【正文】 .......................................................................................... 29 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................... 30 致謝 ........................................................................................................................................... 32 3 第一章 緒論 研究 背景 自從計(jì)算機(jī)圖形學(xué)出現(xiàn)開始，真實(shí)感繪制便是人們研究的一部分。而相對應(yīng)的，脫離現(xiàn)實(shí)的非真實(shí)感繪制也越來越受到關(guān)注。 表 1 真實(shí)感與非真實(shí)感繪制的對比 非真實(shí)感繪制是 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的一個(gè)研究熱點(diǎn)， 通過使用計(jì)算機(jī)生成不具有照片的真實(shí)感 ,而是具有手繪風(fēng)格的圖形技術(shù)便是非真實(shí)感繪制研究的內(nèi)容。 它主要模擬畫種有鋼筆畫、水 彩畫等等。隨著技術(shù)不斷的成熟，非真實(shí)感繪制可以運(yùn)用到各個(gè)方面，如基礎(chǔ)的圖像美化、動畫制作、景區(qū)風(fēng)景宣傳、商業(yè)娛樂欣賞等等。 漫畫 一詞是由英文中的 Cartoon音譯而來 。 一般通過歸納 ,夸張 ,變形的手法來塑造各種形象 。 19 世紀(jì)末，美國漫畫開始起步，一些周日報(bào)紙的副刊經(jīng)常登載連環(huán)畫 , 4 其中最早的連環(huán)漫畫 Richard Felton Outcault 的“ The Yellow Kid”（黃衣孩童）于 1896 年2 月 16 日在紐約出版。如今 ,世界各國的漫畫作品在中國青少年消費(fèi)市場中影響越來越大。在我國的漫畫市場消費(fèi)結(jié)構(gòu)調(diào)查中發(fā)現(xiàn) ,歐美和日本的漫畫幾乎占據(jù)了我國絕大部分的市場 ,尤其在青 少年中非常受歡迎 [2]。在非真實(shí)感繪制中的另一種 繪制，水彩化有部分 相似的特點(diǎn)，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，可以利用相關(guān)研究資源借鑒發(fā)揮成為漫畫圖像 ， 是一個(gè)可以考慮發(fā)展的方向。 非真實(shí)感繪制最早 出現(xiàn)在 20 世紀(jì) 80 年代的早期論文中 , 有影響力的如 Strassmann ( 1986 ) 和 Sasada(1987) 發(fā)表的論文。 1994 年 ,隨著幾篇論文在 Siggraph 會議的發(fā)表 (如 Winkenbach and Salesin、 Salisbury)和在 Eurographics 會議的發(fā)表 (如 Strothotte) ,這一領(lǐng)域才逐漸顯現(xiàn)出來。 圖 非真實(shí)感繪制的發(fā)展歷史 上圖顯示出，在發(fā)展初期非真實(shí)感繪制技術(shù)大多在 2D 平面上依靠用戶交互式地實(shí)現(xiàn) ， 并主要集中在簡單的劃線技術(shù)上，上世紀(jì) 90 年代初 ， 產(chǎn)生了一系列交互式的繪畫系統(tǒng) ,如 Haeberli 開發(fā)了一個(gè)交互式 2D 繪制系統(tǒng) [5]， 該系統(tǒng)由用戶輸入一幅原始圖像 ， 5 再通過用戶交互式的操作來改變繪筆的軌跡、顏色和形狀以達(dá)到一定效果 。 