CN115601500A - 一种动态、三维的数字水墨山水画的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于数字水墨山水画制作技术领域，公开了一种动态、三维的数字水墨山水画的制作方法，本发明有别于常规三维网格模型的数字水墨动画制作模式，本成果有望让数字艺术创作人员超越低效、繁琐的网格建模方式，快速制作和展现动态、逼真的数字写意水墨动画效果。此外，本发明通过建立三维模型方法对传统写意山水画进行深入了解的基础上进行写意画墨法效果的特征解析，对计算机仿真过程进行程序处理上的分解与整合，解决数字水墨山水画在三维空间中的精准构图，完成数字水墨山水画的最终渲染合成；同时，通过将静态水墨山水画图像转化为动态水墨山水画图像方法可以将将静态水墨山水画图像转化转成动态图；可以制作丰富的动画。

Description

一种动态、三维的数字水墨山水画的制作方法

技术领域

本发明属于数字水墨山水画制作技术领域，尤其涉及一种动态、三维数字水墨山水画的制作方法。

背景技术

水墨画是中国画的一个分支，主要是由文人画发展起来，几乎以水墨代替颜色，通过墨分五色，浓、淡、焦、干、湿为墨法，以用笔、用墨的技法为技巧。自唐宋以降就有了写意山水画，分为大写意、小写意、青绿山水、浅降山水。大写意，用笔墨粗细应变，笔法灵活，气韵生动；小写线条精确渲染细腻；青绿山水线条简单，用石青，石绿为主色，称为青绿山水；渲染色一遍色称为浅降山水，渲染二至三遍色称为重彩画山水。然而，现有的数字技术的制作方法制作的数字水墨山水画，基本上是二维形态的，或者是二维仿三维的，未能从根本上解决水墨山水画的三维形态建模问题；此外，现有数字技术的制作方法制作的数字水墨山水画，无法实现全方位的动态化问题，如树木和其他植被的动态生长更替、山石的随机建模与动态变化。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有数字技术的制作方法制作的数字水墨山水画未能从根本上解决水墨山水画的三维形态建模问题。

(2)无法实现全方位的动态化问题，如树木和其他植被的动态生长更替、山石的随机建模与动态变化等。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种动态、三维数字水墨山水画的制作方法。

本发明是这样实现的，一种动态、三维的数字水墨山水画的制作方法包括：

步骤一，根据水墨山水画特征选择“钩”、“皴”、“点”笔法的笔触纹理风格；从笔触纹理数据库中提取所选择的笔触纹理样本；

步骤二，建立三维模型，并提取其特征线；根据选择的“钩”纹理样本生成“钩”图像；根据选择的“皴”纹理样本生成“皴”图像；

步骤三，渲染模型灰度图，根据灰度图生成“染”图像；根据“点”笔触纹理样本生成“点”图像；将所述的“钩”、“皴”、“染”、“点”四幅图像叠加融合生成静态水墨山水画图像；

步骤四，将静态水墨山水画图像通过涂鸦绘制算法的软件界面进行多次的绘制操作，从而把二维静态的水墨山水画图像转化为动态的水墨山水画图像。

进一步，所述建立三维模型方法如下：

(1)水墨山水画三维建模；皴法纹理采样与合成；水墨山水画的绘制笔刷；

斜投影视图空间的创建；

(2)基于阿尔法遮罩通道的最终三维数字水墨山水画的生成渲染。

所述渲染方法：

基于水墨山水画三维建模的源数据构建八叉树，计算八叉树节点所代表空间内水墨山水画三维建模表面的存在性和几何复杂性；

当八叉树节点所代表空间内存在水墨山水画三维建模表面且表面几何复杂性大于预设值时将该节点切分成子节点，直至每个存在水墨山水画三维建模表面的八叉树节点内水墨山水画三维建模表面的几何复杂性小于等于预设值；

采用光线步进算法处理水墨山水画三维建模，将光线步进算法中的光线与存在水墨山水画三维建模表面的八叉树节点相交处作为该条光线上的初始采样点；

计算光线步进算法中光线与水墨山水画三维建模表面相交位置的梯度，得到该相交位置的法向；

将光线与水墨山水画三维建模表面的相交位置和该相交位置的法向加入经典光照模型对水墨山水画三维建模进行渲染；

所述水墨山水画三维建模表面的几何复杂性基于水墨山水画三维建模表面法向的变化量；

所述采用光线步进算法处理水墨山水画三维建模，将光线步进算法中的光线与存在水墨山水画三维建模表面的八叉树节点相交处作为该条光线上的初始采样点包括：

(a)从视点向屏幕每一个像素点发射一条光线，生成一组射线，设视点位置为X，射出的光线为X+tv；

(b)根据光线穿过八叉树节点的顺序从根节点开始依次遍历与光线相交且结构特征表示存在水墨山水画三维建模表面的八叉树节点；

如当前遍历到的节点为八叉树的叶节点，计算光线与该节点的相交处，将相交处设为初始采样点；

如未遍历到与光线相交且结构特征表示存在水墨山水画三维建模表面的八叉树节点，则将该光线对应像素点颜色标记为背景，此条光线处理结束；

(c)设当前采样点为X_k，查询得到SDF值d＝f(X_k)，如果SDF值d超过阈值ε，则采样点继续沿着光线向前移动步长t_k＝d,将X_k+1＝X_k+t_kv设为新的采样点；如果d足够小，即充分接近0，

