CN105513121A - 一种数字三维水墨山水画的创作方法 - Google Patents

一种数字三维水墨山水画的创作方法 Download PDF

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李勋祥
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明公开了一种数字三维水墨山水画的创作方法，编制基于模块化的三维绘制笔刷；基于模块化的三维绘制笔刷是基于AutoDesk公司的三维动画技术软件Maya，通过编写Mel语言格式的皴法、点法，以及山石、树木元素程序笔刷，然后在数字虚拟三维空间进行组合绘制；创建斜投影视图空间；应用斜投影视图满足传统山水画在空间营构中对“三远”法的要求。数字三维水墨山水画创作。本发明对于引导静态水墨画仿真研究向动态的三维渲染领域进军，丰富图形渲染领域的处理手段，推动计算机仿真技术的发展，促进非真实感渲染技术研究的发展乃至推动计算机图形学的发展都能起到积极作用，成果在数字艺术制作领域将有极为广泛的应用前景。

Description

一种数字三维水墨山水画的创作方法
技术领域
本发明属于计算机制图技术领域，涉及一种数字三维水墨山水画的创作方法。
背景技术
数字三维水墨山水画的创作也是一个系统工程。和传统通过一笔一划开始的绘制方式有所不同。数字三维水墨山水画的创作方法以数字三维水墨山水画作为主要研究对象，通过开发基于模块化的山水元素绘制程序笔刷库和数字水墨山水画的局部或完整作品模板库，作为水墨山水画的绘制解决方案。此外，提出了传统中国山水画构图中的“散点透视”法则在数字三维空间中的解决方案——斜投影视图的应用，满足传统山水画在空间营构中对“三远”法的要求。数字三维写意水墨山水画的创作方法的最终目标是通过数字方式的创作，体现中国山水画美学理论中的南派写意山水画的“意境”美，即山水画大师黄宾虹先生所说的“浑厚华滋”。
数字三维水墨山水画的创作方法继承和发展了传统水墨画艺术的审美理论和美学思想，对中国水墨画的变革和发展有着积极的参考价值和推动意义。在虚拟数字三维空间中，数字三维水墨山水画的创作运用三维图形技术强大的表现力来创建动态、高度逼真的三维水墨写意山水形象，展现了传统二维水墨画无法实现的动态三维水墨空间，没有中国传统山水画专业知识的人士也能方便、快捷地进行自由绘制、创作。数字三维水墨山水画的创作方法在电影艺术、卡通动画制作、非真实感全景巡游、三维虚拟游戏等数字艺术制作领域将有极为广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种数字三维水墨山水画的创作方法，本发明的目的在于对传统山水画进行深入了解的基础上进行山水画效果的特征解析，解决数字水墨山水画的三维创作难题。对传统中国山水画的空间营构理论(空间透视问题)进行了研究，解决在虚拟三维空间无法模拟传统山水画的“三远”法的问题。最后，解决把绘制内容以模块化的方式把形式、内容、风格统一起来，开发基于模块化的山水元素绘制程序笔刷库和数字水墨山水画的局部或完整作品模板库。通过数字方式的创作，体现中国山水画美学理论中的南派写意山水画的“意境”美。
本发明所采用的技术方案是按照以下步骤进行：
步骤1：编制基于模块化的三维绘制笔刷；
基于模块化的三维绘制笔刷是基于AutoDesk公司的三维动画技术软件Maya，通过编写Mel语言格式的皴法、点法，以及山石、树木元素程序笔刷，然后在数字虚拟三维空间进行组合绘制；
步骤2：创建斜投影视图空间；
应用斜投影视图满足传统山水画在空间营构中对“三远”法的要求。
步骤3：数字三维水墨山水画创作流程：
1)规划绘制条件，确定创作题材、内容、构图、预期意境观想；
2)三维绘制勾、皴、擦、染、点；
3)渲染，包括实时交互渲染和后期合成渲染；
4)落款，在画面的空白处题上主题名称或诗词、创作时间、作者姓名，并盖上印章，以模块化笔刷插件的方式进行三维绘制。
进一步，所述步骤1步骤如下：笔刷的通用控制参数设定；树木生成笔刷的控制参数设定；山石生成笔刷的控制参数设定；水墨山石与树木绘制的笔刷插件开发；
