一种多笔触各向异性梵高风格油画的渲染方法

王涛++高贤强

摘 要：为使计算机模拟出更逼真的流体风格（涡旋状）梵高油画特效，本文提出了一种多尺度各向异性偏微分方程的模拟方法，该方法利用P-M和J.Weickert加权模型在滤噪音时产生的虚假条纹来模拟梵高油画的涡旋状，并在油画绘制时给图像平坦区域加入高斯噪音和采用多尺度弧形笔刷的技术来处理整个渲染过程。实验结果表明：本方法除了很好的模拟了梵高油画的抽象效果外，还增加了油画的层次感和更多的涡旋状。

关键词：梵高油画；流体风格；涡旋状；多尺度弧形笔刷

中图分类号TP31 文献标识码：A

Abstract： To make the computer simulation of a more realistic fluid style （vortex） van gogh painting effects， this paper proposes a multi-scale anisotropic partial differential equation of the simulation method， the method using P - and j. m. eickert weighted model in filtering the noise produced when the false stripes to simulate the van gogh painting of spirals， and joined to the flat areas when drawing oil painting gaussian noise and using multi-scale curved brush technique to handle the whole rendering process. Experimental results show that this method is very good to simulate the van gogh painting abstract effect， also added administrative levels feeling of the painting and more vortex.

Key words： Van gogh painting；Fluid style；Vortex shape；Multiple scale Curved Brush

1引言

随着计算机图形学硬件和算法的不断发展、改进，非真实感绘制（NPR）逐渐成为计算机图形学的研究热点之一。梵高作为后印象派画家，其画开辟了用色彩表现艺术家主体情感世界的一条道路，画中强烈的色彩、涡旋状和人物情感的融入，震撼观者的心灵[1]。近几年，出现了几种模拟梵高油画效果的方法：文献[2]提出一种流体模拟算法，虽能得到较好的效果，但过分依赖参考图的流体线条；文献[3]则采用自适应LIC绘制流体方法，得到图像的涡旋状效果不强烈；文献[4]提出了流体参考图的融合方法，其缺点是参考图纹理的丰富程度以及图像融合算法的好坏直接影响油画的最终效果；文献[5]提出基于矢量场可视化的绘制技术，该方法虽然效果不错，但油画的层次感不强；文献[6]提出一种实现流体风格梵高油画特效的方法，采用偏微分方程进行模拟，缺点是忽略掉许多图像细节、缺乏层次感，其效果见图1、图2。本文在文献6的基础上进行一系列改进，务求达到最佳效果。

2 多笔触各向异性梵高油画渲染方法

本方法针对文献6的不足，图像细小纹理的丢失和图像层次感不强的特点，采用“纹理尺度”和多种尺度弧形笔刷技术来处理。概括为：①使用一个衡量纹理大小的算法（角二阶矩），人为设定范围来筛选出细小纹理，对这些纹理仅微油画处理，以便保留小纹理；②在图像平坦区域人工增加高斯噪音来丰富图像的波动效果。③为达到手工油画丰富的层次感，采用

多种尺度弧形笔刷绘画方法来渲染，以达到最佳效果。

对任何一幅图像，首先使用多种尺度弧形笔刷绘画渲染方法[7]。其具体实施思想为：在绘制时采用不同大小的笔刷来渲染不同层次的细节，用粗大的笔刷来描绘远处的景物采，用细小的画笔来绘制近处的景物，并且使用弧形的笔触来绘制连续的图像颜色区域。具体可分4步：①计算颜色参考图像与輸入图像在每个象素上的颜色空间距离。②逐一扫描图像中的每个像素，对于坐标处的像素，求其邻域内的平均颜色空间距离，若该值大于给定阈值，则以该领域内具有最大颜色空间距离的坐标点作为笔刷落点，并将其加入笔刷落点链表中。③从笔刷落点链表中随机地取出落笔点在画布上沿向量参考图的梯度法线方向（即笔刷方向）进行绘制，重复此操作，直到该链表为空。④根据用户设定的笔刷大小，由大到小，重复①到③在画布上进行多重绘制，得到最终绘制图像。

其次给图像平坦区域按公式1加入随机高斯噪音。

3该改进方法处理流程

本方法处理的具体步骤如下：

Step001：输入原始图像U；

Step002：用多种尺度弧形笔刷的绘画渲染方法将U处理为Impressionist风格U1；

Step003：在图像的平坦区域加入随机高斯噪音（增加平坦区域的纹理）得到U2；

Step004 输入一个可变参数n，将U2分块为U2n（其中n为可变数，代表所有分块数），对每块图像计算图像的能量，根据计算的总结果设定过滤尺度值，判断那些块需要微油画处理，那些直接进行油画处理，然后进入Step005；

Step005：使用j.weickert模型的改进算法对U2n进行分类扩散处理（根据过滤尺度值），得到U3。如果处理的效果不佳可以进行多次油画处理。此处的分类即正常油画处理、微油画处理和不处理，具体需要根据效果来定；