则认为光线与形状表面相交，此条光线处理结束；

(d)设当前采样点为X_k，如果此时采样点X_k已经穿过了当前八叉树节点，检测X_k当前位置所在的节点是否存在水墨山水画三维建模表面；

如果存在表面，则将X_k所在节点设为当前八叉树节点，返回步骤(c)；否则，返回步骤(b)；

步骤计算光线步进算法中光线与水墨山水画三维建模表面相交位置的梯度，得到该相交位置的法向包括：

水墨山水画三维建模表面的法向为SDF的梯度方向的相反方向，得到光线与水墨山水画三维建模表面相交的位置为X+t_nv，在该位置计算梯度

得到法向n＝-y/||y||；

所述光线步进算法设定最大步进长度；

所述水墨山水画三维建模的源数据为三维网格、数学函数或方程表示的三维表面、基于CSG树构建的三维形状。

进一步，所述三维建模方法为基于粒子堆叠的三维建模、基于程序的综合特征三维建模；

基于粒子堆叠的三维建模采用粒子沉积算法，使粒子序列下落，模拟它们在一个先前落下的粒子所组成的表面上流动，下落足够数目的粒子将产生看起来像是粘性流体的流动线状结构，在这种粒子沉积和堆叠过程中，粒子在重力、浮力和粘性力的约束下，随机产生的粒子会堆叠成各种千变万化的形状；

基于程序的综合特征三维建模是设计一种关系增长语法RGG和扩展L系统语言XL，RGG是一个在图上的替代字符串的重写系统操作，一个图就是一个结构组成的节点和连接这些节点的弧；基于RGG的扩展L系统综合特征三维建模是通过编程或撰写脚本语言，把种类众多、纷繁复杂的各种水墨山水画物象内容通过简洁的笔刷和简单的动作方式绘制出来。

进一步，所述皴法纹理采样与合成方法是初始化记录匹配点位置的数组，设置为输入图像中的随机点，对于输出图像中的每一个象素，按照扫描线顺序计算：

在输出图像中，考虑当前点的L-邻域，对邻域中的每个点，根据数组中匹配点的位置，偏移相应位置后，选取该点为待选点，从而形成候选点列表；清除其中重复的待选点；在待选点中选取与输出图像当前点的L-邻域误差最小的点，拷贝到输出图像当前点中，并记录该位置；重复直至获得合成图。

进一步，所述水墨山水画的绘制笔刷是在造型与纹理基础上，采用水墨山水画的绘制笔刷进行山水画的局部绘制，水墨山水画的绘制笔刷步骤如下：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；

所述笔刷的通用控制参数设定是编写Maya的Mel格式的绘制笔刷，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，包括笔刷的绘制类型、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；

所述树木生成笔刷的控制参数设定是制作树木生成笔刷，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；

所述山石生成笔刷的控制参数设定首先定义粒子笔划“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；

所述水墨山石与树木绘制的笔刷插件开发是开发水墨山石树木笔刷插件；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，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，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，这些笔刷能根据创作者的需要进行单独使用或组合使用。

进一步，所述斜投影视图空间的创建，是在数字化虚拟三维空间，采用斜投影视图空间来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。

进一步，所述基于阿尔法遮罩通道的最终渲染，根据数字山石画写意效果的需要，渲染合成完整的写意山水画效果图，包括阿尔法遮罩通道的获取和定义、写意水墨山石的合成；

阿尔法遮罩通道的获取和定义是根据数字山石画写意效果的需要，通过定义粒子堆叠模型的中的粒子密度、软硬程度和融合程度，然后得到一张与山石基本外观形状相吻合的阿尔法遮罩通道图像，在遮罩通道图像参与纹理和模型合成贴图的渲染过程，为了使皴法纹理和山石的外观形状能达到更好的契合，即产生一种水墨和皴法共同结合、交相辉映的效果，或者有的地方只显示淡墨而没有皴法线条，有的地方只显示皴法线条而没有淡墨，对阿尔法遮罩通道中的墨、白、灰层次重新定义和设置阀值，在区块灰度值60<RGB<255之间设置皴法纹理显示度的权重值，其中，RGB的灰度值在60以下的定义为不显示纹理，最黑区块即RGB为0，0，0的纯黑色的皴法纹理显示度为0％，最白区块即RGB为255，255，255的纯白色的皴法纹理显示度为100％；

