CN111815743A - 一种数字墨水手写笔迹美化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种数字墨水手写笔迹美化的方法，包括如下步骤：S1：根据宽度模型计算点的宽度；S2：使用贝塞尔曲线进行优化；S3：在笔锋处进行收笔处理；S4：根据笔迹宽度直接渲染；S5：通过雨滴拼接进行轮廓填充。本发明通过捕捉到用户的输入信息，对其进行宽度建模，并且对轨迹进行平滑处理与轨迹延伸呼应，达到书法的效果，在保留用户书写风格的基础上，对其手写字体进行实时的轨迹美化与半实时的轮廓美化，针对普通无压感的设备和有压感的特殊设备均适用。

Description

一种数字墨水手写笔迹美化的方法

技术领域

本发明涉及汉字美化技术领域，特别涉及一种数字墨水手写笔迹美化的方法。

背景技术

计算机手写汉字能够体现汉字书法的魅力，也能体现汉字书写的神韵，虽然数字墨水技术和计算机书法技术拥有非常突出的特点，越来越多的数字墨水技术和计算机书法技术也逐渐融入人们的日常生活之中，但是目前市场上的手写应用还存在各种各样的不足之处，尤其在计算机手写汉字美化方面，联机手写体轨迹都不具有风格，仅仅是一些时序点序列，一个笔画就是一个点序列，并没有达到将手写体点序列变成某种书法风格的图像、同时又保留原有书写者的笔迹特征的美化效果，因此本发明针对现有技术提出改进。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种数字墨水手写笔迹美化的方法，在保留用户书写风格的基础上，对手写字体进行轨迹美化与轮廓美化，对普通无压感的设备和有压感的特殊设备均适用。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种数字墨水手写笔迹美化的方法，包括如下步骤：

S1：根据宽度模型计算点的宽度；

S2：使用贝塞尔曲线进行优化；

S3：在笔锋处进行收笔处理；

S4：根据笔迹宽度直接渲染；

S5：通过雨滴拼接进行轮廓填充；

步骤S1中的宽度模型为：

其中，w_n为所求当前点宽度，w_max为笔画的最大宽度，w_min为笔画的最小宽度，v_n为当前轨迹点速度，f_n为当前轨迹点压力值，

θ、

β、γ、μ、λ为经验参数，控制宽度w_n在最大宽度w_max和最小宽度w_min之间变化。

优选地，步骤S2中的贝塞尔曲线采用三阶曲线：

B(t)＝(1-t)³p₀+3t(1-t)²p₁+3t²(1-t)p₂+t³p₃，t∈[0，1]，

其中，折线p₀、p₁、p₂、p₃是B(t)的控制点。

优选地，步骤S2中，使用贝塞尔曲线进行优化的方法为：

S21：当用户触碰屏幕后直接离开触摸屏幕，则采样到两个坐标值相同的轨迹点，其宽度等于最小笔画宽度w_min；

S22：用户在屏幕上进行书写，则采样到至少3个轨迹点；

S23：当采集到的轨迹点的个数等于3时，采用以下方式选取贝塞尔曲线的连接点q₀、q₁、q₂、q₃：

S24：当采集到的轨迹点的个数大于3时，采用以下方式选取贝塞尔曲线的连接点q₀、q₁、q₂、q₃：

S25：若收笔时采集到的轨迹点的个数为3的倍数，则每采集到3个轨迹点便生成新的贝塞尔曲线；

S26：若收笔时采集到的轨迹点的个数为i％3＝1，此时剩余1个轨迹点未处理，则针对该点生成一阶贝塞尔曲线；

S27：若收笔是采集到的轨迹点的个数为i％3＝2，此时剩余2个轨迹点未处理，则针对该2个轨迹点生成二阶贝塞尔曲线。

优选地，步骤S3中，所述收笔处理的方法为：

S31：预先设定笔画宽度阈值w_threshold；

S32：若收笔时轨迹点的宽度w_n<w_threshold，则将w_n作为收笔时的最终宽度；

S33：根据收笔时轨迹点及其之前两个轨迹点的加速度判断用户是否在书写时出现抖动，其中加速度的定义式为

若有a_i>1.2i∈[n-2,n]，则判断为收笔，此时进行收笔处理；

S34：收笔时对笔锋处理的方法为：

其中，w_min为最小笔画宽度，w_t收笔时的轨迹点与收笔前一个轨迹点之间的宽度值，w_i-1为收笔前一点笔画宽度，n为插值点数。

优选地，步骤S3中，所述收笔处理的方法还包括对首尾相接的两个笔画进行惯性延长收笔，其方法为：根据笔画的类型、相对位置、角度信息以及用户选择的延伸参数，确定相邻笔画头尾延伸的端点，用一条直线把相邻笔画的头尾延伸的端点相接，所述延伸参数为

