CN105678835A - 数字三维写意水墨山水画的建模绘制与渲染方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了数字三维写意水墨山水画的建模绘制与渲染方法，数字三维写意水墨山水画建模；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；基于阿尔法遮罩通道的最终渲染。本发明的有益效果是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，进而提供一种计算机程序控制和人工干预相结合的模式，生成数字写意水墨山水画的模型和皴法纹理，设计数字三维水墨山水画的绘制方案，解决数字水墨山水画在三维空间中的构图，完成数字水墨山水画的最终渲染合成，实现水墨山水画的数字化。

Description

数字三维写意水墨山水画的建模绘制与渲染方法

技术领域

本发明属于计算机制图技术领域，涉及数字三维写意水墨山水画的建模绘制与渲染方法。

背景技术

数字三维写意水墨山水画的建模、绘制与渲染以数字三维写意水墨山水画作为主要研究对象，在虚拟数字三维空间中，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，通过分析、提取和模拟传统中国水墨画，解决了皴法绘制乃至山石自动生成技术，设计了数字三维水墨山水画的绘制方案，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，实现了数字山水画中的山石和树木的建模、绘制与渲染问题，展现了传统二维水墨画无法实现的动态三维水墨空间，形成了一整套较为***和完整的水墨山水画的制作技术。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。

数字三维写意水墨山水画的建模与渲染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。数字三维写意水墨山水画拓展了计算机的三维艺术表现语言，对三维建模及渲染领域而言，也是一个不小的突破。数字三维写意水墨山水画的创建和渲染技术研究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。数字三维写意水墨山水画的创作技术研究成果在电影艺术、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数字三维写意水墨山水画的建模绘制与渲染方法，采用的技术方案步骤如下：

本发明所采用的技术方案是数字三维写意水墨山水画的建模绘制与渲染方法，其特征在于按照以下步骤进行：

步骤1：数字三维写意水墨山水画建模；

步骤2：皴法纹理采样与合成；

步骤3：水墨山水画的绘制笔刷；

步骤4：斜投影视图空间的创建；

步骤5：基于阿尔法遮罩通道的最终渲染。

进一步，所述步骤1的建模方法为基于粒子堆叠的建模、基于程序的综合特征建模；

基于粒子堆叠的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***的形状；

基于程序的综合特征建模是设计一种关系增长语法RGG和扩展L***语言XL，RGG是一个在图上的替代字符串的重写***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***综合特征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，所述步骤2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：(1)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；(2)清除其中重复的待选点；(3)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；(4)重复直至获得合成图。

进一步，所述步骤3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，所述步骤4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，所述步骤5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，***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。

本发明的有益效果是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，进而提供一种计算机程序控制和人工干预相结合的模式，生成数字写意水墨山水画的模型和皴法纹理，设计数字三维水墨山水画的绘制方案，解决数字水墨山水画在三维空间中的构图，完成数字水墨山水画的最终渲染合成，实现水墨山水画的数字化。

附图说明

图1是本发明数字三维写意水墨山水画的建模、绘制与渲染方法的基本流程图；

图2是本发明的一组基于三维粒子堆叠技术的建模图；

图3是本发明的基于综合特征建模构架体系的笔刷创建流程图——从初始到完成；

图4是本发明L形邻域及匹配搜索示意图；

图5是本发明皴法纹理的一次和多次纹理取样与合成效果图；

图6是本发明基于Mel的各类水墨山水画笔刷图；

图7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8是阿尔法通道的遮罩图像各区块的RGB灰度值以及与灰度值对应的纹理显示情况；

图9是本发明的写意水墨山石的皴法合成图；

图10是本发明的基于三维粒子堆叠技术的山石水墨效果渲染参数试验图。

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。

本发明数字三维写意水墨山水画的建模绘制与渲染方法如下步骤：

1、方法概述

如图1所示，本发明主要分为五个基本步骤:(1)数字三维写意水墨山水画建模技术；(2)皴法纹理采样与合成；(3)水墨山水画的绘制笔刷；(4)斜投影视图空间的创建；(5)基于阿尔法遮罩通道的最终渲染。下面详细说明每个步骤。

步骤(1)数字三维写意水墨山水画建模技术；(2)皴法纹理采样与合成；(3)水墨山水画的绘制笔刷；(4)斜投影视图空间的创建；(5)基于阿尔法遮罩通道的最终渲染。下面详细说明每个步骤。