写意水墨山石的合成步骤是在Maya内部的三维渲染引擎中，输入合成的皴法纹理图像，并定义粒子堆叠的山石模型渲染指标，系统自动生成具有阿尔法通道的遮罩图像，最后渲染合成完整的写意山水画效果图。

进一步，所述将静态水墨山水画图像转化为动态水墨山水画图像方法如下：

1)将静态水墨山水画图像单独做成第一模块；根据预设的可转化成动画的部位在第一模块中的位置和尺寸，绘制透明的矩形色块，矩形色块数量与预设的动画部位数量保持一致，所有的矩形色块组合成的形状接近第一模块的静态图形状，将这些矩形色块做成第二模块，对该第二模块里的需要动的矩形色块做动画处理；

2)分析第二模块，提取每个矩形色块的位置和尺寸，在第一模块的静态图相对应的位置，按照这个矩形色块的尺寸截取图像；提取截取的图像像素信息；将提取的像素信息赋值到对应的第二模块相对应的矩形色块上位置上；即生成动态数字水墨山水画。

进一步，所述将静态水墨山水画图像单独做成第一模块包括以下子步骤：

在涂鸦软件的涂鸦界面预设涂鸦范围；手指在涂鸦界面滑动时，绘制笔触素材,当手指滑动超出涂鸦范围，就不予以绘制笔触素材；

将静态水墨山水画图像导入涂鸦软件进行绘制，绘制结束时，将涂鸦结果保存成图像，生成第一模块。

进一步，所述根据预设的可转化成动画的部位在第一模块中的位置和尺寸，绘制透明的矩形色块，矩形色块数量与预设的动画部位数量保持一致，所有的矩形色块组合成的形状接近第一模块的静态图形状，将这些矩形色块做成第二模块，对该第二模块里的需要动的矩形色块做动画处理包括以下子步骤：

绘制预设的涂鸦样式；在绘制好的涂鸦样式里，依据预设动画位置和尺寸绘制矩形色块，矩形色块内部没有内容的位置像素点绘制成透明；

对该矩形色块制作预设的动画；对每个带有动画的矩形色块命名，形成第二模块；

所述分析第二模块，提取每个矩形色块的位置和尺寸，在第一模块的静态图相对应的位置，按照这个矩形色块的尺寸截取图像包括以下子步骤：

遍历第二模块里所有的矩形色块，并记录每个矩形色块的位置和尺寸；读取第一模块，依据获取的矩形色块位置和尺寸截取第一模块对应位置的图像；

所述提取截取的图像像素信息包括以下子步骤：

计算出截取的图像尺寸；循环遍历截取的图像每个像素点并记录像素信息，像素信息包含RBG颜色通道数据和Alpha通道数据；

所述将提取的像素信息赋值到对应的第二模块相对应的矩形色块上位置上包括以下子步骤：

在第二模块中找到获取到的像素信息对应的矩形色块；计算该矩形色块的尺寸；

循环遍历该矩形色块，用该矩形色块的像素位置去取获取到的像素信息里的该位置像素信息；

修改矩形色块RBG和Alpha通道数据，完成颜色值修改。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

本发明通过建立脚本化、参数化的“笔刷插件”或“数字笔刷”，直接、快速(最快可以在几分钟之内)在虚拟三维空间进行动态绘制、制作，从而比肩传统水墨艺术的下笔成型、水墨淋漓的效果；有别于常规三维网格模型的数字水墨动画制作模式，本成果有望让数字艺术创作人员超越低效、繁琐的网格建模方式，快速制作和展现动态、逼真的数字写意水墨动画效果。

第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

本发明通过建立三维模型方法对传统写意山水画进行深入了解的基础上进行写意画墨法效果的特征解析，对计算机仿真过程进行程序处理上的分解与整合，解决数字水墨山水画在三维空间中的精准构图，完成数字水墨山水画的最终渲染合成；同时，通过将静态水墨山水画图像转化为动态水墨山水画图像方法可以将将静态水墨山水画图像转化转成动态图；可以制作丰富的动画。

附图说明

图1是本发明实施例提供的动态、三维的数字水墨山水画的制作方法流程图。

图2是本发明实施例提供的建立三维模型方法流程图。

图3是本发明实施例提供的将静态水墨山水画图像转化为动态水墨山水画图像方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