θ、

β、γ、μ、λ中的一个或多个。

优选地，步骤S4中，所述渲染的方法为：在笔画末尾依照宽度逐渐减半的过程来缩小宽度。

优选地，步骤S5中，所述轮廓填充的方法为：采用雨滴状笔刷作为基本的贴图笔刷形状，将雨滴模型在轨迹点上进行拼接，然后提取出外轮廓，再对外轮廓进行贝塞尔插值平滑处理，最后将轮廓填充，得到实心的字体。

采用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

本发明通过捕捉到用户的输入信息，对其进行宽度建模，并且对轨迹进行平滑处理与轨迹延伸呼应，达到书法的效果，在保留用户书写风格的基础上，对其手写字体进行实时的轨迹美化与半实时的轮廓美化，针对普通无压感的设备和有压感的特殊设备均适用。

附图说明

图1为本发明整体流程图；

图2为本发明步骤S2使用贝塞尔曲线进行优化的流程图；

图3为本发明步骤S3在笔锋处进行收笔处理的流程图；

图4为本发明手写笔迹一的原图；

图5为本发明手写笔迹一增加宽度的效果图；

图6为本发明手写笔迹一增加连笔的效果图；

图7为本发明手写笔迹一增加宽度和连笔的效果图；

图8为本发明手写笔迹二的笔刷渲染效果图；

图9为本发明雨滴拼接原理图；

图10为本发明雨滴拼接效果图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进一步说明。

参照图1，本发明提供一种数字墨水手写笔迹美化的方法，包括如下步骤：

S1：根据宽度模型计算点的宽度；

S2：使用贝塞尔曲线进行优化；

S3：在笔锋处进行收笔处理；

S4：根据笔迹宽度直接渲染；

S5：通过雨滴拼接进行轮廓填充；

以下将对步骤S1～S5进行详细说明。

步骤S1：根据宽度模型计算点的宽度：

毛笔书法模拟分为实时模拟仿真以及非实时模拟仿真。对于非实时仿真，往往是当用户完全写完完整一个笔画甚至是写完一个字才进行模拟分析，这样可以很好地通过分析计算出笔画的类型、笔画的拐点、以及书写字体的结构，但是这样的模拟过程严重滞后于书写过程。在实时书法模拟中，用户输入的每一个点对应的书法轨迹都要求马上呈现在用户眼前，这样就不能通过一个完整的笔画甚至一个完整的字进行分析处理，也就是说，只能根据之前获得的书写轨迹点得到的信息进行模拟仿真。

用户在移动设备屏幕书写过程中，屏幕可以获取到一系列带有关键参数信息的轨迹点，例如时间、压力、手指与屏幕接触面积等，此时记录下采集到的书写轨迹点为p₁(x₁,y₁,t₁,f₁,s₁),p₂(x₂,y₂,t₂,f₂,s₂),...,p_n(x_n,y_n,t_n,f_n,s_n)，其中(x_i,y_i)为点p_i的坐标，t_i为获取到点p_i的时刻，f_i为点p_i受到的压力值大小，s_i为点p_i处手指与移动设备屏幕的接触面积大小。

设当前笔画为k，笔画k已获得的所有轨迹点为(p_n,p_n-1,p_n-2,...,p₂,p₁)，则当前点p_n的宽度w_n的关系为：w_n＝h(p_n,p_n-1,p_n-2,...,p₂,p₁)。

由于之前的轨迹点(p_n,p_n-1,p_n-2,...,p₂,p₁)对当前点宽度的贡献主要集中在宽度W上，当前点p_n对宽度w_n的影响有当前点的速度v_n与当前点的压力f_n，所以公式3-2可以进一步演变为：

w_n＝h(w(v_n,f_n),p_n-1,p_n-2,...,p₂,p₁)