笔刷的通用控制参数设定步骤为：编写Maya的Mel格式的绘制笔刷时，必须考虑在绘制过程中发生的各种可能性，如笔刷的绘制类型、笔刷宽度大小、绘制对象的初始大小、是否启用光照显示、是否采用纹理；
树木生成笔刷的控制参数设定步骤为：树木生成笔刷的控制参数可以分为树干、树枝、小枝、树叶、花、芽6个树器官模块，每个模块根据需要进行颜色、形状的大小、长短、疏密、扭曲度设定；
山石生成笔刷的控制参数设定步骤为：首先定义粒子笔划“tubes”的启用、绘制笔划的长度和宽度，然后再设定粒子“Tubes”的软度、密度、边缘的淡入或淡出，并且根据水墨山石的皴法特征，选用合适的合成纹理；
水墨山石与树木绘制的笔刷插件开发步骤为：Maya的Mel笔刷编程时，需要山石、树木等各种程序控制参数，这些参数都包含在一个称之为“PaintEffects”的笔刷容器里，尚未使用或暂时不需要使用的控制参数就用布尔值0进行关闭，需要使用的才用布尔值1打开，通过打通各种潜在模块，编写出山水画中的绝大多数绘制对象，根据水墨山水画的各种山石、树木的造型和渲染效果需要，把具备某种水墨效果特征的山石或树木进行单独打包，形成一个个水墨画笔刷插件，这些笔刷插件发布以后能在虚拟数字三维空间进行自由绘制、创作，绘制时，这些笔刷可以根据创作者的需要进行单独使用或组合使用。
进一步，所述步骤2步骤如下：
1)采用Maya平台创建一个斜投影摄像机视图，选择菜单条Create>Camera；
2)在CreateCameraOption视窗的OrthographicViews部分中，打开Orthographic选项；
3)单击Create按钮，于是正投影相机视图产生，从视图菜单中创建斜投影相机视图：选择Panels>Orthographic>New命令，把透视相机改变为正交相机，在其它视图中，选择刚才创建的正投影相机的视图框，通过调整X轴的旋转角度使投影相机的方向与投影平面斜交，根据实际需要，交角调整从5度到30度，再调整Y轴的旋转角度，最终达到斜投影视图的要求。
附图说明
图1是本发明数字三维水墨山水画的创作方法的基本流程图；
图2是本发明的各类水墨效果的山水画构成要素——山石、树木、点、皴等元素的笔刷插件图；
图3是通过斜投影视图成像的物体与透视图成像的物体对照图；
图4是左上为斜投影相机视图，中上、中下和右下为正投影视图，右上为透视图；
图5为斜投影相机视图(中上和右上)和透视图(中下和右下)的渲染对比图；
图6是本发明数字三维水墨山水画系列模板图；
图7是本发明的基于模板的参数化绘制图，图a为原始模板结果；图b为改变纹理后的结果；图c为改变粒子渲染随机数和宽度后的结果；图d为改变粒子的密度和硬度后的结果；图e为另一种改变山、树纹理类型和参数后的渲染。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下参照附图，对本发明进一步详细说明。
1、方法概述
如图1所示，本发明主要分为四个基本步骤：(1)编制基于模块化的三维绘制笔刷；(2)创建斜投影视图空间；(3)数字三维水墨山水画创作流程。下面详细说明每个步骤。
(1)编制基于模块化的三维绘制笔刷。编制基于模块化的三维绘制笔刷基于AutoDesk公司的三维动画技术软件Maya，通过编写Mel语言(MayaEmbedLanguage简称Mel)格式的皴法、点法，以及山石、树木等元素程序笔刷，Maya中，基于Mel的笔刷模块相当于一个收藏全面的容器。我们在编写笔刷时，所有参数和变量都可以储存在这个容器中。然后在数字虚拟三维空间进行组合绘制，所述步骤主要包括：笔刷的通用控制参数设定；树木生成笔刷的控制参数设定；山石生成笔刷的控制参数设定；水墨山石与树木绘制的笔刷插件开发。
首先，笔刷的通用控制参数设定。编写Maya的Mel格式的绘制笔刷时，必须尽量地考虑在绘制过程中发生的各种可能性，如笔刷的绘制类型、笔刷宽度大小、绘制对象的初始大小、是否启用光照显示、是否采用纹理等等。以下为笔刷的关键程序控制参数示例：