如图1所示，本发明提供一种动态、三维的数字水墨山水画的制作方法包括以下步骤：

S101，根据水墨山水画特征选择“钩”、“皴”、“点”笔法的笔触纹理风格；从笔触纹理数据库中提取所选择的笔触纹理样本；

S102，建立三维模型，并提取其特征线；根据选择的“钩”纹理样本生成“钩”图像；根据选择的“皴”纹理样本生成“皴”图像；

S103，渲染模型灰度图，根据灰度图生成“染”图像；根据“点”笔触纹理样本生成“点”图像；将所述的“钩”、“皴”、“染”、“点”四幅图像叠加融合生成静态水墨山水画图像；

S104，将静态水墨山水画图像通过涂鸦绘制算法的软件界面进行多次的绘制操作，从而把二维静态的水墨山水画图像转化为动态的水墨山水画图像。

如图2所示，本发明提供的建立三维模型方法如下：

S201，水墨山水画三维建模；皴法纹理采样与合成；水墨山水画的绘制笔刷；斜投影视图空间的创建；

S202，基于阿尔法遮罩通道的最终渲染；

所述渲染方法：

基于水墨山水画三维建模的源数据构建八叉树，计算八叉树节点所代表空间内水墨山水画三维建模表面的存在性和几何复杂性；

当八叉树节点所代表空间内存在水墨山水画三维建模表面且表面几何复杂性大于预设值时将该节点切分成子节点，直至每个存在水墨山水画三维建模表面的八叉树节点内水墨山水画三维建模表面的几何复杂性小于等于预设值；

采用光线步进算法处理水墨山水画三维建模，将光线步进算法中的光线与存在水墨山水画三维建模表面的八叉树节点相交处作为该条光线上的初始采样点；

计算光线步进算法中光线与水墨山水画三维建模表面相交位置的梯度，得到该相交位置的法向；

将光线与水墨山水画三维建模表面的相交位置和该相交位置的法向加入经典光照模型对水墨山水画三维建模进行渲染；

所述水墨山水画三维建模表面的几何复杂性基于水墨山水画三维建模表面法向的变化量；

所述采用光线步进算法处理水墨山水画三维建模，将光线步进算法中的光线与存在水墨山水画三维建模表面的八叉树节点相交处作为该条光线上的初始采样点包括：

(a)从视点向屏幕每一个像素点发射一条光线，生成一组射线，设视点位置为X，射出的光线为X+tv；

(b)根据光线穿过八叉树节点的顺序从根节点开始依次遍历与光线相交且结构特征表示存在水墨山水画三维建模表面的八叉树节点；

如当前遍历到的节点为八叉树的叶节点，计算光线与该节点的相交处，将相交处设为初始采样点；

如未遍历到与光线相交且结构特征表示存在水墨山水画三维建模表面的八叉树节点，则将该光线对应像素点颜色标记为背景，此条光线处理结束；

(c)设当前采样点为X_k，查询得到SDF值d＝f(X_k)，如果SDF值d超过阈值ε，则采样点继续沿着光线向前移动步长t_k＝d,将X_k+1＝X_k+t_kv设为新的采样点；如果d足够小，即充分接近0，

则认为光线与形状表面相交，此条光线处理结束；

(d)设当前采样点为X_k，如果此时采样点X_k已经穿过了当前八叉树节点，检测X_k当前位置所在的节点是否存在水墨山水画三维建模表面；

如果存在表面，则将X_k所在节点设为当前八叉树节点，返回步骤(c)；否则，返回步骤(b)；

步骤计算光线步进算法中光线与水墨山水画三维建模表面相交位置的梯度，得到该相交位置的法向包括：

水墨山水画三维建模表面的法向为SDF的梯度方向的相反方向，得到光线与水墨山水画三维建模表面相交的位置为X+t_nv，在该位置计算梯度

得到法向n＝-y/||y||；

所述光线步进算法设定最大步进长度；

所述水墨山水画三维建模的源数据为三维网格、数学函数或方程表示的三维表面、基于CSG树构建的三维形状。

本发明提供三维建模方法为基于粒子堆叠的三维建模、基于程序的综合特征三维建模；

基于粒子堆叠的三维建模采用粒子沉积算法，使粒子序列下落，模拟它们在一个先前落下的粒子所组成的表面上流动，下落足够数目的粒子将产生看起来像是粘性流体的流动线状结构，在这种粒子沉积和堆叠过程中，粒子在重力、浮力和粘性力的约束下，随机产生的粒子会堆叠成各种千变万化的形状；

基于程序的综合特征三维建模是设计一种关系增长语法RGG和扩展L系统语言XL，RGG是一个在图上的替代字符串的重写系统操作，一个图就是一个结构组成的节点和连接这些节点的弧；基于RGG的扩展L系统综合特征三维建模是通过编程或撰写脚本语言，把种类众多、纷繁复杂的各种水墨山水画物象内容通过简洁的笔刷和简单的动作方式绘制出来。