速度与压力对当前轨迹点p_n的宽度有着决定性的作用，在毛笔书写的期间，当压力不变时，书写速度越慢导致笔画越粗，书写速度越快导致笔画宽度越细；当书写速度保持恒定时，书写时对笔毫的压力越大，则笔画越粗，书写时对笔毫的压力越小，则笔画越细。根据真实书写经验，速度v_n与压力f_n对应的宽度w_n关系类型可大致分为以下四种：

1.书写速度慢，书写压力大，笔画宽度最大；

2.书写速度快，书写压力大，笔画宽度次大；

3.书写速度慢，书写压力小，笔画宽度次小；

4.书写速度快，书写压力小，笔画宽度最小；

以上四种关系是最直观的速度v_n与压力f_n对宽度w_n的贡献关系，因此本发明步骤S1中采用以下宽度模型：

上式中，w_n为所求当前点宽度，w_max为笔画的最大宽度，w_min为笔画的最小宽度，v_n为当前轨迹点速度，f_n为当前轨迹点压力值，

θ,φ,β,γ,μ,λ为经验参数，控制宽度w_n在最大宽度w_max和最小宽度w_min之间变化。

步骤S2：使用贝塞尔曲线进行优化：

一般而言，设备所采集到的用户书写的数据是一系列的离散点，若直接对这些没有规律的离散采样点进行操作，无疑难度是非常大的。因此，在进行美化之前，需要采用一些高效的方法，利用尽量少的曲线来拟合这些离散点列。本发明采用贝塞尔曲线进行拟合，贝塞尔曲线有两个重要特征：一是第一个控制点与第二个控制点的连线刚好是第一个控制点的切线，二是最后一个控制点和倒数第二个控制点的连线恰好是最后一个控制点的切线，该特性方便控制曲线的切线方向。贝塞尔曲线还具有凸包性、连续性、仿射不变形以及几何不变性、处处可导等性质，因此，贝塞尔曲线被广泛地应用在绘图和图形软件包的应用中。

矢量绘图一般情况不使用B样条，这是由于矢量绘图并不要求特别高的精度来拟合某个数学描述的曲线。常用的矢量绘图使用三次贝塞尔曲线就已经可以获得很好的效果了。

贝塞尔曲线是一种参数化的函数曲线，可以通过Bernstein多项式来进行描述，一条n次贝塞尔曲线B(t)可以用n+1个控制点p_i(i＝0,1,2,...n)来定义：

折线p₀p₁p₂...p_n是B(t)的特征多边形，它是B(t)对特征多边形的逼近，也是曲线B(t)形状大体上的描画。

结合拟合效果以及实时性的要求，若要求两端圆弧线拼接在一起依然是曲率连续的，必须要求两端圆弧在连接处的曲率是相等的，所以若要生成曲率连续的路径，必须至少有四个控制点，因此本发明采用三阶贝塞尔曲线，且三阶贝塞尔曲线更高阶可导，使得路径更加光滑，因此贝塞尔曲线可以改为：B(t)＝(1-t)³p₀+3t(1-t)²p₁+3t²(1-t)p₂+t³p₃,t∈[0,1]。