步骤(1)数字三维写意水墨山水画建模技术。所述步骤主要包括：基于粒子堆叠的建模；基于程序的综合特征建模。

基于粒子堆叠的建模技术。如图2所示，粒子的沉积与堆叠生成技术是一种特殊的皴法生成理念，属于一种粒子沉积算法。粒子沉积算法的理念是使粒子序列下落，并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。例如从高处开始下落一个单独的粒子，然后下落第二个粒子在第一个粒子的上面，并且移动它直到它静止下来，即直到它的相邻粒子的高度都不比它更低，继续下落粒子，并且周期性的改变下落点，直到形成一个大小合适的堆叠效果。粒子堆叠则是沉积的一种方式，它可以描述不同粒子属性的沉积所产生的各种不同的堆叠结果。在这种粒子沉积和堆叠过程中，粒子之间允许有粘性或约束力。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***的形状，这种形状上的不可预见性也正是山石外形丰富性的需要。

基于程序的综合特征建模。综合特征建模不仅可以创建各种品种的树木(或植物)，甚至还可以创建大自然中除树(或植物)以外的几乎所有物品。采用数字化技术仿真起始于一点，综合调整，逐渐完善。如通过对初始笔刷位置、笔刷半径大小、管状形态、叶子和花蕊的特征等方面的定义或创建，以及树木生长特征和动力学特征的添加，可以创建二维和三维世界的绝大多数物象。综合的建模***的应用范围已经超越了的植物造型的限制，它事实上就是一种综合的建模***，除了树木建模，可以进行各种类型的宏观或微观动、植物以及其它类型对象的造型。如图3所示。这是设计一种新的“关系增长语法”(RelationalGrowthGrammars，简称RGG)和一个相应的编程语言——扩展L***语言(extendedL-systemslanguage，简称XL)。在这里，RGG是一个在图上的替代字符串的重写***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(也称为“边”)，它可以有循环子结构。之所以称之为“关系”的语法，是因为允许有几种类型的边(关系)。基于RGG的扩展L***综合特征建模理念要解决的问题就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。

一个扩展L***语言规则的代表是：

ab,cd,(*a-align-c*)＝＝>>ad,cb；

类似于L***规则，一个关系增长语法通常由这些被运用于给定的并行图的规则组成。

步骤(2)皴法纹理采样与合成。在以上造型技术的基础上，解决写意山水画的皴法纹理合成技术。由于中国山水画皴法通常都由较细碎的笔线组成，笔线结合紧密，有时层层渲染，有时只有皴擦没有渲染，从而形成了皴法纹理的局部自相似性。纹理合成用来处理自相似图像，是由一幅给定的输入样本图像生成大小不受限制的输出图像的方法。自然纹理是指由一些非常相似但形状和大小不规则的小单元组成的纹理。Ashikhmin提出的自然纹理的合成方法与Wei和Levoy算法(按扫描线顺序搜索匹配点)不同，Ashikhmin利用相关性原理，把搜索范围限制在当前点的邻域。合成自然纹理的方法也采用当前点L形邻域，邻域大小Neighb-siz。并非与纹理质量成正比关系，最佳取值取决于纹理结构，过大的邻域不仅影响合成速度，而且会导致大量的重复区域。但是当纹理比较光滑时，又需要增大邻域。

皴法纹理采样与合成首先收集大量山水画作品中的各种皴法作为输入样本图像存入***中。先假定输入样本图像和要合成的输出图像都具有规则的尺寸。利用相关性原理，把搜索范围限制在当前点的邻域，根据L-邻域点在输入图像中的对应位置偏移相应量后获得候选象素，如图4所示。为输出图像中的每个象素都定义了一个数组结构，用来存储该象素在输入样本图像中位置，以便于邻域象素的匹配点搜索。假定把样图中的q点拷贝到输出图像中的象素P，就可以建立一个以p为索引的数据结构s(.)，具有下面的等式：

S(p)＝q；

在计算过程中，每合成一个象素，都将其在输入样本图像中的位置记录在结构中。算法按照扫描线的顺序，逐象素合成。以随机产生的有效位置初始化上述数据结构，利用这个数据结构，为每一个将要合成的象素创建一个候选象素列表candList()。创建方法是考虑输出图像当前点的L形邻域，通过数据结构s(.)找到邻域中每个象素在输入样本图像中的位置，再根据输出图像当前点与每个邻域点的位置关系，取一定的位置偏移量，得到候选象素列表。只选取邻域和完全在图像中的象素作为有效的候选象素，若候选象素超出有效区域，则用一个随机有效位置代替。为简化计算，把列表中重复的候选象素去掉，再从候选象素中选择一个邻域与输出图像当前点的L形邻域最为匹配的点，在s(.)中记录该象素的位置，并把它的特征值写入输出图像的当前合成位置。一次合成后用方形邻域改善最后几行的纹理质量。如图5所示，该算法可简述如下：

