水墨山水画的数码三维仿真研究_李勋祥

2017-09-28 17:51 | 推荐者:7cc4965b | 栏目分类:句子 | 浏览次数:739

第24卷 第3期黄 石 理 工 学 院 学 报Vo.l24 No.3 2007年9月JOURNALOFHUANGSHIINSTITUTEOFTECHNOLOGYSep1 2007

水墨山水画的数码三维仿真研究

李勋祥1,2,3*,邱国鹏2

(11黄石理工学院,湖北黄石435003;21三明学院,福建三明365000;

31武汉理工大学,湖北武汉430063)

[摘 要]水墨山水画的数码三维表达的意义在于,采用数字技术的方式研究和探索中国山水画艺术,以数

字化的三维虚拟空间作为水墨山水的创作媒介和平台,从而开辟中国山水画创作和审美的新视野。这些研究包括:中国水墨画风格的纹理技术;基于动力学技术的动态云、水;基于风力动力学和植物生长机制的动态树。基于中国水墨画风格的山石树木建模技术等内容,它丰富了计算机图形图像的视觉表达方式,有助于在艺术与科学之间探索新的结合点。

[关键词]水墨山水画;数码三维表达;艺术与科学

[中图分类号]J212/TP39119[文献标识码]A [文章编号]1671-7422(2007)03-0023-05

Digital3DSimulationforChinese

Ink-washLandscapePainting

LiXunxiang1,2,3,QiuGuopeng2

(11HuangshiInstituteofTechnology,HuangshiHubei435003;21SanmingCollege,

SanmingFujian365000;31WuhanUniversityofTechnology,WuhanHubei430063)

[Abstract]Forink-washlandscapepaintingsimulatedwith3Dtechniques,thesignificanceistoopenanewwin-dowforcreationandaestheticsofChineselandscapepainting.WecanresearchandexploreChineselandscapepain-t

ingwithdigitaltechnique,andadoptdigital3Dspaceasacreatingplatformandmediumofthelink-washland-

scape.Theseresearchesinclude:texturetechniquesofChineseink-washpaintingstyle;dynamiccloud,fogandwater;thedynamictreesbasedonthewinddynamicsandgrowthprinciple.ThemodelingtechniqueoflandscapesandtreesbasedonChineseink-washpaintingenrichestheexpressionwaysofcomputergraphicsandhelpstoex-ploreanewjointpointbetweentheartandscience.

[Keywords]Chineseink-washlandscapepainting;digital3Dsimulation;artandscience

0引言

中国山水画的数字化创作方式打破了传统艺

术形式的限制,不仅可以在虚拟三维空间营造山

石树木,还可以表现动态的行云流水,是一个比较

前沿性的课题。中国山水画的数字三维仿真不仅

仅是对水墨笔法效果的单纯模拟或仿真,而是较

为全面的水墨意境情趣的仿真。它作为艺术与科学相结合的全新课题,具有潜在的广泛应用前景:一是数字三维仿真作为中国画(山水画)的一个审美欣赏新领域,扩充了该画种的艺术表现力;二是广泛应用于水墨卡通动画片的制作领域,弥补了传统中国画艺术只能限于二维平面中表现的不足,大大提高了计算机卡通动画制作的效率和艺术感染力;三是作为符号学的语义扩展,数字化的

[收稿日期]2007-04-12

*[基金项目]全国艺术科学/十五0规划国家青年基金/数码图形艺术的审美特性研究0(项目编号:05CA068)。中国博士后科学基金资助项目(项目编号:20070410968)。黄石理工学院湖北省重点学科/机械电子工程0资助项目。

[作者简介]李勋祥(1966) ),男,福建清流人,副教授,武汉理工大学博士后。研究方向为虚拟现实与数字艺术。

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水墨用笔具有其独特的符号性的抽象意味,它从虚拟空间的角度传达、暗示艺术作品的审美信息与水墨视觉符号语言。一、研究的基本思路和内容

这项研究的基本思路为/科学与艺术的结合0。一方面,我们要从传统中国山水画艺术的理论和技法中汲取精华,如意境观、韵味观,构图和分间布白理论,笔法、墨法的艺术效果等等;另一方面,我们借助计算机的数字化技术,在进行/中国山水画的数码三维仿真研究0时,更具灵活性和科学性,把传统技法无法达到的效果,如动态的三维水墨纹理与多维的艺术欣赏视角,淋漓尽致地予以表现。

