《基于图像的2》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于图像的2（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、基于线条画的 2.5 维卡通模型 1孙玉红 1） 屠长河 2） 孟祥旭 2） 1)(曲阜师范大学计算机科学学院 日照 276826)2)(山东大学计算机科学与技术学院 济南 250101)摘要：提出一种基于线条画输入的 2.5 维卡通模型。方法基于在同一平面上正交的两个视线方向上的卡通对象的视图，自动生成这两个方向中间任意方向的视图，类似于卡通对象旋转的效果。笔画表示为二维的线条形状和一个表示深度的三维点。笔划形状的变化利用插值和类比的方法实现，笔画的可见性通过分组处理结合画家思想的方法处理。相比前人的工作，该方法输入条件比较简单，不需要用户进行复杂的绘制，只要输入卡通模型少量的二维视图，即可
2、进行卡通动画的创作，并且解决了前人工作中的笔画可见性不连续变化的问题。关键词：非真实感绘制、2.5 维卡通、插值、类比、分组Line Drawings Based 2.5D Cartoon ModelsSun Yuhong 1) Tu Changhe 2) Meng Xiangxu 2) 1) (School of Computer Science , Qufu Normal University, Rizhao, 276826)2) (School of Computer Science and Technology, Shandong University, Jinan, 250101)A
3、bstract: This paper proposed a 2.5D cartoon model based on line drawings. The method used 2D line drawings of the cartoon from two orthographic views to generate plausible renderings of the cartoon from any views between the two directions and simulate 3D rotations. The shape of strokes in views is
4、created by interpolation and analogies, and the depth of the stroke is embodied by a 3D point. The visibility of strokes is determined by the painters algorithm after grouped. Compared with previous work, our method is simple in input and need only a few 2D cartoon images to design the animation wit
5、hout any complicated drawing for users. In addition, our method has overcome the discontinuity of the visibility in rotation.Keywords: Non_photorealistic rendering, 2.5D Cartoon, Interpolation, Analogy, Group1 引言卡通作为一种人们喜爱的媒体传播形式，在各种动画制作和游戏开发中有着广泛的应1资助项目：国家自然基金 60970046;山东省自然基金重点项目 ZR2009GZ002;山东省自然
6、基金ZR2010FQ004;曲阜师范大学青年基金 XJ201120. 本文联系作者：sun_用。在计算机辅助的卡通设计中，通过旋转一个卡通对象以便从不同的角度观察它具有重要的意义，它可以用于辅助设计动画，或者方便地把卡通对象放置到一个可以改变视点的三维虚拟环境中。传统的做法是先建立一个三维模型，然后通过非真实感手段绘制出卡通形象，如【1】 【2】中的方法。但生成一个三维模型是比较耗时的，而且艺术家习惯的一些平面创作中的风格化元素很难通过三维模型的非真实感绘制逼真地表现出来。FIORE, F. D【3】提出了基于 2.5 维模型，用分层的方法自动地生成动画的中间视图。首先由二维曲线构造卡通对象基
7、本的线条表示，再手工绘制三维的骨架信息，然后构造 2.5维模型结构，最后进行线条的变形得到动画中间的视图。最近的方法如 Rivers【4】提出一种 2.5 维的卡通模型的方法，该方法把每个二维线条与一个三维点相关联，通过对二维线条插值处理，实现了根据三个视点输入产生任意视点视图的效果，该方法不需要建立对象的三维模型，但要用户手工绘制出相应方向的二维线条画。 【3】和【4】的方法都需要用户绘制不同视线方向的矢量化的线条，这对具有一定绘画技能的用户是容易实现的，普通用户在没有任何辅助条件的前提下，只通过鼠标交互很难画出令人满意的线条画，因此只适用于擅长绘画的专业用户。一般用户使用这种模型难以得到满
8、意的效果。类似的工作有文献【16】 ，能够自动实现三维模型转变为 2.5 维的效果，但同样离不开卡通对象的三维模型数据。本文提供一种方法不用输入模型的三维数据，也不需要用户绘制矢量线条，只要输入几个视点方向的线条画的图像，通过线条画自动矢量化，对每个线条计算出一个相关联的锚点，建立笔画的 2.5 维模型，就能自动生成连续的视图，类似卡通对象旋转的效果。相比较【3】和【4】 ，本文方法需要提供的信息简单，数据量少，适用于普通用户，在动画创作中，只要提供相应的线条画，任何用户都可以通过该方法进行动画设计。2 相关研究 在非真实感绘制和动画设计中，对卡通风格的研究由来已久。以前的工作大都集中在把风格
