基于边缘正切流的模拟铅笔素描画方法技术

本发明专利技术涉及一种基于边缘正切流的模拟铅笔素描画方法。该方法的步骤如下：(1)对原始图像进行预处理，采用双边滤波器对图像噪声进行平滑，同时保留图像的边缘信息；然后将彩色图像变为灰度图，从而生成白噪声图。(2)构建结构矢量场，用33Sobel梯度算子对灰度图像在水平和垂直方向上的像素进行卷积生成梯度场，在梯度场基础上进行边缘正切流的处理，使笔画方向符合物体特征；对于亮度变化不明显的区域，设定阈值提取，将笔画方向设定为45°±5°，去除漩涡流。(3)对白噪声图和结构矢量场进行线积分卷积处理，生成铅笔纹理图层。(4)构建背景纹理图层，在结构矢量场的基础上，将笔画方向逆时针旋转90°，采用线积分卷积算法生成背景纹理图层，最后与铅笔纹理图层叠加，调节明暗关系生成铅笔素描画。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及一种。该方法的步骤如下：(1)对原始图像进行预处理，采用双边滤波器对图像噪声进行平滑，同时保留图像的边缘信息；然后将彩色图像变为灰度图，从而生成白噪声图。(2)构建结构矢量场，用33Sobel梯度算子对灰度图像在水平和垂直方向上的像素进行卷积生成梯度场，在梯度场基础上进行边缘正切流的处理，使笔画方向符合物体特征；对于亮度变化不明显的区域，设定阈值提取，将笔画方向设定为45°±5°，去除漩涡流。(3)对白噪声图和结构矢量场进行线积分卷积处理，生成铅笔纹理图层。(4)构建背景纹理图层，在结构矢量场的基础上，将笔画方向逆时针旋转90°，采用线积分卷积算法生成背景纹理图层，最后与铅笔纹理图层叠加，调节明暗关系生成铅笔素描画。【专利说明】
本专利技术涉及一种，属于非真实感图形学领域。技术背景在计算机图形学中，非真实感图形学已经成为越来越重要的研究领域。非真实感绘制是指通过计算机生成不具有照片般真实感，而具有手绘风格的图形的技术。该技术虽不能描绘出像照片一样真实的场景，但更注重表现画面的艺术特质、模拟绘画风格、艺术感觉等。近几年来，在非真实感图形学该领域中已经进行了大量的研究，在各种艺术风格上都进行了尝试，充分体现了其发展空间和人们对艺术的渴望。作为非真实绘制技术其中的一个分支，铅笔素描画绘制技术也是研究的重点之一。铅笔素描的基本造型手法是用线条、明暗来表现物体的形体、结构和空间。在计算机模拟绘制时，笔画方向的确定是十分关键的。为了表现物体本身所有的特征，提升画面的立体感和明暗对比关系，本专利技术采用边缘正切流(Edge Tangent Flow, ETF)的方法确定笔画的方向，根据图像自身特征信息自动地绘制铅笔素描纹理。边缘正切流是一种基于核的非线性向量平滑方法，使梯度较小的向量受控于相邻梯度较大的向量，从而使向量保持平滑及其特征。对于亮度变化不明显的区域，设定阈值提取，并把该区域的笔画方向设置为45° ±5°。对白噪声图和结构矢量场进行线积分卷积处理，并生成铅笔纹理图层。然后在结构矢量场的基础上，将笔画方向逆时针旋转90°，利用线积分卷积处理生成背景纹理图层。最后将两图层叠加，生成铅笔素描画。、Huang在“A feature-based pencil drawing method，，(in Proceedings of the1st international conference on Computer graphics and interactive techniques inAustralasia and South East Asia，2003) —文中提出了一种基于特征区域的铅笔幽绘制方法，对原始图像进行图像分割，并对分割出的区域进行几何特征的计算，以此确定最终的笔画方向。Yamamoto、Mao 和 Imamiya 在 “Enhanced LIC Pencil Filter”(in Proceedingsof the International Conference on Computer Graphics, Imaging and Visualization,2004) 一文中提出了一种改进的铅笔画生成方法。避免采用图像分割，根据原始图像灰度值的范围将图像分成黑、灰和白三种图层，利用线积分卷积算法对三层分别生成铅笔纹理，最终置加在一起生成铅笔幽。