我们的研究也可以视为传统的艺术美学与数字化虚拟美学的融合。计算机图形图像技术是我们此次研究的支撑技术,我们的研究平台主要是基于Alias公司的三维动画技术软件Maya。结合Maya软件中的表达式和Mel编程语言和编写动态的水墨特征纹理,用粒子冷画技术(PaintEffect)编写自定义的中国画水墨效果的三维树木画笔。通过重构和解构数字化的山石模型,达到浑然一体、淋漓尽致的动态三维水墨山水画艺术效果。总之,通过科学与艺术的结合,把传统的水墨画效果作为一种数字化的特殊符号语言进行研究,把中国画(山水画)的创造和审美领域扩展到计算机的三维虚拟平台,在广阔的虚拟三维空间,发挥科学与艺术相结合的创造力和想象力。(一)山水画的数字化三维建模技术

该建模技术不同于一般的几何物理仿真建模技术(如通过分形置换Displace、动态的随机Noise技术、人工雕刻建模法等),而是通过更为接近中国画笔墨情趣构成方式的随机重构与解构技术进行山石外形的堆叠。如图1所示为解构以后的山石局部网格,图2所示为附上数码水墨以后的效果。图3和图4所示为树木的造型,如果需要,每个树种均可以表现为春、夏、秋、冬四季的形态

(二)数码水墨效果的技术原理探讨

11水墨效果材质节点研究

在Maya软件中,所有创建行为如建模、材质、纹理、动画、渲染等都可以分解成一个个相互关联又彼此独立的子程序,这些子程序在Maya软件中称之为节点。要创建具有中国画水墨效果特效的材质,必须研究其材质组成的子节点。组成材质的总子节点可以分为模型节点、材质节点、纹理节点、效用节点、贴图定位节点等。通过这些节点,可以很好地表达各种传统中国画水墨技法中的效果,如山石皴法的纹理、水墨的渗化效果、水墨痕迹的飞白与虚实效果等。无论墨法或笔法,从原理上看,它是面与线的不同状态,从Maya软件的材质组成看,它只是节点的组合方式不同而已。这种节点的组合方式实际上就是纹理的合成。

纹理合成是计算机图形学、计算机视觉以及图像处理等领域的研究热点,是处理自相似图像的一种比较流行的技术。它由给定的小区域样本图像,生成大小不受限制且视觉效果相似而连续的输出图像。利用这种方法,我们可以由小块皴法来合成大片的山石纹理。在众多纹理合成算法模型中,基于TSVQ的快速纹理合成补的纹理合成算法

[2]

[1]

图2 山石的三维渲染效

图3 三维水墨效果树木 图4 三维水墨效果树木

(正面视角)

(侧面视角)

,基于块缝

,以及LinLiang等提出的基

[3]

于片采样的实时纹理合成算法

[4]

等各有所长,但

要实现实时性都需要复杂的加速算法。Ashikh-图1 山石的三维造

min针对自然界中存在的大多数纹理结构单元

很小且相似,大小不规则等特点,采用邻域搜索,素自然纹合,这种

第3期 李勋祥,邱国鹏:水墨山水画的数码三维仿真研究

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方法快速、简单,无需加速算法及多分辨率,极易实现。纵观山水画的各种皴法如米点皴、斧劈皴、荷叶皴等均具有自然纹理的特征,因此,在合成自然纹理方法的基础上加以改进,实现对山石皴法的渲染

[5]

点位置到顶点位置的视点向量,R是E相对N的反射向量,Rx为R的x轴分量值,Ry为R的y轴分量值,(u,v)就是生成的纹理坐标,在绘制轮廓线时通过限制A值可以控制球形映射的作用范围。此外,通过采用了线条宽度限制模板与球形映射的轮廓线条宽度进行比较,如果球形映射线条宽度大于模板限制宽度w,则按w宽度绘制轮廓线条;否则,按照球形映射的宽度绘制轮廓线条。这样,可以有效避免当一个面的法向量与视点向量接近垂直时,整个面就会都被当作轮廓线绘制,避免面片附近曲面的曲率较小会出现大面积黑块的现象,保证物体的轮廓线条的粗细、大小控制在许可范围。

。由于目标图可以引导合成过程的方向

性及浓淡分布,对于结构性比较强的长披麻皴,合成效果也很理想。纹理合成还可以模拟中国的/宿墨0效果,宿墨是指用于中国画的墨汁放了较长时间(至少隔了一个晚上),产生了脱胶和少量颗粒沉淀现象,在绘画视觉效果上具有陈旧和斑渍的效果。这是中国水墨画中的一种重要墨法。如图5所示,是一个构成中国画/宿墨0的各个混合节点,通过节点解析,我们可以发现,宿墨的纹理由四个子纹理组成,每个子纹理分别拥有一个贴图定位节

