Компьютерная Графика и Мультимедиа Сетевой журнал

В последние годы бурно развивалось новое направление компьютерной графики, получившее название нефотореалистичной визуализации - методы имитации традиционных живописных стилей и средств. Их основной целью является совмещение красоты и эмоциональности художественных произведений со скоростью и гибкостью компьютерной графики.

Содержание

1. Введение
1. Мотивация и области применения NPR
2. Краткая классификация методов NPR
3. Акварель - преимущества и способы моделирования
2. Акварель
1. Свойства и материалы
2. Подробнее об эффектах акварели
3. Обзор методов имитации акварели
3. Литература

Введение

Создание новых технологий влечет за собой появление новых видов общения и форм искусства. Кинематограф и мультипликация берут свои корни из живописи, фотографии и театра - однако со временем порождают свой собственный уникальный язык. На рубеже веков появилось множество подходов к созданию изображений, но только некоторые из них с успехом применяются для движущихся изображений, любое полнометражное кино - это живая съемка, анимация или компьютерная графика.

С момента появления компьютерной графики упор делался на создание фотореалистичных изображений. Методы создания таких изображений очень сложны и в результате получается изображение, которое выглядит неестественно, хотя детали прорисованы очень точно.

В чем отличие фотографии от картины художника? Художник, когда пишет картину, стремится передать сущность объекта, свое видение. Не вырисовывая детали, он позволяет зрителю завершить картину, разделить с ним творческий процесс. Возможности его воистину огромны: художник может привлечь внимание зрителя к основному объекту за счет упрощения неважных деталей, усилить световой эффект для создания широкого спектра цветов, который создаст богатство и драму в интересующем объекте, передать характер поверхности с помощью различных мазков кисти, подчеркнуть края там, где это нужно, и сделать их почти невидимыми там, где не нужно. Поверхности, где оттенки плавно переходят один в другой, предполагают мягкость или гладкость, иначе - более сильное освещение или текстуру.

Используя мазки кисти разного размера, текстуры и направления, художник не только определяет форму, но наделяет картину особой энергией и ритмом. Невозможно представить картины Ван Гога без энергии мазков его кисти. В рисунках и картинах от руки есть энергия, настроение, которое отсутствует в фотореалистичных изображениях, созданных компьютером.

Это повлекло за собой развитие нового направления в компьютерной графики, которое получило название нефотореалистичной визуализации (Non-Photorealistic Rendering - NPR). В широком смысле нефотореалистичной визуализацией называют любые методы, не связанные с физическим моделированием объектов на изображении. В узком смысле NPR включает в себя лишь методы имитации традиционных живописных стилей и средств.

Мотивация и области применения NPR

Основная задача NPR - совместить красоту и эмоциональность художественных произведений со скоростью и гибкостью компьютерной графики. NPR предоставляет художникам и дизайнерам новые возможности для творчества - они могут использовать преимущества компьютерной графики, при этом не теряя визуальной привлекательности и эмоциональной выразительности живописи. Также NPR позволяет использовать культурные связи и существующие стили - например, можно сделать полнометражный фильм в живописном стиле конкретного художника.

Но это не единственная задача - область применения NPR очень широка. Рассмотрим такие ситуации:

Архитектор показывает клиенту предварительный облик дома, который еще не построен. И чем создавать фотореалистичную иллюстрацию, которая препятствует диалогу с клиентом (у клиента может возникнуть ощущение того, что архитектор завершил дизайн дома независимо от него), лучше использовать простой карандашный рисунок с малым количеством деталей.