本发明提供的皴法纹理采样与合成方法是初始化记录匹配点位置的数组，设置为输入图像中的随机点，对于输出图像中的每一个象素，按照扫描线顺序计算：

在输出图像中，考虑当前点的L-邻域，对邻域中的每个点，根据数组中匹配点的位置，偏移相应位置后，选取该点为待选点，从而形成候选点列表；清除其中重复的待选点；在待选点中选取与输出图像当前点的L-邻域误差最小的点，拷贝到输出图像当前点中，并记录该位置；重复直至获得合成图。

本发明提供的水墨山水画的绘制笔刷是在造型与纹理基础上，采用水墨山水画的绘制笔刷进行山水画的局部绘制，水墨山水画的绘制笔刷步骤如下：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；

所述笔刷的通用控制参数设定是编写Maya的Mel格式的绘制笔刷，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，包括笔刷的绘制类型、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；

所述树木生成笔刷的控制参数设定是制作树木生成笔刷，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；

所述山石生成笔刷的控制参数设定首先定义粒子笔划“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；

所述水墨山石与树木绘制的笔刷插件开发是开发水墨山石树木笔刷插件；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，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，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，这些笔刷能根据创作者的需要进行单独使用或组合使用。

本发明提供的斜投影视图空间的创建，是在数字化虚拟三维空间，采用斜投影视图空间来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。

本发明提供的基于阿尔法遮罩通道的最终三维数字水墨山水画的生成渲染，根据数字山、石写意效果的需要，渲染合成完整的写意山水画效果图，包括阿尔法遮罩通道的获取和定义、写意水墨山、石的合成；

阿尔法遮罩通道的获取和定义是根据数字山、石写意效果的需要，通过定义粒子堆叠模型的中的粒子密度、软硬程度和融合程度，然后得到一张与山、石基本外观形状相吻合的阿尔法遮罩通道图像，在遮罩通道图像参与纹理和模型合成贴图的渲染过程，为了使皴法纹理和山石的外观形状能达到更好的契合，即产生一种水墨和皴法共同结合、交相辉映的效果，或者有的地方只显示淡墨而没有皴法线条，有的地方只显示皴法线条而没有淡墨，对阿尔法遮罩通道中的墨、白、灰层次重新定义和设置阀值，在区块灰度值60<RGB<255之间设置皴法纹理显示度的权重值，其中，RGB的灰度值在60以下的定义为不显示纹理，最黑区块即RGB为0，0，0的纯黑色的皴法纹理显示度为0％，最白区块即RGB为255，255，255的纯白色的皴法纹理显示度为100％；

写意水墨山石的合成步骤是在Maya内部的三维渲染引擎中，输入合成的皴法纹理图像，并定义粒子堆叠的山、石模型渲染指标，系统自动生成具有阿尔法通道的遮罩图像，最后渲染合成完整的写意山水画效果图。

如图3所示，本发明提供的将静态水墨山水画图像转化为动态水墨山水画图像方法如下：

S301，将静态水墨山水画图像单独做成第一模块；根据预设的可转化成动画的部位在第一模块中的位置和尺寸，绘制透明的矩形色块，矩形色块数量与预设的动画部位数量保持一致，所有的矩形色块组合成的形状接近第一模块的静态图形状，将这些矩形色块做成第二模块，对该第二模块里的需要动的矩形色块做动画处理；

S302，分析第二模块，提取每个矩形色块的位置和尺寸，在第一模块的静态图相对应的位置，按照这个矩形色块的尺寸截取图像；提取截取的图像像素信息；将提取的像素信息赋值到对应的第二模块相对应的矩形色块上位置上；即生成动态数字水墨山水画。

本发明通过将静态水墨山水画图像转化为动态水墨山水画图像方法可以将将静态水墨山水画图像转化转成动态图；可以制作丰富的动画。

本发明提供的将静态水墨山水画图像单独做成第一模块包括以下子步骤：

在涂鸦软件的涂鸦界面预设涂鸦范围；手指在涂鸦界面滑动时，绘制笔触素材，当手指滑动超出涂鸦范围，就不予以绘制笔触素材；

将静态水墨山水画图像导入涂鸦软件进行绘制，绘制结束时，将涂鸦结果保存成图像，生成第一模块。

本发明提供的根据预设的可转化成动画的部位在第一模块中的位置和尺寸，绘制透明的矩形色块，矩形色块数量与预设的动画部位数量保持一致，所有的矩形色块组合成的形状接近第一模块的静态图形状，将这些矩形色块做成第二模块，对该第二模块里的需要动的矩形色块做动画处理包括以下子步骤：