brushPresetSetup()；
bPset"globalScale"3；//笔刷初始大小和绘制对象的全局控制
bPset"brushType"0；笔刷类型控制(默认为绘制)
bPset"depth"1；//深度渲染开关
bPset"modifyDepth"1；//更改深度渲染控制
bPset"modifyColor"1；//更改颜色渲染控制
bPset"modifyAlpha"1；//更改阿尔法遮罩通道渲染控制
bPset"brushWidth"0.01；//笔刷的绘制宽度范围控制
bPset"gapSize"0.09；//拓朴结构或几何网格显示情况控制
其次，树木生成笔刷的控制参数设定。树木生成笔刷的控制参数可以分为树干(tubes)、树枝(branches)、小枝(twigs)、树叶(leaves)、花(flowers)、芽(buds)等6个树器官模块。这些模块可以根据需要调用。一般而言，除了花草生成，树的生成最多用到叶为止，花、芽模块很少采用。每个模块又可以根据需要进行颜色、形状的大小或长短、疏密以及扭曲度等各种设定。以下为树木生成笔刷的程序控制参数：
bPset"tubes"1；//起用树本生成(布尔值)
bPset"tubeCompletion"1；//树干生成的完成度(布尔值)
bPset"branches"1；//启用树枝(布尔值)
bPset"twigs"1；//启用小枝(布尔值)
bPset"leaves"1；//启用树叶(布尔值)
bPset"flowers"0；//启用花(布尔值)
bPset"buds"0；//启用芽(布尔值)
bPset"colorR"0.8264399767；//颜色配置
bPset"colorG"0.8264399767；
bPset"colorB"0.8264399767；
bPsetName"imageName"""；//树干图片纹理定义(名字和路径)
bPsetName"leafImage"""；//树叶图片纹理定义(名字和路径)
bPsetName"flowerImage"""；//花瓣图片纹理定义(名字和路径)
其次，山石生成笔刷的控制参数设定。山石的生成笔刷主要解决数字山水画中的山石造型和渲染问题。首先定义粒子笔划“tubes”的启用、绘制笔划的长度和宽度，然后再设定粒子“Tubes”的软度、密度、边缘的淡入或淡出，并且需要根据水墨山石的皴法特征，选用合适的合成纹理。以下为山石生成笔刷的程序控制参数：
bPset"stampDensity"0.8；//管状粒子密度调整
bPset"softness"0.7；//管状粒子渲染的软硬调整
bPset"rootFade"0.05；//管状粒子根部边缘淡出
bPset"tipFade"0.6602；//管状粒子尾部边缘淡出
bPset"tubes"1；//起用管状粒子绘制(布尔值)
bPset"tubesPerStep"1.165；//定义管状粒子的步数
bPset"tubeRand"0；//定义管状粒子的随机性
bPset"segments"69；//管状管状粒子网络段数控制
bPset"flatness1"0.4；//定义管状粒子渲染的扩张与收缩1
bPset"flatness2"0；//定义管状粒子渲染的扩张与收缩2
bPset"textureType"4；//定义管状粒子纹理贴图类型
bPset"mapMethod"2；//定义管状粒子纹理映射方法
bPset"texColorR"0.7；//定义管状粒子水墨纹理颜色
bPset"texColorG"0.7；
bPset"texColorB"0.7；
bPset"texAlpha"-0.01；//定义管状粒子水墨纹理透明度
bPset"repeatU"3；//定义管状粒子纹理U向的重复参数
bPset"repeatV"0.5；//定义管状粒子纹理V向的重复参数
bPset"blurMult"0.11；//管状粒子模糊控制参数
bPset"fractalRatio"0.767；//管状粒子的分形比
bPsetName"imageName"""；//基于管状粒子的山石皴法的图片纹理定义(名字和路径)