В руководства пользователя тоже обычно используются схематичные рисунки для иллюстраций, так как они наглядно отображают необходимые детали. По той же причине в медицинских книгах продолжают использовать рисунки от руки для объяснения анатомического строения (с другой стороны, для иллюстраций симптомов болезни, например, состояния кожи, лучше использовать фотографии). Если необходимо объяснить строение солнечной системы или атома, внутреннюю структуру вулкана, рисунки от руки могут лучше воссоздать трехмерную структуру объекта, выделить существенные детали и отбросить ненужные. Далее, необходимо сказать о столь обширных областях применения NPR, как создание иллюстраций для книг (особенно детских) и анимация. В современной анимации вообще существует множество проблем. Например, хочется создать анимационный фильм в каком-либо художественном стиле. Сымитировать работу, скажем, импрессиониста можно даже в Adobe Photoshop или еще в каком-нибудь графическом редакторе. Результат получится неплохой, но для анимации такой способ не подойдет, так как применять к каждому кадру фильтр из Photoshop, а затем "склеивать" все воедино очень трудно. Нельзя считать выходом из подобной ситуации и использование встроенных фильтров обработки изображения в программах для нелинейного видеомонтажа (например, в Adobe Premiere или Ulead Media Studio Pro). Как бы ни старались программисты, придумывая все новые алгоритмы просчета изображения, все равно анимация выглядит не как ожившая картина художника, а как размытое действо, происходящее за цветным витражом.

Краткая классификация методов NPR

В последние годы область NPR развивалась очень интенсивно, возникло множество методов, которые могут применяться в самых различных областях. Можно выделить два основных критерия классификации методов в области NPR:

1. Тип входных данных
2. Тип моделируемого процесса

По типу входных данных техники NPR делятся на использующие трехмерные модели сцен для визуализации изображения (object-space methods) [10], [15] и работающие непосредственно с двумерными изображениями (image-space methods)[1],[5]. Гибридные методы используют и трехмерные, и двумерные изображения для получения окончательного результата [7].

Большинство методов NPR моделируют традиционные художественные формы:

• живопись
• масляные краски [5]
• акварель [1],[16],[9],[21]
• методы, имитирующие мазки краски различной конфигурации [10], [8]

Примеры:



• рисование
• чернила [2],[18], [20]
• карандаш [17],[19]

Пример:



• гравюра [13],[14]

Пример:

Существует также дополнительная классификация методов моделирования живописных мазков (штрихов):

• Методы на основе текстурных карт (texture-mapped methods)[6],[12] (применение текстурных карт для визуализации многих эффектов штрихов)
• Методы, основанные на физическом моделировании процессов (physically-based approaches) (например, в [1] моделирование физического процесса растекания воды с пигментом по бумаге)
• Методы ввода штрихов (stroke-input interfaces) (на вход вместе с изображением, которое будет подвергаться фильтрации, подается модель штриха, пользователь может менять его толщину, угол, прозрачность и т.д.)

Также можно провести достаточно условное деление на методы:

• непосредственно рисования
• преобразования изображения (рисунка, фотографии) в художественную иллюстрацию

Это деление условно, потому что многие методы могут использоваться для обеих задач.

Акварель - способы моделирования

Существует несколько подходов к реализации эффектов акварели, каждый из которых использует немного различающиеся техники моделирования физических процессов ([1],[16],[21]).

Впервые метод физического моделирования процессов, происходящих при рисовании акварелью был предложен Дэвидом Смоллом в 1990 г. [16]. Смолл использовал клеточные автоматы (расчет всех параметров для каждого пиксела) для моделирования течения воды и рассеивания пигмента. В 1998 в [1] было предложено улучшение данного метода - в нем использовалась более сложная модель бумаги, расширенное представление слоя течения воды с пигментом, более точная визуализация и наложение слоев методом Кубелки-Мунка. Эти улучшения позволили моделировать все вышеописанные эффекты акварели, что значительно приблизило вид созданных на компьютере изображений к реальным акварельным иллюстрациям.

В [1] модель акварели представляет собой упорядоченный набор полупрозрачных слоев, каждый из которых создается отдельно запуском симуляции течения воды (fluid simulation). При визуализации конечного изображения эти слои накладываются друг на друга с помощью модели Кубелки-Мунка.