绘制预设的涂鸦样式；在绘制好的涂鸦样式里，依据预设动画位置和尺寸绘制矩形色块，矩形色块内部没有内容的位置像素点绘制成透明；

对该矩形色块制作预设的动画；对每个带有动画的矩形色块命名，形成第二模块；

所述分析第二模块，提取每个矩形色块的位置和尺寸，在第一模块的静态图相对应的位置，按照这个矩形色块的尺寸截取图像包括以下子步骤：

遍历第二模块里所有的矩形色块，并记录每个矩形色块的位置和尺寸；读取第一模块，依据获取的矩形色块位置和尺寸截取第一模块对应位置的图像；

所述提取截取的图像像素信息包括以下子步骤：

计算出截取的图像尺寸；循环遍历截取的图像每个像素点并记录像素信息，像素信息包含RBG颜色通道数据和Alpha通道数据；

所述将提取的像素信息赋值到对应的第二模块相对应的矩形色块上位置上包括以下子步骤：

在第二模块中找到获取到的像素信息对应的矩形色块；计算该矩形色块的尺寸；

循环遍历该矩形色块，用该矩形色块的像素位置去取获取到的像素信息里的该位置像素信息；

修改矩形色块RBG和Alpha通道数据，完成颜色值修改。

二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。

本发明通过建立脚本化、参数化的“笔刷插件”或“数字笔刷”，直接、快速(最快可以在几分钟之内)在虚拟三维空间进行动态绘制、制作，从而比肩传统水墨艺术的下笔成型、水墨淋漓的效果；有别于常规三维网格模型的数字水墨动画制作模式，本成果有望让数字艺术创作人员超越低效、繁琐的网格建模方式，快速制作和展现动态、逼真的数字写意水墨动画效果。

此外，本发明通过建立三维模型方法对传统写意山水画进行深入了解的基础上进行写意画墨法效果的特征解析，对计算机仿真过程进行程序处理上的分解与整合，解决数字水墨山水画在三维空间中的精准构图，完成数字水墨山水画的最终渲染合成；同时，通过将静态水墨山水画图像转化为动态水墨山水画图像方法可以将将静态水墨山水画图像转化转成动态图；可以制作丰富的动画。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。

本发明通过建立脚本化、参数化的“笔刷插件”或“数字笔刷”，直接、快速(最快可以在几分钟之内)在虚拟三维空间进行动态绘制、制作，从而比肩传统水墨艺术的下笔成型、水墨淋漓的效果；有别于常规三维网格模型的数字水墨动画制作模式，本成果有望让数字艺术创作人员超越低效、繁琐的网格建模方式，快速制作和展现动态、逼真的数字写意水墨动画效果。

此外，本发明通过建立三维模型方法对传统写意山水画进行深入了解的基础上进行写意画墨法效果的特征解析，对计算机仿真过程进行程序处理上的分解与整合，解决数字水墨山水画在三维空间中的精准构图，完成数字水墨山水画的最终渲染合成；同时，通过将静态水墨山水画图像转化为动态水墨山水画图像方法可以将将静态水墨山水画图像转化转成动态图；可以制作丰富的动画。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种动态、三维的数字水墨山水画的制作方法，其特征在于，所述动态、三维的数字水墨山水画的制作方法包括以下步骤：

步骤一，根据水墨山水画特征选择“钩”、“皴”、“点”笔法的笔触纹理风格；从笔触纹理数据库中提取所选择的笔触纹理样本；

步骤二，建立三维模型，并提取其特征线；根据选择的“钩”纹理样本生成“钩”图像；根据选择的“皴”纹理样本生成“皴”图像；

步骤三，渲染模型灰度图，根据灰度图生成“染”图像；根据“点”笔触纹理样本生成“点”图像；将所述的“钩”、“皴”、“染”、“点”四幅图像叠加融合生成静态水墨山水画图像；

步骤四，将静态水墨山水画图像通过涂鸦绘制算法的软件界面进行多次的绘制操作，从而把二维静态的水墨山水画图像转化为动态的水墨山水画图像。

2.如权利要求1所述动态、三维的数字水墨山水画的制作方法，其特征在于，所述建立三维模型方法如下：

(1)水墨山水画三维建模；皴法纹理采样与合成；水墨山水画的绘制笔刷；斜投影视图空间的创建；

(2)基于阿尔法遮罩通道的最终三维数字水墨山水画的生成渲染；

所述渲染方法：

基于水墨山水画三维建模的源数据构建八叉树，计算八叉树节点所代表空间内水墨山水画三维建模表面的存在性和几何复杂性；

当八叉树节点所代表空间内存在水墨山水画三维建模表面且表面几何复杂性大于预设值时将该节点切分成子节点，直至每个存在水墨山水画三维建模表面的八叉树节点内水墨山水画三维建模表面的几何复杂性小于等于预设值；

