中国水墨画的计算机仿真研究

论文摘要

中国水墨画的计算机仿真涉及诸多的理论与技术,是多学科交叉的研究领域。本文对中国水墨画这一复杂而丰富的系统进行了长期的观察、实践、分析和研究,客观地阐述了水墨画各组成要素的特性及相互间的作用关系,从多个角度对中国水墨画的计算机仿真进行了研究。首先在对宣纸的仿真研究中,本文提出了有效厚度宣纸模型:宣纸由纸纤维元素组成;纸元是承载并传输水墨的基本单位,宣纸平面由纸元映射的网格构成;每个纸元所包含的纸纤维元素数量不同,该值即是宣纸的有效厚度;宣纸各位置的有效厚度通过随机的方法产生,调整其变化区间可以模拟不同质量的纸。本文将渗流力学和土壤水动力学的理论引入水墨在宣纸中运动的研究,通过严谨的理论推导揭示水墨画特殊艺术效果形成的物理过程。论文指出:任意两点间纸水势能之差是水分在此两点间运动的驱动力;纸水势是含水率的函数;墨的运动由水运动所产生的对流和由于墨浓度分布不均与产生的扩散两部分组成,其中对流起主导作用。本文采用基于几何建模的方法用指数曲线来描述毛笔的外形轮廓,函数的参数反映毛笔本身的几何特征和受力变形情况;笔迹轮廓通过笔的指数曲线模型获得;笔头上水墨位置的变化取决于其势能的分布和变化;笔头上的水势能由基质势和重力势两部分组成;笔头上的墨运动为对流运动。论文还对水墨画的3D建模进行了初步的研究,提出了作品的特征分析提取、基于特征的3D建模和形态控制、基于特征的3D水墨渲染和动画制作的系统构架,取得了阶段性的成果。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 计算机艺术
• 1.2 计算机对传统绘画的仿真
• 1.3 中国水墨画
• 1.4 中国水墨画仿真及其意义
• 1.5 本文主要研究工作和创新之处
• 1.6 本文结构
• 第二章 中国水墨画的艺术特征及仿真研究现状
• 2.1 水墨画的作画工具及其特点
• 2.1.1 宣纸
• 2.1.2 毛笔的特征和笔法的归纳
• 2.1.3 水、墨和色
• 2.1.4 其他
• 2.2 水墨画的艺术特征
• 2.2.1 笔迹的渗化效果特征
• 2.2.2 笔迹的叠加效果特征
• 2.2.3 忽略光影效果特征
• 2.3 中国水墨画仿真研究的现状及成果
• 2.3.1 西画仿真研究概况
• 2.3.2 水墨画的仿真方法综述
• 2.3.3 面向艺术效果的仿真研究
• 2.3.4 基于物理建模的宣纸仿真研究
• 2.3.5 水墨运移模型的研究
• 2.3.6 毛笔模型的研究
• 2.3.7 3D水墨渲染和动画的研究
• 2.4 本文研究工作所涉及的相关技术
• 2.4.1 纹理合成技术
• 2.4.2 非真实感渲染
• 2.4.3 3D建模技术
• 2.5 本项目组前期的工作成果
• 第三章 有效厚度宣纸模型的研究
• 3.1 宣纸对水墨画的重要作用
• 3.2 宣纸的结构及其描述
• 3.2.1 宣纸的结构
• 3.2.2 宣纸结构的描述
• 3.2.3 宣纸的有效厚度对水墨运移的影响
• 3.3 宣纸模型
• 3.3.1 纸及纸元的静态属性
• 3.3.2 纸的静态属性
• 3.3.3 宣纸模型
• 3.4 宣纸的构建
• 3.4.1 随机数法生成宣纸
• 3.4.2 改进的宣纸构建算法
• 3.5 宣纸仿真结果的进一步处理
• 3.5.1 旋转与叠加
• 3.5.2 局部调整
• 3.5.3 保存与调用
• 3.6 宣纸仿真结果分析与比较
• 第四章 水墨渗流理论的研究
• 4.1 渗流理论引入的基础
• 4.1.1 流体力学的基本概念
• 4.1.2 渗流力学的基本概念
• 4.1.3 宣纸模型与多孔介质
• 4.2 基于渗流力学的水运动模型