Основное достоинство данного метода - создание реалистичных изображений, близких к настоящим акварельным иллюстрациям. Недостаток метода - достаточно низкая скорость визуализации, невозможность работы системы рисования акварелью в интерактивном режиме (сначала что-то рисуется, потом запускается симуляция).

Акварель

Свойства и материалы

Кажущаяся простота и легкость, с какой большие художники создают свои произведения в технике акварели, очень обманчива. Акварельная живопись требует от художника мастерства не только во владении кистью, но и в умении подобрать нужные краски, кисти, бумагу.

Основная особенность акварели - прозрачность ее красок. Это единственная живописная техника, которая полностью обходится без белил. Вместо них здесь работает белизна бумаги, которая просвечивает сквозь наложенные на нее краски, а нужный цвет может быть получен как смешением красок на палитре, так и наложением их друг на друга непосредственно на бумаге. Для достижения наивысшей яркости (в бликах, например) просто остаются небольшие участки почти незакрашенной бумаги. Отсюда ясно, что акварель почти не допускает переделок - новым перекрытием красками можно только утемнить, но сделать темное светлым уже нельзя. Серьезный промах здесь полностью не исправишь. Поэтому прежде чем художник положит первый мазок кистью, он должен мысленно представить весь последующий ход своей работы. Белила тут не особенно помогут вследствие совсем иного характера белильной техники, совсем другой фактуры исправленное место будет вырываться из общего строя живописи, впечатление свежести и цельности работы исчезнет. Поэтому, если промах становится заметен на достаточно ранней стадии, то большой кистью или губкой смывают всю работу или какую-то ее часть. Остается лишь бледный, едва заметный красочный след. Дав ему подсохнуть, начинают писать почти заново.

Акварельные краски относятся к группе клеевых красок. Название <акварель> происходит от латинского слова <аква> - вода, т.к. вода является растворителем для этого вида красок. Связующим для этого вида красок являются прозрачные растительные клеи - гуммиарабик и др., легко растворимые водой. Акварельные краски содержат также глицерин, что делает их пластичными, не дает пересыхать, также в них содержится бычья желчь, позволяющая легко разносить краску по бумаге и не скатываться в капли. Для предотвращения появления плесени в них вводится фенол.

Пигменты для акварельных красок берутся те же, что для других красок (например, масляных). Но здесь очень высоки требования к размельчению - разведенные в воде, они должны находиться во взвешенном состоянии, не осаживаясь. Такому размельчению поддаются не все краски, некоторые при растворении дают порошкообразный осадок (например, земляные - сепия, умбра, охра). Эти пигменты обладают большей густотой, плотностью. Еще пигменты различаются способностью прилипания к волокнам бумаги и степенью грануляции, насколько пигмент скапливается в ложбинах неровной бумаги.

Бумага в акварели играет особую роль. Лучшая бумага для этих красок - крупнозернистый ватман, особенно для длительной работы, когда предполагается многократное наложение красок. Практически пригодны все сорта зернистой и плотной чертежной бумаги. Не годятся гладкие, глянцевые сорта - краска будет очень плохо соединяться с их поверхностью.

Чтобы эффективно моделировать акварель, важно изучить не просто физические свойства красок, бумаги и т.д., а характерные эффекты акварели, которые делают ее такой популярной среди художников. Модель является успешной, если в ней можно достигнуть многие из этих эффектов.

Подробнее об эффектах акварели

Акварелью можно работать по-разному. Существуют 2 основные техники рисования: по мокрой бумаге (wet-in-wet), когда художник сначала смачивает бумагу водой и лишь потом наносит краску, что позволяет краске свободно растекаться, и по сухой бумаге (wet-in-dry). С помощью этих техник можно получить ряд стандартных эффектов акварели, применяемых художниками.