采用光线步进算法处理水墨山水画三维建模，将光线步进算法中的光线与存在水墨山水画三维建模表面的八叉树节点相交处作为该条光线上的初始采样点；

计算光线步进算法中光线与水墨山水画三维建模表面相交位置的梯度，得到该相交位置的法向；

将光线与水墨山水画三维建模表面的相交位置和该相交位置的法向加入经典光照模型对水墨山水画三维建模进行渲染；

所述水墨山水画三维建模表面的几何复杂性基于水墨山水画三维建模表面法向的变化量；

所述采用光线步进算法处理水墨山水画三维建模，将光线步进算法中的光线与存在水墨山水画三维建模表面的八叉树节点相交处作为该条光线上的初始采样点包括：

(a)从视点向屏幕每一个像素点发射一条光线，生成一组射线，设视点位置为X，射出的光线为X+tv；

(b)根据光线穿过八叉树节点的顺序从根节点开始依次遍历与光线相交且结构特征表示存在水墨山水画三维建模表面的八叉树节点；

如当前遍历到的节点为八叉树的叶节点，计算光线与该节点的相交处，将相交处设为初始采样点；

如未遍历到与光线相交且结构特征表示存在水墨山水画三维建模表面的八叉树节点，则将该光线对应像素点颜色标记为背景，此条光线处理结束；

(c)设当前采样点为X_k，查询得到SDF值d＝f(X_k)，如果SDF值d超过阈值ε，则采样点继续沿着光线向前移动步长t_k＝d,将X_k+1＝X_k+t_kv设为新的采样点；如果d足够小，即充分接近0，

则认为光线与形状表面相交，此条光线处理结束；

(d)设当前采样点为X_k，如果此时采样点X_k已经穿过了当前八叉树节点，检测X_k当前位置所在的节点是否存在水墨山水画三维建模表面；

如果存在表面，则将X_k所在节点设为当前八叉树节点，返回步骤(c)；否则，返回步骤(b)；

步骤计算光线步进算法中光线与水墨山水画三维建模表面相交位置的梯度，得到该相交位置的法向包括：

水墨山水画三维建模表面的法向为SDF的梯度方向的相反方向，得到光线与水墨山水画三维建模表面相交的位置为X+t_nv，在该位置计算梯度

得到法向n＝-y/||y||；

所述光线步进算法设定最大步进长度；

所述水墨山水画三维建模的源数据为三维网格、数学函数或方程表示的三维表面、基于CSG树构建的三维形状。

3.如权利要求2所述动态、三维的数字水墨山水画的制作方法，其特征在于，所述三维建模方法为基于粒子堆叠的三维建模、基于程序的综合特征三维建模；

基于粒子堆叠的三维建模采用粒子沉积算法，使粒子序列下落，模拟它们在一个先前落下的粒子所组成的表面上流动，下落足够数目的粒子将产生看起来像是粘性流体的流动线状结构，在这种粒子沉积和堆叠过程中，粒子在重力、浮力和粘性力的约束下，随机产生的粒子会堆叠成各种千变万化的形状；

基于程序的综合特征三维建模是设计一种关系增长语法RGG和扩展L系统语言XL，RGG是一个在图上的替代字符串的重写系统操作，一个图就是一个结构组成的节点和连接这些节点的弧；基于RGG的扩展L系统综合特征三维建模是通过编程或撰写脚本语言，把种类众多、纷繁复杂的各种水墨山水画物象内容通过简洁的笔刷和简单的动作方式绘制出来。

4.如权利要求2所述动态、三维的数字水墨山水画的制作方法，其特征在于，所述皴法纹理采样与合成方法是初始化记录匹配点位置的数组，设置为输入图像中的随机点，对于输出图像中的每一个象素，按照扫描线顺序计算：

在输出图像中，考虑当前点的L-邻域，对邻域中的每个点，根据数组中匹配点的位置，偏移相应位置后，选取该点为待选点，从而形成候选点列表；清除其中重复的待选点；在待选点中选取与输出图像当前点的L-邻域误差最小的点，拷贝到输出图像当前点中，并记录该位置；重复直至获得合成图。

5.如权利要求2所述动态、三维的数字水墨山水画的制作方法，其特征在于，所述水墨山水画的绘制笔刷是在造型与纹理基础上，采用水墨山水画的绘制笔刷进行山水画的局部绘制，水墨山水画的绘制笔刷步骤如下：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；

所述笔刷的通用控制参数设定是编写Maya的Mel格式的绘制笔刷，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，包括笔刷的绘制类型、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；

所述树木生成笔刷的控制参数设定是制作树木生成笔刷，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；

所述山石生成笔刷的控制参数设定首先定义粒子笔划“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；

所述水墨山石与树木绘制的笔刷插件开发是开发水墨山石树木笔刷插件；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，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，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，这些笔刷能根据创作者的需要进行单独使用或组合使用。