• 4.2.1 纸水的数量与能态
• 4.2.2 纸水势
• 4.2.3 纸元水吸力
• 4.2.4 Darcy定律及其适用范围
• 4.2.5 非饱和水流动的Darcy定律
• 4.2.6 质量守恒与基本方程
• 4.2.7 以含水率θ为因变量的基本方程
• 4.2.8 纸平面上的以含水率θ为因变量的基本方程
• 4.2.9 水在纸平面上渗化的分析
• 4.2.10 有限差分法求解纸平面的水运动方程
• 4.3 基于渗流力学的墨运动模型
• 4.3.1 溶质墨的对流运动
• 4.3.2 溶质墨的分子扩散
• 4.3.3 溶质墨的运动方程
• 4.3.4 溶质墨运动与水分运动的关系
• 4.3.5 溶质墨运动方程的求解
• 4.3.6 溶质墨浓度的变化和笔迹轮廓渗化效果
• 第五章 基于渗流理论的水墨运动仿真及分析
• 5.1 基于有效厚度宣纸模型和水墨渗流理论的水墨运动仿真
• 5.1.1 纸元的动态属性
• 5.1.2 有限差分法求解水墨运动方程
• 5.1.3 仿真流程
• 5.2 仿真数据分析
• 5.2.1 经验参数的选取
• 5.2.2 α的选取与水墨渗化效果本质分析
• 5.3 仿真结果
• 5.3.1 宣纸属性变化对水墨渗化效果的影响
• 5.3.2 饱和渗流率变化对水墨渗化效果的影响
• 5.3.3 多笔次叠加的仿真实现
• 5.3.4 仿真作品
• 5.4 结论
• 第六章 毛笔模型及其水墨传导机制研究
• 6.1 毛笔建模分析
• 6.1.1 毛笔建模的指导思想
• 6.1.2 毛笔的静态属性
• 6.1.3 毛笔受力变形规律分析
• 6.1.4 曲线对比分析
• 6.2 毛笔的指数曲线模型
• 6.2.1 笔的初始状态
• 6.2.2 沿运笔方向受力的状态
• 6.2.3 垂直于运笔方向受力的状态
• 6.2.4 受力方向在模拟毛笔行为时的物理意义
• 6.3 通过指数曲线模型获得笔迹的轮廓
• 6.3.1 笔头与xy平面接触部分的界定
• 6.3.2 接触面笔尖轮廓的获得
• 6.3.3 接触面尾部轮廓的获得
• 6.3.4 接触面轮廓
• 6.3.5 一般情况下接触面轮廓的获得
• 6.3.6 笔迹轮廓的获得
• 6.4 笔与纸平面之间的水墨传输机制的研究
• 6.4.1 笔头的水能量模型
• 6.4.2 笔头的水运动方程
• 6.4.3 有限差分法求解笔的水运动方程
• 6.4.4 笔与纸之间的水墨交换
• 6.5 绘制效果
• 第七章 基于作品特征的3D水墨仿真研究
• 7.1 水墨艺术作品的特征分析
• 7.1.1 水墨作品的形式化特征
• 7.1.2 组件分割
• 7.1.3 分割技术的比较和分析
• 7.1.4 K-mean聚类分割的实现
• 7.2 水墨艺术作品的特征提取
• 7.2.1 轮廓特征提取
• 7.2.2 骨架特征提取
• 7.2.3 国画色特征提取
• 7.2.4 笔法特征提取
• 7.2.5 纹理线条特征提取
• 7.3 基于特征的组件3D建模和形态控制
• 7.3.1 组件3D模型的建立
• 7.3.2 3D组件模型的融合
• 7.3.3 模型的形态控制
• 7.3.4 基于特征的3D水墨渲染
• 7.3.5 系统效果图
• 第八章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.1.1 宣纸模型
• 8.1.2 水墨渗流运动模型
• 8.1.3 毛笔指数模型
• 8.1.4 笔与纸之间的水墨传输模型
• 8.1.5 基于水墨作品特征的3D模型生成研究
• 8.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