• Эффект сухой кисти (dry-brush effect): краска наносится с помощью почти сухой кисти под определенным углом, в результате этого окрашиваются лишь возвышенные участки неровной бумаги, получается мазок с нерегулярными пробелами и рваными краями.
• Затемнение краев (edge darkening): во время рисования по сухой бумаге поверхностное натяжение воды не позволяет мазку краски растекаться. Вместо этого пигмент постепенно перемещается из центра к краям, по мере того, как краска начинает высыхать, и по краям закрашенной области пигмент более насыщенный. Это - один из основных эффектов, характерных именно для акварели в первую очередь.
• Эффект обратного течения воды (intentional backruns): возникает, когда лужа воды течет обратно в окрашенную влажную область, что часто случается, если окрашенный участок сохнет неравномерно, вода несет с собой пигмент, что влечет появление сложных ветвистых форм с темными краями.
• Грануляция и разделение пигментов (granulation and separation of pigments): грануляция пигментов создает подобие зернистой текстуры, которая подчеркивает пики и впадины на бумаге. Грануляция зависит от конкретного пигмента и наиболее велика на очень влажной бумаге. Разделение пигментов происходит из-за расщепления цветов, что бывает, когда более плотные, густые пигменты наносятся раньше, чем менее плотные.
• Свободное растекание пигмента (flow patterns): происходит, если рисовать на влажной бумаге, что позволяет пигменту свободно растекаться, образуя красивые формы с тонкими побегами в направлении течения воды.
• Еще одна очень важная техника рисования акварелью - наложение слоев (color glazing). Это процесс добавления очень тонких, бледных слоев, одного за другим, в результате чего достигается очень чистый, прозрачный, ровный эффект. Каждый слой наносится только после того, как предыдущий слой высох.

Более дорогие акварельные краски обычно обладают низкой растворяемостью, что позволяет не только наносить тонкие равномерные слои, но и использовать любую технику рисования поверх высохшего слоя (включая сухую кисть и рисование по мокрой бумаге) без повреждения нижележащих слоев.

Техника наложения слоев отличается от остальных тем, что тут различные пигменты смешиваются не физически, а оптически. Это приводит к красивому эффекту который часто называют "светящийся" (luminous), "сияющий изнутри". Субъективное впечатление растет от эффекта затемнения краев.

Обзор методов имитации акварели

Моделирование акварели средствами компьютерной графики - одна из интереснейших подзадач NPR. В настоящее время существует несколько подходов к моделированию акварельных красок:

Размытие изображения и затемнение краев

Простейший подход использует размытие изображения и затемнение краев (четких границ на изображении), но этот метод не дает реалистичного результата.

Методы, использующие покрытие изображения последовательностью штрихов

В зависимости от желаемого эффекта можно настраивать множество параметров штрихов - размер, ориентацию, степень прозрачности и т.д. Если проводить анализ фильтруемого изображения, можно использовать дополнительные возможности - ориентация штрихов перпендикулярно градиенту, <незалезание> за края. Такие методы успешно применяются для имитации импрессионизма, однако для акварели это не дает нужного эффекта - изображения получаются не очень естественными. Используются в некоторых коммерческих программах.

Метод визуализации поверхностей с эффектами акварели

Очень любопытный подход, использующий создание освещенной сцены путем наложения нескольких полупрозрачных слоев краски. Каждый слой создается с помощью линейной интегральной свертки шума Перлина (Perlin noise), затем с помощью обратной вычитательной модели освещения (inverted substractive lighting model) вычисляется распределение толщины слоев. [9]

Метод имитации акварели с помощью клеточных автоматов

Этот метод описан в [21]. Рассмотрим его подробнее.

Нижеописанная модель имитирует поведение воды и частиц краски с помощью клеточного автомата.

Клеточный автомат представляет собой набор клеток, заданных регулярной сеткой, каждая клетка находится в каждый момент времени в определенном состоянии. С течением времени состояние каждой клетки меняется в зависимости от ее собственного состояния и состояния соседних клеток. Пожалуй, самый известный пример использования клеточных автоматов - игра Жизнь.