6.如权利要求2所述动态、三维的数字水墨山水画的制作方法，其特征在于，所述斜投影视图空间的创建，是在数字化虚拟三维空间，采用斜投影视图空间来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。

7.如权利要求2所述动态、三维的数字水墨山水画的制作方法，其特征在于，所述基于阿尔法遮罩通道的最终渲染，根据数字山石画写意效果的需要，渲染合成完整的写意山水画效果图，包括阿尔法遮罩通道的获取和定义、写意水墨山石的合成；

阿尔法遮罩通道的获取和定义是根据数字山石画写意效果的需要，通过定义粒子堆叠模型的中的粒子密度、软硬程度和融合程度，然后得到一张与山石基本外观形状相吻合的阿尔法遮罩通道图像，在遮罩通道图像参与纹理和模型合成贴图的渲染过程，为了使皴法纹理和山石的外观形状能达到更好的契合，即产生一种水墨和皴法共同结合、交相辉映的效果，或者有的地方只显示淡墨而没有皴法线条，有的地方只显示皴法线条而没有淡墨，对阿尔法遮罩通道中的墨、白、灰层次重新定义和设置阀值，在区块灰度值60<RGB<255之间设置皴法纹理显示度的权重值，其中，RGB的灰度值在60以下的定义为不显示纹理，最黑区块即RGB为0，0，0的纯黑色的皴法纹理显示度为0％，最白区块即RGB为255，255，255的纯白色的皴法纹理显示度为100％；

写意水墨山石的合成步骤是在Maya内部的三维渲染引擎中，输入合成的皴法纹理图像，并定义粒子堆叠的山石模型渲染指标，系统自动生成具有阿尔法通道的遮罩图像，最后渲染合成完整的写意山水画效果图。

8.如权利要求1所述动态、三维的数字水墨山水画的制作方法，其特征在于，所述将静态水墨山水画图像转化为动态水墨山水画图像方法如下：

(1)将静态水墨山水画图像单独做成第一模块；根据预设的可转化成动画的部位在第一模块中的位置和尺寸，绘制透明的矩形色块，矩形色块数量与预设的动画部位数量保持一致，所有的矩形色块组合成的形状接近第一模块的静态图形状，将这些矩形色块做成第二模块，对该第二模块里的需要动的矩形色块做动画处理；

(2)分析第二模块，提取每个矩形色块的位置和尺寸，在第一模块的静态图相对应的位置，按照这个矩形色块的尺寸截取图像；提取截取的图像像素信息；将提取的像素信息赋值到对应的第二模块相对应的矩形色块上位置上；即生成动态数字水墨山水画。

9.如权利要求8所述动态、三维的数字水墨山水画的制作方法，其特征在于，所述将静态水墨山水画图像单独做成第一模块包括以下子步骤：

在涂鸦软件的涂鸦界面预设涂鸦范围；手指在涂鸦界面滑动时，绘制笔触素材,当手指滑动超出涂鸦范围，就不予以绘制笔触素材；

将静态水墨山水画图像导入涂鸦软件进行绘制，绘制结束时，将涂鸦结果保存成图像，生成第一模块。

10.如权利要求8所述动态、三维的数字水墨山水画的制作方法，其特征在于，所述根据预设的可转化成动画的部位在第一模块中的位置和尺寸，绘制透明的矩形色块，矩形色块数量与预设的动画部位数量保持一致，所有的矩形色块组合成的形状接近第一模块的静态图形状，将这些矩形色块做成第二模块，对该第二模块里的需要动的矩形色块做动画处理包括以下子步骤：

绘制预设的涂鸦样式；在绘制好的涂鸦样式里，依据预设动画位置和尺寸绘制矩形色块，矩形色块内部没有内容的位置像素点绘制成透明；

对该矩形色块制作预设的动画；对每个带有动画的矩形色块命名，形成第二模块；

所述分析第二模块，提取每个矩形色块的位置和尺寸，在第一模块的静态图相对应的位置，按照这个矩形色块的尺寸截取图像包括以下子步骤：

遍历第二模块里所有的矩形色块，并记录每个矩形色块的位置和尺寸；读取第一模块，依据获取的矩形色块位置和尺寸截取第一模块对应位置的图像；

所述提取截取的图像像素信息包括以下子步骤：

计算出截取的图像尺寸；循环遍历截取的图像每个像素点并记录像素信息，像素信息包含RBG颜色通道数据和Alpha通道数据；

所述将提取的像素信息赋值到对应的第二模块相对应的矩形色块上位置上包括以下子步骤：

在第二模块中找到获取到的像素信息对应的矩形色块；计算该矩形色块的尺寸；

循环遍历该矩形色块，用该矩形色块的像素位置去取获取到的像素信息里的该位置像素信息；

修改矩形色块RBG和Alpha通道数据，完成颜色值修改。

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