点。

图6 组成带有勾线水墨效果材质的各节点

31各种墨法类型与效果图样例举

图5 组成国画宿墨效果材质的各节点

以数字化的方式可以很近似地仿真传统的墨法,如宿墨、积墨、新墨等。这些墨法之间可以采用堆叠、拼接等方式进行融合,从而产生千变万化的墨法效果。如图7所示为各种墨法效果,图8所示为多层通道叠加的情况。

21水墨轮廓线节点研究

带有勾线水墨效果材质的轮廓,通过可编程图形硬件技术在图像上寻找各种Outlines(包括轮廓线和褶线),然后对这些线进行膨胀和反走样处理,最后叠加到要绘制的3D模型上。如图6所示为计算机程序绘制的水墨效果茄子。从画面上可以看出,茄子的轮廓线用粗细及浓淡变化的线条勾勒,然后用淡墨晕染出黑白相间的中间空白部分。这种轮廓线采用了球形映射绘制技术

[6-7]

,在3D模型上绘制出宽度变化的轮廓线

图7 宿墨、积墨、新墨(胶性融合)等综合墨法

条,所用公式为:

R=2(N#E)E-Em=u=v=

x+Ry+Rz+1)Rx

+0152mRy

+0152m

图8 带alpha通道的水墨干皴法纹理

A=N#E

,上顶点法向量,E是从

26 黄 石 理 工 学 院 学 报 2007年

41墨法应用例举

用数字化的方式表达中国画的水墨符号语言,最好的体现在于应用。一般而言,数字化的表达方式只能是一种仿真,不可能完全与传统的水墨效果一致,但可以达到某种形神兼备的效果。传统水墨画中的没骨画法、骨法用笔都可以用数码符号的方式表达,如图9、图10所示。然而,骨法用笔是一个难点,同时也是数字化水墨技术中的关键。它的纹理节点关系取自图6的例子。这种勾线方法属于一种三维物体边界查找法。它的局限性在于,边界出现之处必须是与视线相切的面。在墨法应用中,更多的是采用几种墨法组合运用,从而产生丰富、厚重的水墨技法效果,如图11所示

。图12 数码水墨山水动画帧(第1/370帧)

图13 数码水墨山水动画帧(第151/370帧)

图9 没骨墨法画虾 图10 骨法用笔画

图14 数码水墨山水动画帧(第223/370帧)

图11 用泼墨加皴法制作数码山石

(三)动画效果研究

11基于摄像机视角的动画

与传统的二维平面画面相比,多视角的变化,如远近、高低、左右、360b旋转等方面的灵活运用,是数字化水墨效果的一大特色。该技术可以在满足或符合传统的散点透视基础上,拓展受众的欣赏视角和中国山水画的构成维度,在这种多视角的要求下,对画面构成要素的安排更加严格。所有要素,如形成水墨画符号语言要素的积墨、泼墨、勾画等技巧对象化成为山石、树木、房屋、云雾等物象,也要求具有360b视角的功能。这就大大增加了数码水墨造像的难度。图12至图15所示是笔者创作的基于摄像机视角的动态数码水墨山

水421模拟树木花草生长的动画技术这是数字化水墨画的第二大特色。这种动画是基于时间轴进行的,必须定义它的生长速度(FlowSpeed)。图16所示表现了朱砂色叶子的生图15 其它的数码水墨山水动画帧

第3期 李勋祥,邱国鹏:水墨山水画的数码三维仿真研究

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二、结论

我们对传统的中国山水画艺术美学与技法理论同计算机数字化技术相结合进行了许多新尝试,诸如数码山石、树木的造型,各种墨法及运用

图16 一组体现树木生长动画的关键帧

技法,三维水墨360b视角、生长、水墨变化、风吹效果等方面的动画等。研究工作从一定角度弥补

31水墨动态变化效果的模拟

这是数字化水墨画的第三大特色。水墨动态变化的效果包括洇化、胶性动态融合、动态泼墨、动态积墨效果等。传统中国水墨画在创作阶段,各种水墨效果的运用就是一个随时变化的动态叠加、融合过程。但是,一旦创作完成,这种动态变化的结果便被固化在二维的纸面上了。运用三维数字动画技术可以把水墨动态变化过程和结果一一展现出来。如图17所示,体现了数码水墨变化的动态效果

了国内相关领域研究的空白。

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图17 一组体现水墨动态变化效果的动画关键帧

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2001:217-

41风吹树动的效果模拟

这是数字水墨画的第四大特色。在虚拟的数字三维世界,如果需要,一切都可以成为动态。这些运动可以通过数字化的方式定义重力(地心吸引力)、风速、风的强度,运动方向(有序性或是紊

乱性)等,逼真地模拟自然界中的风吹树动(或草动)效果,如图18所示

图18 一组风吹树动的动画关键帧

(责任编辑 陈咏梅)

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