最后，水墨山石与树木绘制的笔刷插件开发。Maya的Mel笔刷编程时需要了解的山石、树木等各种程序控制参数。通常这些参数都包含在一个称之为“PaintEffects”的笔刷容器里，尚未使用或暂时不需要使用的控制参数就用布尔值0进行关闭，需要使用的才用布尔值1打开。通过打通各种潜在模块，可以编写出山水画中的绝大多数绘制对象。我们只要根据水墨山水画的各种山石、树木的造型和渲染效果需要，把具备某种水墨效果特征的山石或树木进行单独“打包”，形成一个个水墨画笔刷插件，如图2所示，这些笔刷插件发布以后就可以在虚拟数字三维空间进行自由绘制、创作。绘制时，这些笔刷可以根据创作者的需要进行单独使用或组合使用。
(2)创建斜投影视图空间。山水画不讲究西方绘画的透视法。宗白华先生认为，“中国画的透视法是提神太虚，从世外鸟瞰的立场观照全整的律动的大自然，他的空间立场是在时间中徘徊移动，游目周览，集合数层与多方的视点谱成一幅超象虚灵的诗情画境”。宋代的大画家郭熙提出山水画的“三远”理论构成中国山水画空间和审美的视觉法则。在数字化虚拟三维空间，要完全模拟传统山水画的“三远”法构图和灵活处理山水画的空间透视关系，采用平行投影(ParallelProjection)相机视图进行山水画的空间营构是一个比较可行的解决方案。平行投影视图没有透视变化，根据投影方向的不同，可以把平行投影分为正投影和斜投影两类：如果投影方向与投影平面垂直，既投影方向与投影平面法向量的方向相同，那么这种投影称为正投影。如果投影方向与投影平面斜交，那么这种投影称为斜平行投影。正投影视图投影方向未能与投影平面斜交，因此无法产生三维纵深感，斜投影则正好弥补了这个不足，采用斜投影视图绘制的对象由于没有透视图中的消失点现象，物体前后之间的大小完全没有变化。只要控制好物体之间的疏密间距问题，完全可以克服因透视中的近大远小现象而产生前面物体遮挡后面物体的问题，，如图3所示。因此斜投影视图基本可以满足传统山水画空间营构理论——“三远法”的要求。所述步骤主要包括：
1)采用Maya平台创建一个斜投影(正交)摄像机视图，选择菜单条Create>Camera。
2)在CreateCameraOption视窗的OrthographicViews部分中，打开Orthographic选项。
3)单击Create按钮，于是正投影相机视图产生了。由于正投影视图的投影方向与投影平面垂直，这种方式产生的视图不能满足山水画空间营构的需要，我们必须把它调整为斜投影相机视图，从视图菜单中创建斜投影相机视图：选择Panels>Orthographic>New命令。把透视相机改变为正交相机。在其它视图如透视图(Persp)中，选择刚才创建的正投影相机的视图框，通过调整X轴的旋转角度(上下旋转)使投影相机的方向与投影平面斜交，根据实际需要，交角调整从5到30度不等。再调整Y轴的旋转角度(左右旋转)，最终达到斜投影视图的要求。具体效果如图4、图5所示，
(3)数字三维水墨山水画创作流程。1)、规划绘制条件，确定创作题材、内容、构图、预期意境观想等；2)、三维绘制(勾、皴、擦、染、点)、3)、渲染(包括实时交互渲染和后期合成渲染)；4)、落款(在画面适当的空白处题上主题名称或诗词、创作时间、作者姓名等，并盖上印章)，其中，规划绘制条件和绘制是最关键的两个步骤。但在实际进行数字艺术创作时，无法完全按照传统的勾、皴、擦、染、点的方式进行绘制。只能根据需要，把绘制内容(如山石、树木、云水、人物、建筑、舟车等)按勾、皴、擦、染、点技法特征进行模块化处理，把形式、内容、风格统一起来，以模块化笔刷插件的方式进行三维绘制。
2.数字三维水墨山水画的创作实例
对于具有传统中国画创作经历，又有一定电脑操作经验的人，采用基于模块化的三维水墨山水绘制组件，可以快捷地完成一幅较为成功的数字水墨山水画的创作。对于没有传统中国画创作经历，甚至也没有电脑操作经验的人，开发了一系列包含完整题材构思和内容绘制的数字水墨山水画作品样例或模板。利用该模板，只要通过改变山石树木的分布数量、形状外观、体积大小等变量值，调整模板作品中的山石皴法纹理、树木的品种，以及调整水墨渲染的浓、淡、轻、重和洇化等效果，就可以创作出与模板完全不一样的数字三维水墨山水画。图6为数字三维水墨山水画系列模板；图7为对一个模板进行各种参数、变量、纹理进行修改或替换后的几种创作结果。