9、化的效果引入到计算机绘制中，如 Gooch【5】 。非真实感绘制（ Non_photorealistic rendering，简称 NPR）技术的发展使得三维模型呈现出手绘风格成为可能，如光照阴影的处理，夸张效果等。众所周知，仅仅通过一个三维模型绘制的卡通效果在模型旋转时，可能会有一些互相不连续的线条。对此问题，可以采用依赖于视点的几何绘制方法解决， 【6】提出的方法是使用同一个对象的多个不同的模型，以对应不同的视点，对这些模型插值，绘制一个对应插值中间视点的模型。这个方法虽然很灵活，但需要三维模型，并要保持基本的三维外观的元素是可见的。对插值方法的研究，FIORE, F. D【3】 提出对少
10、量的手绘视图插值得出中间的视图，在该方法中，必须由艺术家画出三维的骨架，或者必须手动指定每个视图的深度，所采用的形状插值方法是简单的线性插值，在一些旋转的过程中很难保持形状和比例。本文使用的线条是根据图像处理得到的矢量笔画，不需要手工绘制，笔画的深度是通过对该笔画从其他方向的视图计算得到。二维形状的插值，以前已经有大量的研究。Sederberg et al 【7】运用基于物理的方法，解决了两个形状之间的顶点对应的问题。笔画被模拟成具有长度的金属线，通过动态编程最小化两个形状的弯曲和拉伸能量来实现。Alexa et al. 【 8】 通过“as rigid as possible”解决了顶点路径
11、的问题，顶点的路径被最大可能地限制在笔画内部，Igarashi et al. 【9】 则进一步地实现了尽最大可能的方法对形状进行交互操作。上述这些插值方法都是针对二维数据，Setz and Dyer【10】介绍了视点移动的方法，可以使用二维图像插值模拟视点变换时的三维旋转，但是该方法需要图像中的二维点对应三维模型在空间中的点，在处理卡通对象时，笔画通常表示对象的轮廓，因此笔画上的一个点通常不是代表唯一的三维点。要形成新的视点下的卡通视图，不仅需要计算笔画的形状，还需要计算笔画的深度。近年来，也出现了一些结合深度信息进行二维绘制的方法。Sykora et al. 【11】提出利用离散的深度不等值
12、决定卡通笔画的深度。Eisemann 【12】 提出从三位场景中自动生成二维分层的图像。在我们的方法中，通过已有的视图，为每个笔画计算得到一个三维点，然后自动决定旋转过程中笔画的深度。Rivers【4】提出的 2.5 维卡通模型的方法，在用户手工绘制出准确线条的条件下，用插值方法实现了类似模型旋转的效果。该方法中，构成模型的每个线条是具有形状、位置和相对的深度信息的，表示为二维的线条和与之关联的一个三维点。在新的视图中的形象是通过插值线条的形状并移动线条的三维点形成的，因此称之为 2.5 维模型。但该方法需要用户手工绘制出模型的线条形状，而且线条形状不是普通的二维视图中的结果，而是该线条被遮挡
13、之前完整的形状，因为视线方向改变时，被遮挡的部分可能显示出来。因此这种有规则的绘制对于普通的用户在没有任何辅助的条件下，是比较有难度的。相比较，本文方法的输入条件更简单，只需要输入模型的二维视图的线条，这些线条是遮挡之后的形状，因此处理过程中需要对遮挡进行特殊处理，提出采用类比的方法。在【4】的方法中，由于线条是完整的，通过线条的交叠关系（overlap）和相对深度信息决定了线条的可见性，旋转过程中一些中间视图的线条出现突然遮挡或突然可见的问题，看上去很不自然，对此本文提出了根据线条的深度结合线条之间的关系进行分组来确定线条的可见性，可以解决上述问题。3 算法对于卡通对象两个正交方向的视图，算
14、法的目标是生成这两个方向中间的任意方向的视图。算法的输入是二维线条画表示的卡通对象两个正交方向的视图，通常可以由专门的绘画人员绘制。需要注意的是，通常，手工绘制的卡通模型的线条画与实际的三维模型照片的线条画视图并不完全相同。为了表现特征，手工绘制的卡通模型的线条比模型实际视图的线条多一些，如图 1 中，模型(a)中鼻子的形状为圆形，但模型的正面视图中鼻子绘制的并不是圆形，同样，(a)中的眼珠，在模型的侧面视图中可能看不到，眼睛可能不是椭圆形状，嘴巴的形状也不明显，但是手工绘制的侧面视图，通常如图(c)所示。关于手工绘制的线条画视图与实际视图有所不同，在文献【3】 【4】 【16】中都有所描述。
15、(a)三维模型 (b) 绘制的正面视图 (c) 绘制的侧面视图图 1 模型和手工绘制的线条画视图对输入的手工绘制的两个视图，本文进行如下处理。Step1：对线条画图像分析，获取两个视图中的笔画。Setp2：计算每个笔画在两幅视图中的对应关系，并确定笔画的锚点。Step3：根据当前的方向，计算每个笔画的中间形状，和笔画锚点新的位置。Step4：根据当前锚点的位置，确定每个笔画的可见性，即得到笔画的绘制顺序。Step5：按 Step4 中的顺序绘制每个笔画。以下内容对这几个步骤进行详细说明。3.1 获取笔画输入两个卡通对象的视图后，首先获取矢量化的线条，本文称之为“笔画” ，以区分只有路径信息没有
16、宽度和任何风格的曲线线条。笔画是具有线条的路径和宽度以及代表笔触类型的风格的矢量表示。从图像中获取笔画的过程，采用文献【13】 【14】中的方法，对图像进行二值化处理后，细化并且求边界，图像细化的结果作为笔画的路径的矢量表示，图像求边界的结果作为笔画的宽度与风格的矢量表示。每个笔画都可以表示为公式 1 的形式：公式 1：S ： ),(;1|),( aii zyxlnwyx其中 为笔画的形状信息包括位置和对应的宽度， 为代表笔划深),(iiwyx度的锚点的坐标，n 为控制点个数，笔画路径采用 n 个控制点的样条曲线形式绘制。本文之后内容描述中笔画的旋转，插值、类比和绘制都是基于该公式。与【13】 【14】不同的是，为了产生连续的多个视图，我们需要获取至少两幅图像的矢量笔画的表示。一幅称为源线条画，文中使用视点在 Z 轴上，即绘制在 XY 平面上的视图，下面简称为正视图，一幅称为目标线条画，文中使用视点在 X 轴上，即绘制在 YZ 平面上的视图，下面简称为侧视图。两幅线条画中