Yang, Kwon 和 Min 在 “A Texture-Based Approach for Hatching Colorphotographs”(ISVC 2010，Part I, LNCS 6453，pp.86 - 95，2010) —文中提出基于纹理的彩色铅笔画生成方法，釆用Delaunay triangulation方法根据原始图像的结构生成三角形网格，以三角形网格的每一个节点确定笔画的方向。Yang, Kwon 和 Min 在“A Stylized Approach for Pencil Drawing fromPhotographs，，(in Proceeding of Eurographics Symposium on Rendering 2012)—文中提出一种铅笔画的风格绘制方法，采用特征笔画流、物体笔画流和背景笔画流来分别控制笔画的方向。但是当遇到复杂背景的时候，不能自动识别背景与前景，则需要人工交互来完成。根据型号的不同，铅笔可分为软性铅笔和硬性铅笔两种类型。以HB作为界限，H-6H为硬性铅笔，6H最硬，一般于设计专业、制作图纸方面使用。HB-6B是向软性铅笔和颜色更深的方向变化的，颜色更深的有6B、7B铅笔。硬性铅笔画出的线条硬挺、清晰，而软性铅笔画出的线条沉稳、厚重。通过观察铅笔素描作品，发现无论硬性铅笔或是软性铅笔与纸张摩擦后，留下的纹理都具有明显的颗粒效果。根据这一特性，本专利技术采用线积分卷积算法生成铅笔的纹理，模仿笔芯与纸张交互后产生的摩擦效果。对于铅笔素描模拟技术的研究是一种推动人工智能发展的一个重要研究领域。对铅笔素描生成方法进行研究，并不是要代替手工作画，而是希望能让它可以成为一种工具，供没有绘画基础的人使用。本专利技术设计的铅笔素描画生成方法，流程简便，实现效果更贴近手工绘画的效果。
技术实现思路
本专利技术的目的是在于针对已有技术存在的缺陷提供一种。本专利技术能根据物体的特征信息自动绘制铅笔纹理，并且能很好得模拟笔画交叉的效果，从而使生成的铅笔素描画更具有手绘风格，同时提升画面的立体感和明暗对比关系。本专利技术的目的通过采用以下技术方案来达到: 一种，具体操作步骤如下: (I)原始图像预处理 原始图像预处理主要包括双边滤波处理和白噪声图生成两部分。图像中一些噪声和细节会造成梯度场方向的凌乱，影响笔画方向的计算，所以先要对图像进行平滑。为了有效的去除图像中的微小细节和噪声，本专利技术提出采用双边滤波器对图像进行预处理，模糊边缘内部的图像，并保留清晰的边缘信息。而图像的边缘信息包含有物体的特征，将有助于笔画方向的确定。为了提高画面的明暗层次，本专利技术对灰度图中不同灰度范围的情况分别处理，生成白噪声图，目的是控制噪声点在图像中产生的几率。(2)构建结构矢量场 为了使笔画方向符合物体的特征，本专利技术提出一种基于边缘正切流构建结构矢量场的方法。根据物体自身所固有的特征，在梯度场基础上进行边缘正切流的处理。对于亮度变化不明显的区域，设定阈值提取，把该区域的笔画方向设置为45° ±5°，从而使笔画方向符合物体的特征，提升铅笔画的立体感和明暗关系。(3)生成铅笔纹理图层 对白噪声图和结构矢量场进行线积分卷积处理，生成铅笔纹理图层。(4)生成铅笔素描画 在结构矢量场的基础上，将笔画方向逆时针旋转90°，采用线积分卷积算法生成背景纹理图层。最后将背景纹理图层与铅笔纹理图层叠加，调节明暗关系生成铅笔素描画。本专利技术与已有技术相比具有如下特点: (I)本专利技术提供的实现算法流程清晰，实现效果好。(2)图像预处理采用双边滤波器，模糊物体微小细节和噪声，并保留了物体的边缘信息，为实现高效的笔画方向确定提供了保证。(3)笔画方向的确定采用边缘正切流算法，使笔画方向更能符合物体的特征，增强物体的立体感和明暗对比关系。(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于边缘正切流的模拟铅笔素描画方法，具体操作步骤如下：对原始图像进行预处理：分为双边滤波处理和生成白噪声图；构建结构矢量场：在梯度场的基础上进行边缘正切流的计算，对亮度变    化不明显的区域进行提取，将此区域的笔画方向设定为45°±5°，去除漩涡流；生成铅笔纹理图层：对白噪声图和结构矢量场进行线积分卷积运算，生成铅笔纹理图层；生成铅笔素描画：在结构矢量场的基础上，将笔画方向逆时针旋转90°，采用线积分卷积算法生成背景纹理图层；将该图层与铅笔纹理图层进行叠加，调节明暗关系生成铅笔素描画。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：莫晓斐，丁友东，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海;31