本发明对于引导静态水墨画仿真研究向动态的三维渲染领域进军，丰富图形渲染领域的处理手段，推动计算机仿真技术的发展，促进非真实感渲染技术研究的发展乃至推动计算机图形学的发展都能起到积极作用，成果在数字艺术制作领域将有极为广泛的应用前景。同时，数字三维水墨山水画的创作方法继承和发展了传统水墨画艺术的审美理论和美学思想，对中国水墨画的变革和发展有着积极的参考价值和推动意义。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种数字三维水墨山水画的创作方法，其特征在于按照以下步骤进行：
步骤1：编制基于模块化的三维绘制笔刷；
基于模块化的三维绘制笔刷是基于AutoDesk公司的三维动画技术软件Maya，通过编写Mel语言格式的皴法、点法，以及山石、树木元素程序笔刷，然后在数字虚拟三维空间进行组合绘制；
步骤2：创建斜投影视图空间；
应用斜投影视图满足传统山水画在空间营构中对“三远”法的要求；
步骤3：数字三维水墨山水画创作流程：
4)规划绘制条件，确定创作题材、内容、构图、预期意境观想；
5)三维绘制勾、皴、擦、染、点；
6)渲染，包括实时交互渲染和后期合成渲染；
4)落款，在画面的空白处题上主题名称或诗词、创作时间、作者姓名，并盖上印章，以模块化笔刷插件的方式进行三维绘制。
2.按照权利要求1所述一种数字三维水墨山水画的创作方法，其特征在于：所述步骤1步骤如下：笔刷的通用控制参数设定；树木生成笔刷的控制参数设定；山石生成笔刷的控制参数设定；水墨山石与树木绘制的笔刷插件开发；
笔刷的通用控制参数设定步骤为：编写Maya的Mel格式的绘制笔刷时，必须考虑在绘制过程中发生的各种可能性，如笔刷的绘制类型、笔刷宽度大小、绘制对象的初始大小、是否启用光照显示、是否采用纹理；
树木生成笔刷的控制参数设定步骤为：树木生成笔刷的控制参数可以分为树干、树枝、小枝、树叶、花、芽6个树器官模块，每个模块根据需要进行颜色、形状的大小、长短、疏密、扭曲度设定；
山石生成笔刷的控制参数设定步骤为：首先定义粒子笔划“tubes”的启用、绘制笔划的长度和宽度，然后再设定粒子“Tubes”的软度、密度、边缘的淡入或淡出，并且根据水墨山石的皴法特征，选用合适的合成纹理；
水墨山石与树木绘制的笔刷插件开发步骤为：Maya的Mel笔刷编程时，需要山石、树木等各种程序控制参数，这些参数都包含在一个称之为“PaintEffects”的笔刷容器里，尚未使用或暂时不需要使用的控制参数就用布尔值0进行关闭，需要使用的才用布尔值1打开，通过打通各种潜在模块，编写出山水画中的绝大多数绘制对象，根据水墨山水画的各种山石、树木的造型和渲染效果需要，把具备某种水墨效果特征的山石或树木进行单独打包，形成一个个水墨画笔刷插件，这些笔刷插件发布以后能在虚拟数字三维空间进行自由绘制、创作，绘制时，这些笔刷可以根据创作者的需要进行单独使用或组合使用。
3.按照权利要求1所述一种数字三维水墨山水画的创作方法，其特征在于：所述步骤2步骤如下：
1)采用Maya平台创建一个斜投影摄像机视图，选择菜单条Create>Camera；
2)在CreateCameraOption视窗的OrthographicViews部分中，打开Orthographic选项；
3)单击Create按钮，于是正投影相机视图产生，从视图菜单中创建斜投影相机视图：选择Panels>Orthographic>New命令，把透视相机改变为正交相机，在其它视图中，选择刚才创建的正投影相机的视图框，通过调整X轴的旋转角度使投影相机的方向与投影平面斜交，根据实际需要，交角调整从5度到30度，再调整Y轴的旋转角度，最终达到斜投影视图的要求。
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