Перенос пигмента и модель диффузии

Чтобы смоделировать перенос пигмента с кисти на бумагу, а также распределение пигмента на бумаге, используется двумерный клеточный автомат на конечной сетке, представляющей поверхность бумаги. Он представляет собой массив клеток, каждая из которых способна содержать определенное количество воды и пигмента (растворенного в воде). Это похоже на лоток для приготовления льда, где краска наливается в один из контейнеров и, если контейнер полон, растекается в соседние.

Итак, мы имеем следующее представление:

• Каждая клетка Pij имеет 2 индекса i и j
• Содержимое клеток описывается двумя переменными Wij и Iij, количеством воды и пигмента соответственно.
• Каждая клетка имеет 4-х соседей
• Функция перехода состояний Sij = (Wij, Iij)
• Sij(t + ∆t) = f (Sij(t), Sk(t) | k натуральное)

Моделирование бумаги

Чтобы смоделировать волокнистую структуру бумаги, добавим условие, что каждая клетка может вмещать ограниченное количество воды и пигмента. Добавим к состоянию каждой клетки 2 дополнительные переменные Bij и Cij - константы, выбранные пропорционально толщине бумаги. Bij описывает высоту "дна" клетки, а Cij - максимальный объем клетки. Волокна бумаги могут моделироваться различными способами. Можно использовать псевдослучайные процессы, или использовать библиотеки предопределенных волокон.

Моделирование кисти

Кисть состоит из отдельных щетинок. На каждой щетинке может помещаться некоторое количество краски, и по мере рисования краска стекает на кончик кисточки, перемещается на бумагу и кисточка сохнет. Дополнительный эффект дает неравномерное распределение краски на щетинках кисти. Необычный, но эффективный способ представления кисти - как второго клеточного автомата, с теми же состояниями Bij и Cij. Во время рисования краска стекает к кончику кисти, что может быть смоделировано изменением высоты дна для каждой клетки таким образом: Bij = Bij + θx. В этом выражении х - расстояние от клетки Pij до кончика кисти, а θ - константа, пропорциональная наклону кисти.

Моделирование процесса рисования

Процесс рисования начинается с переноса частиц воды и краски с кисти на бумагу. Клетки получают определенное количество воды и краски, далее за распределение его по бумаге отвечает функция переноса. Это происходит за 4 шага. Для каждого временного шага:

1. Перенос и диффузия частиц воды. Если клетка Pij полна воды, вода перельется в соседние клетки. В то же время часть воды может перелиться из соседних клеток в Pij.
2. Перенос частиц краски. С краской аналогично.
3. Перенос краски, чтобы сбалансировать концентрацию. После переноса воды и краски в - и из соседних клеток, концентрация краски нарушилась. Изменение концентрации краски зависит коэффициента диффузии краски в воде и концентрации воды в клетках, где происходит балансировка.
4. Испарение воды. На каждом шаге часть воды испаряется, и краска сохнет. Если вся вода испарилась, частицы краски остаются в клетке Pij как сухая краска.

Эти 4 шага описывают локальную функцию переноса клеточного автомата, которая выполняется для каждого временного шага.

Эта модель достаточно сложна и берет в расчет некоторые свойства акварели. В зависимости от конкретной реализации кисти и функции переноса модель может быть более или менее точной, однако в любом случае она имитирует только локальное перетекание воды с пигментом, что является существенным ограничением.

Метод, в основе которого - моделирование физических процессов течения воды и рассеивания пигмента.

Этот метод показал в настоящее время наиболее привлекательный и реалистичный результат. [1], [16]

Несмотря на то что для создания настоящих акварельных картин на компьютере лучше использовать последний подход, именно он показывает в настоящее время наиболее привлекательный и реалистичный результат, а остальные подходы моделируют лишь некоторые эффекты акварели, эти результаты тоже могут быть достаточно интересными.