●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：(1)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：(2)清除其中重复的待选点；(3)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；(4)重复直至获得合成图。

●如果需要，对后几行改变算法，再复查前几行以改善和优化纹理合成效果(进行二次或多次合成)。

步骤(3)水墨山水画的绘制笔刷。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。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。

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：

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：

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：

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。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6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。

步骤(4)斜投影视图空间的创建。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7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。首先，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。其次，在CreateCameraOption视窗的OrthographicViews部分中，打开Orthographic选项。最后，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。

步骤(5)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。写意山水的山石效果有虚有实，会上产生一种烟雨空蒙的效果。合成皴法纹理必须根据山石的虚实效果，自适应地产生一种纹理和山石的融合效果。因此我们提出在合成过程中引入了阿尔法(Alpha)遮罩通道的概念，进而实现不规则山石轮廓内部的模型和皴法纹理的虚拟融合效果。数字写意山水画水墨效果的渲染所述步骤主要包括：阿尔法遮罩通道的获取和定义；写意水墨山石的合成。

获取和定义阿尔法遮罩通道。阿尔法遮罩通道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等。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％。图8为阿尔法通道的遮罩图像各区块的RGB灰度值以及与灰度值对应的纹理显示情况。

写意水墨山石的合成。在以上基础上，进行具有泼墨效果风格的三维水墨山石的皴法渲染合成。这种合成是在Maya内部的三维渲染引擎中完成的。如图9所示，只要输入以上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，***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。

2.本发明的进一步实验

数字三维写意水墨山水画在渲染前，需要根据数字山水画的创作意图，并预想数字山石的写意(或泼墨)需要达到的效果，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，从而产生需要的山石模型渲染效果。对于泼墨山水画的水墨淋漓、气韵生动效果的模拟，只有在对传统水墨山水画进行深入研究的基础上，对数字山石的建模和渲染才能定义明确，取舍到位。此外，传统的泼墨山水画本身的成功率也极低，有“废纸三千得一精品”之说。因此，采用粒子堆叠技术模拟泼墨山石效果更应反复试验、不断调整渲染效果。每次调整以上次为依据，进行不断的调试。

在上述技术基础上，对写意山水画中的山石水墨和纹理效果进行反复试验后的一组对比，如图10所示，每组图均分为上下两层进行对比，上层主要是针对山石模型的各种纯水墨渲染效果，下层为加载皴法纹理以后的最终渲染。图10a为粒子软化为-0.9，密度为0.5时的状态，这是一个粒子开始定位和沉积的过程；图10b为粒子软化为-0.5，密度为0.5时的状态，此时，粒子尚未融合，纹理和模型也未能有机地结合；图10c为粒子软化为0，密度为1时的状态，此时，粒子已经开始融合，但融合尚不充分，还有明显痕迹，纹理已经开始和模型结合但尚有一些硬边；图10d为粒子软化为0.3，密度为1时的状态，此时，粒子进一步得到融合，纹理和模型的结合也比较充分，只是泼墨效果尚未充分体现；图10e为粒子软化为0.7，密度为1时的状态；图10f为粒子软化为1，密度为1时的状态。可以个人的根据审美偏好进行取舍，对泼墨效果进行反复审核。

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，数字三维写意水墨山水画的建模、绘制与渲染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 (6)

1.数字三维写意水墨山水画的建模绘制与渲染方法，其特征在于按照以下步骤进行：

步骤1：数字三维写意水墨山水画建模；

步骤2：皴法纹理采样与合成；

步骤3：水墨山水画的绘制笔刷；

步骤4：斜投影视图空间的创建；

步骤5：基于阿尔法遮罩通道的最终渲染。

2.按照权利要求1所述数字三维写意水墨山水画的建模绘制与渲染方法，其特征在于：所述步骤1的建模方法为基于粒子堆叠的建模、基于程序的综合特征建模；

基于粒子堆叠的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***的形状；

基于程序的综合特征建模是设计一种关系增长语法RGG和扩展L***语言XL，RGG是一个在图上的替代字符串的重写***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***综合特征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。

3.按照权利要求1所述数字三维写意水墨山水画的建模绘制与渲染方法，其特征在于：所述步骤2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：(1)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；(2)清除其中重复的待选点；(3)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；(4)重复直至获得合成图。

4.按照权利要求1所述数字三维写意水墨山水画的建模绘制与渲染方法，其特征在于：所述步骤3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。

5.按照权利要求1所述数字三维写意水墨山水画的建模绘制与渲染方法，其特征在于：所述步骤4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。

6.按照权利要求1所述数字三维写意水墨山水画的建模绘制与渲染方法，其特征在于：所述步骤5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，***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。