参照图2，具体的优化的方法为：

S21：当用户触碰屏幕后直接离开触摸屏幕，则采样到两个坐标值相同的轨迹点，其宽度等于最小笔画宽度w_min；

S22：用户在屏幕上进行书写，则采样到至少3个轨迹点；

S23：当采集到的轨迹点的个数等于3时，采用以下方式选取贝塞尔曲线的连接点q₀、q₁、q₂、q₃：

S24：当采集到的轨迹点的个数大于3时，采用以下方式选取贝塞尔曲线的连接点q₀、q₁、q₂、q₃：

收笔时，分为三种不同的情况，分别如下：

S25：若收笔时采集到的轨迹点的个数为3的倍数，则每采集到3个轨迹点便生成新的贝塞尔曲线；

S26：若收笔时采集到的轨迹点的个数为i％3＝1，此时剩余1个轨迹点未处理，则针对该点生成一阶贝塞尔曲线；

S27：若收笔是采集到的轨迹点的个数为i％3＝2，此时剩余2个轨迹点未处理，则针对该2个轨迹点生成二阶贝塞尔曲线。

如果把三阶贝塞尔曲线的P0和P3视为原始数据，只要找到P1和P2两个点(称其为控制点)，就可以根据三阶贝塞尔曲线公式，计算出P0和P3之间平滑曲线上的任意点。

本发明中贝塞尔曲线生成规则的优点：

1)针对用户书写的各种情况都进行了处理，书法美化忠于用户书写轨迹；

2)保证在较短的时间内生成贝塞尔曲线，避免书写停滞的现象的发生；

3)拟合过程中尽可能地采用三阶贝塞尔曲线进行拟合，能够保证曲线拟合效果，进一步提高美化效果。

步骤S3：在笔锋处进行收笔处理：

收笔的动作代表着用户一个笔画书写的结束，一般发生在运笔动作之后。由于毛笔真实书法在收笔时很可能会产生笔墨的惯性的流动而产生收笔锋效果，因此要对收笔时获取到的轨迹点的参数信息进行分析，然后根据分析计算结果决定是否进行收笔处理。

美化的原则是忠于用户的轨迹，因此不会增加一些用户的轨迹点进行收笔处理。首先需要分析下收笔时轨迹点的状态，收笔时最近几个轨迹点应该是压力逐渐减少的，速度是逐渐增加的，即是说是毛笔书写处于一个加速抬笔的状态。

参照图3，具体方法为：

S31：预先设定笔画宽度阈值w_threshold；

S32：若收笔时轨迹点的宽度w_n<w_threshold，则将w_n作为收笔时的最终宽度；

S33：根据收笔时轨迹点及其之前两个轨迹点的加速度判断用户是否在书写时出现抖动，其中加速度的定义式为

若有a_i>1.2i∈[n-2,n]，则判断为收笔，此时进行收笔处理；

S34：收笔时对笔锋处理的方法为：

其中，w_min为最小笔画宽度，w_t收笔时的轨迹点与收笔前一个轨迹点之间的宽度值，w_i-1为收笔前一点笔画宽度，n为插值点数。

当需要进行收笔处理时，这种算法可以生成良好的收笔笔锋效果，当不需要进行惯性收笔时，正常收笔也能取得很好的毛笔书写效果。

步骤S3中，所述收笔处理的方法还包括对首尾相接的两个笔画进行惯性延长收笔，笔画延伸及惯性延长收笔以笔画为单位，对样本轨迹点进行进一步变换，利用相邻笔画间的方向、位置信息，使得笔画更加自然流畅，模拟真实书法中的连笔效果。变化规则为：每一笔的尾部反映下一笔的书写趋势、每一笔的起始端反映上一笔的延续，用一条直线把相邻笔画的头尾相接，整个笔画段光滑自然。

首先要根据笔画的类型、相对位置、角度信息以及用户选择的延伸参数，确定笔画头尾延伸的端点。所述延伸参数为

θ、

β、γ、μ、λ中的一个或多个。在某些情况下增加笔画的头尾延伸部分可能使笔画混淆或者变形，反而破坏了字体的整体结构和美化效果，因此，设定规则为在书写的第一笔不进行头部的延伸，只将尾部与第二笔的头部进行适当的延伸达到近似连笔的效果。具体延伸的长度根据用户选择的延伸参数而定，可选择较长的延伸效果使得第一笔尾部与第二笔头部完全连接在一起达到草书的效果，也可选择较短的延伸来达到美化的效果。在字体的最后一笔尾部延伸，达到书法的拖笔收尾效果。参照图4至图7，选择不同的宽度与连笔的会出现不同的效果。

步骤S4：根据笔迹宽度直接渲染：

用户原始的手写轨迹经过美化后可以取得类似于真实书法的书写效果，在头部和尾部的延伸部分的宽度，依照宽度逐渐减半的过程来缩小末尾的笔画宽度。根据前面宽度模型得到的每个插值点的宽度值得到最初的渲染效果，用户也可以调整宽度参数，使得宽度值整体按照比例变粗或变细，达到不同的字体效果，具体效果参照图8。

步骤S5：通过雨滴拼接进行轮廓填充：

在真实毛笔书法中，毛笔笔毫与纸张的接触面的形状类似于雨滴的形状，因此本发明也采用类雨滴状笔刷作为基本的贴图笔刷形状，通过将雨滴模型在轨迹点上进行拼接，然后提取出外轮廓，再对外轮廓进行贝塞尔插值平滑处理，最后将轮廓填充，得到实心的字体。