Литература

1. Cassidy J. Curtis, Sean E. Anderson, Joshua E. Seims, Kurt W. Fleischer, and David H. Salesin. Computer-generated watercolor. Proceedings of SIGGRAPH 97, pages 421-430, August 1997.
2. Gershon Elber. Line Art Illustrations of Parametric and Im-plicit Forms. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 4(1), January - March 1998. ISSN 1077-2626.
3. Adam Finkelstein, Lee Marcosian. Non-photorealistic rendering
4. Aaron Hertzmann. Algorithms for rendering in Artistic styles. Dissertation, 2001
5. Aaron Hertzmann. Painterly rendering with curved brush strokes of multiple sizes. Proceedings of SIGGRAPH 98, pages 453-460, July 1998. ISBN 0-89791-999-8.
6. S.C. Hsu and I.H.H. Lee. Drawing and animation using skeletal strokes. In Proceedings of SIGGRAPH 1994, pp.109-118, July 1994.
7. Allison W. Klein, Wilmot W. Li, Michael M. Kazhdan, Wag-ner T. Correa, Adam Finkelstein, and Thomas A. Funkhouser. Non-photorealistic virtual environments. Proceedings of SIGGRAPH 2000, pages 527-534, July 2000. ISBN 1-58113-208-5.
8. Peter Litwinowicz. Processing Images and Video for an Impressionistic Effect. In. SIGGRAPH 97 Conference Proceedings, August 1997.
9. Eric B. Lum, Kwan-Liu Ma. Non-Photorealistic Rendering using Watercolor Inspired Textures and Illumination. Proc. of Pacific Graphics '01
10. Barbara J. Meier. Painterly rendering for animation. Proceed-ings of SIGGRAPH 96, pages 477-484, August 1996. ISBN0-201-94800-1.
11. Diego Nehab, Luiz Velho. Multiscale Moment-Based Painterly Rendering. SIBGRAPI 2002: 244-251
12. J.D. Northrup, L. Markosian. Artistic silhouettes: a hybrid approach. In Proceedings of NPAR 2000, pp. 31-38, June 2000.
13. Victor Ostromoukhov. Digital facial engraving. Proceedings of SIGGRAPH 99, pages 417-424, August 1999. ISBN 0-20148-560-5.
14. Yachin Pnueli and Alfred M. Bruckstein. Digdurer - a digital engraving system. In The Visual Computer, volume 10, pages 277-292, August 1994.
15. Emil Praun, Hugues Hoppe, Matthew Webb, and Adam Finkelstein. Real-time hatching. Proceedings of SIGGRAPH 2001, pages 579-584, August 2001. ISBN 1-58113-292-1.
16. David Small. Simulating watercolor by modeling diffusion, pigment, and paper fibers. Proceedings of SPIE '91, February 1991.
17. Mario Costa Sousa and John W. Buchanan. Observational models of graphite pencil materials. Computer Graphics Forum, 19(1):27-49, March 2000. ISSN 1067-7055.
18. Sara L. Su, Ying-Qing Xu, Heung-Yeung Shum, Falai Chen. Simulating artistic brushstrokes using interval splines
19. Saeko Takagi, Masayuki Nakajima, and Issei Fujishiro. Volumetric modeling of colored pencil drawing. Pacific Graphics'99, October 1999.
20. Georges Winkenbach and David H. Salesin. Computer-generated pen-and-ink illustration. Proceedings of SIG-GRAPH 94, pages 91-100, July 1994. ISBN 0-89791-667-0.
21. Thomas Strothotte, Stefan Schlechtweg. Non-photorealistic computer graphics: modeling, rendering and animation.
22. А.Щипанов "Художнику любителю" "Советский художник", Москва 1970г.

Дополнительная информация

Ссылка: 

Екатерина Титова, Алексей Игнатенко, Анна Дегтярева. Нефотореалистичная визуализация: методы имитации акварельных красок. Компьютерная графика и мультимедиа. Выпуск №3(1)/2005. http://cgm.computergraphics.ru/content/view/71

Выпуск: 

Выпуск №3(1)/2005