标，σ_n为柔和度。

图3所示的横画书写速度曲线可以分为起笔、行笔和顿笔三个阶段，起笔阶段有2个峰值，行笔阶段有5个峰值，顿笔阶段有1个峰值，而一个y_n函数只有一个峰值，因此可以采用8个y_n函数相互叠加来模拟横画的书写节奏。一个y_n函数受3个参数的控制，横画书写节奏的模拟可用3×8矩阵变量来描述。

根据汉字书写的不同风格，可以将横画的书写节奏分为以下几类：

1)起笔、行笔和收笔的速度都比较慢；

2)起笔比较慢，行笔比较快，收笔比较慢；

3)没有起笔或起笔不明显，行笔和收笔明显；

4)没有起笔或起笔不明显，没有收笔或收笔不明显。

本实施方法提供一种起笔比较慢，行笔比较快，收笔比较慢的函数模拟表达式如下：

f(x)＝y₁+y₂+y₃+...+y_n，

$y_n=m_n*\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_n\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{-}\frac{{(x-{\mathrm{\μ}}_n)}^2}{{{2\mathrm{\σ}}_n}^2},$ 其中1≤n≤8。

图4为给m_n,μ_n,σ_n赋值为 $\left[\begin{array}{ccc}60& 4& 2\\ 18& 12& 6\\ 2& 50& 6\\ 3& 80& 12\\ 20& 120& 2\\ 16& 145& 4\\ 10& 160& 6\\ 12& 185& 6\end{array}\right]$ 的函数模拟。

(4)从脱机书法汉字作品中抽取一系列常用笔画，涵盖汉字的所有笔画，包括横、竖、撇、捺、横折弯钩等。从每一个常用笔画中选取若干种不同的书写形式，建立每种书写形式的笔势数学模型。

(5)以汉字书写时的节奏或速度变化为依据，动态调整笔势模型的各个参数，建立特定风格的笔势模型。

3.将每个笔划的笔势模型赋予已提取的脱机汉字相应笔画的骨架线。

(1)将提取的脱机书法汉字笔画的骨架线按照点的均匀间隔的规则选取骨架点，建立脱机书法汉字笔画的骨架点集。笔画骨架线上的点过于密集，可以采用间隔取点的方式，如每隔3个像素点取一个点。

(2)建立脱机书法汉字笔画的骨架点集与笔势数学模型之间的一一对应关系。计算第i个笔画骨架点对应的笔势模型中“点”的位置m为：

m＝x/笔画骨架点总数×i，其中x为f(x)中x的最大值。

(3)计算脱机书法汉字笔画骨架点集中每个骨架点对应的书写速度v。

(4)计算脱机书法汉字笔画骨架点集中两两骨架点之间的距离，按照一定的规则，删除部分骨架点。本实施方法提供一种删除骨架点的方法如下：

1)计算第m-1点与m点之间的距离s，s＝v*t*w，其中t为模拟系统的刷新频率，w视实际情况而定；

2)计算第i-1点与第i点之间的距离s’，判断s’与s之间的关系；如果s’>s则保留第i点，如果s’<s则删除第i点直到s’>s时保留。

4.对该汉字笔画的书写过程进行复现，实现该汉字书法作品书写过程的模拟。书写过程复现可以采用轮廓填充的方法，也可以采用基于骨架线还原的方法，本实施方法提供一种基于骨架线还原的方法。

(1)设定笔画的初始笔宽，作为当前笔画的初始笔宽基准；

(2)判断笔画骨架点集两两骨架点之间的距离是否大于预设距离；

(3)如果判断出笔画骨架点两两之间的距离大于预设距离，则减小初始笔宽的值作为当前笔画的宽度；

(4)如果判断出笔画骨架点两两之间的距离小于预设距离，则增大初始笔宽的值作为当前笔画的宽度；

(5)重复以上步骤，直至完成书法汉字的书写过程。

本实例的运行结果在附图5中显示，系统将其实现为具有特定风格的书法字。

以上实施方式仅为体现本发明内容的较佳实施例，依据本发明的思想，在具体实施过程中实施流程会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.可模拟笔势风格的汉字书法作品书写过程动态复现的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将汉字书法作品中的书法汉字进行数字化并提取其骨架线，对骨架线按照该汉字拓扑结构特征分离出笔画；

(2)针对汉字的所有笔画，建立符合该汉字每一笔画书写风格的笔势数学模型；

(3)将所述笔势数学模型赋予已提取的脱机汉字相应笔画的骨架线；

(4)对汉字笔画的书写过程进行复现，实现汉字书法作品书写过程的模拟。

2.根据权利要求1所述的可模拟笔势风格的汉字书法作品书写过程动态复现的方法，其特征在于：所述步骤(2)的具体处理过程如下：

1)通过分析书法家联机书写汉字时采集的书写点集，计算每个点的书写速度，建立每个笔画的书写速度曲线；

2)对每个笔画的书写速度曲线进行分析，确定起笔、行笔和收笔每个阶段的速度变化关系；

3)建立一个带参数的数学模型刻画笔画书写过程中的节奏变化：Y＝F(x)，其中x是一个向量，它代表了一个样本空间中的样本的主要特征；向量x的维数反映了主要特征的个数；

4)从脱机书法汉字作品中抽取一系列常用笔画，涵盖汉字的所有笔画，从每一个笔画中选取若干种不同的书写形式，建立每种书写形式的笔势数学模型；

5)以原书法作品风格为依据，动态调整笔势数学模型的各个参数，建立每个笔画的笔势数学模型。

3.根据权利要求1所述的可模拟笔势风格的汉字书法作品书写过程动态复现的方法，其特征在于：所述步骤(3)的具体处理过程如下：

1)将已提取的脱机汉字笔画的骨架线按照点的均匀间隔的规则选取骨架点，建立脱机书法汉字笔画的骨架点集；

2)建立脱机书法汉字笔画的骨架点集与笔势数学模型之间的一一对应关系；

3)计算脱机书法汉字笔画骨架点集中每个骨架点对应的书写速度；

4)计算脱机书法汉字笔画骨架点集中两两骨架点之间的距离，如果计算的距离小于预设距离，则删除这些骨架点。

4.根据权利要求1至3之一所述的可模拟笔势风格的汉字书法作品书写过程动态复现的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，对汉字笔画的书写过程进行复现可以采用轮廓填充的方法，或者采用基于骨架线还原的方法。

5.根据权利要求4所述的可模拟笔势风格的汉字书法作品书写过程动态复现的方法，其特征在于：采用基于骨架线还原的方法的具体处理过程如下：

1)判断笔画骨架点集两两骨架点之间的距离是否大于预设距离；

2)如果判断出笔画骨架点两两之间的距离大于预设距离，则减细该骨架点对应的笔画；

3)如果判断出笔画骨架点两两之间的距离小于预设距离，则加粗该骨架点对应的笔画；

4)重复以上步骤，实现书法汉字书写过程的模拟。