参照图9至图10，在平滑后的贝塞尔轨迹点上，将带有宽度信息的雨滴轮廓拼接上去，通过凸包络检测算法检测到P0，P1，P2，P3等点，生成贝塞尔闭合轮廓。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种数字墨水手写笔迹美化的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：根据宽度模型计算点的宽度；

S2：使用贝塞尔曲线进行优化；

S3：在笔锋处进行收笔处理；

S4：根据笔迹宽度直接渲染；

S5：通过雨滴拼接进行轮廓填充；

步骤S1中的宽度模型为：

其中，w_n为所求当前点宽度，w_max为笔画的最大宽度，w_min为笔画的最小宽度，v_n为当前轨迹点速度，f_n为当前轨迹点压力值，

θ、

β、γ、μ、λ为经验参数，控制宽度w_n在最大宽度w_max和最小宽度w_min之间变化。

2.根据权利要求1所述的数字墨水手写笔迹美化的方法，其特征在于，步骤S2中的贝塞尔曲线采用三阶曲线：

B(t)＝(1-t)³p₀+3t(1-t)²p₁+3t²(1-t)p₂+t³p₃，t∈[0，1]，

其中，折线p₀、p₁、p₂、p₃是B(t)的控制点。

3.根据权利要求2所述的数字墨水手写笔迹美化的方法，其特征在于，步骤S2中，使用贝塞尔曲线进行优化的方法为：

S21：当用户触碰屏幕后直接离开触摸屏幕，则采样到两个坐标值相同的轨迹点，其宽度等于最小笔画宽度w_min；

S22：用户在屏幕上进行书写，则采样到至少3个轨迹点；

S23：当采集到的轨迹点的个数等于3时，采用以下方式选取贝塞尔曲线的连接点q₀、q₁、q₂、q₃：

S24：当采集到的轨迹点的个数大于3时，采用以下方式选取贝塞尔曲线的连接点q₀、q₁、q₂、q₃：

S25：若收笔时采集到的轨迹点的个数为3的倍数，则每采集到3个轨迹点便生成新的贝塞尔曲线；

S26：若收笔时采集到的轨迹点的个数为i％3＝1，此时剩余1个轨迹点未处理，则针对该点生成一阶贝塞尔曲线；

S27：若收笔是采集到的轨迹点的个数为i％3＝2，此时剩余2个轨迹点未处理，则针对该2个轨迹点生成二阶贝塞尔曲线。

4.根据权利要求1所述的数字墨水手写笔迹美化的方法，其特征在于，步骤S3中，所述收笔处理的方法为：

S31：预先设定笔画宽度阈值w_threshold；

S32：若收笔时轨迹点的宽度w_n<w_threshold，则将w_n作为收笔时的最终宽度；

S33：根据收笔时轨迹点及其之前两个轨迹点的加速度判断用户是否在书写时出现抖动，其中加速度的定义式为

若有a_i>1.2i∈[n-2,n]，则判断为收笔，此时进行收笔处理；

S34：收笔时对笔锋处理的方法为：

其中，w_min为最小笔画宽度，w_t收笔时的轨迹点与收笔前一个轨迹点之间的宽度值，w_i-1为收笔前一点笔画宽度，n为插值点数。

5.根据权利要求4所述的数字墨水手写笔迹美化的方法，其特征在于，步骤S3中，所述收笔处理的方法还包括对首尾相接的两个笔画进行惯性延长收笔，其方法为：根据笔画的类型、相对位置、角度信息以及用户选择的延伸参数，确定相邻笔画头尾延伸的端点，用一条直线把相邻笔画的头尾延伸的端点相接，所述延伸参数为

θ、

β、γ、μ、λ中的一个或多个。

6.根据权利要求1所述的数字墨水手写笔迹美化的方法，其特征在于，步骤S4中，所述渲染的方法为：在笔画末尾依照宽度逐渐减半的过程来缩小宽度。

7.根据权利要求1所述的数字墨水手写笔迹美化的方法，其特征在于，步骤S5中，所述轮廓填充的方法为：采用雨滴状笔刷作为基本的贴图笔刷形状，将雨滴模型在轨迹点上进行拼接，然后提取出外轮廓，再对外轮廓进行贝塞尔插值平滑处理，最后将轮廓填充，得到实心的字体。

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