作為非真實(shí)感繪制中的一支， 卡通漫畫 的研究時(shí)間較短 ， 較先由 Decaudin 提出了計(jì)算機(jī)自動完成卡通效果的 3D 場景的渲染算法，結(jié)合深度映像中的邊緣檢測得到的輪廓線，卡通著色通過 OpenGL 的 Phong 模型計(jì)算光照強(qiáng)度以及借助陰影圖 (Shadow Map)技術(shù)取到的陰影處理渲染對象的色調(diào)部分以獲得最終的效果 [6]。 在之后的 研究發(fā)展中， Holger Winnem168。 在商業(yè)影視方面， 去年飽受爭議的《惡之華》采用的技術(shù)亦算是非真實(shí)感繪制的一種： 轉(zhuǎn)描機(jī)技術(shù) [9]。這種技術(shù)最早是把預(yù)先拍好的電影投放到毛玻璃上，然后動畫家將其描繪下來 ，意為將真實(shí)圖像轉(zhuǎn)換為動畫圖像 。 1915 年， Max Fleischer發(fā)明了“轉(zhuǎn) 描機(jī)” ( Rotoscope)，它可將真人電影中的動作，一五一十地轉(zhuǎn)描在賽璐璐片或紙上。 到 20xx 年后， 理查德 雖然大眾對《惡之華》的反響十分差，但同樣也有人稱贊 其敢于創(chuàng)新，將這樣的技術(shù)活用于現(xiàn)在動畫 。 隨著時(shí)代的發(fā)展，這方面技術(shù)越加進(jìn)步完善， Curtis 在Small 工作的基礎(chǔ)上提出了一個(gè)經(jīng)典的水彩畫建模系統(tǒng) [12]， 可以取得接近于真正水彩畫 6 的效果 ， 但它通常以較大的計(jì)算量為代價(jià)。 要實(shí)現(xiàn)漫畫效果便要發(fā)現(xiàn)兩者間的不同，漫畫效果 對象一般為人，人的細(xì)節(jié)特征與風(fēng) 景并非相差無幾，正確發(fā)現(xiàn)不同并找出對應(yīng)解決辦法才能成功實(shí)現(xiàn)具備漫畫效果的圖像 。非真實(shí)感繪制技術(shù)給藝術(shù)家提供了藝術(shù)創(chuàng)作的工具 ,允許藝術(shù)家們在繪畫過程中根據(jù)需求， 強(qiáng)調(diào)某些細(xì)節(jié)的同時(shí)忽略其它細(xì)節(jié)。借助非真實(shí)感繪制技術(shù) ， 藝術(shù)家們可以 更 加方便地完成 藝術(shù)作品。圖像是最簡單的傳送信息的方式 ， 相比文字它有著許多優(yōu)越性。 (3) 工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。這時(shí)就可以使用 NPR 技術(shù)來強(qiáng)調(diào)突出主要信息 ， 忽略次要信息。非真實(shí)感繪制技術(shù) 同樣可以廣泛應(yīng)用于動畫、游戲、電影等娛樂產(chǎn)業(yè)。 在非真實(shí)感繪制發(fā)展完善的條件下， 漫畫也有很大的市場需求?，F(xiàn)在市面上有 Microsoft Cartoon Maker 和 toonpaint 等軟件實(shí)現(xiàn)照片的卡通 漫畫化，說明可行性的情況下，學(xué)術(shù)性的實(shí)現(xiàn)圖像漫畫效果 這一方法，對相關(guān)知識進(jìn)行學(xué)習(xí)填補(bǔ)。一般運(yùn) 用變形、比擬、象征、暗示、影射的方法，構(gòu)成幽默詼諧的畫面或畫面組，以取得諷刺或歌頌的效果。常采用夸張、比喻、象征等手法，諷刺、批評或歌頌?zāi)承┤撕褪拢哂休^強(qiáng)的社會性。漫畫藝術(shù)的審美價(jià)值主要表現(xiàn)在思維美學(xué)形態(tài)和視覺美學(xué)形態(tài)兩個(gè)方面，二者之間是不可分割的，他們相互依存，相互聯(lián)系，構(gòu)成了漫畫藝術(shù)美的基本形態(tài)。漫畫通過夸張變形，詼諧幽默和荒誕不經(jīng)等手段，表 達(dá)事物的精神實(shí)質(zhì)，并向人們傳遞文學(xué)和哲學(xué)理念。 視覺美學(xué)形態(tài) ， 眾所周知，漫畫又是視覺藝術(shù)，它囊括了一切繪畫表現(xiàn)手段，通過對漫畫作品的描繪，對漫畫主題起到了渲染和烘托作用，使漫畫主題思想深化。因此，我們有必要對豐富多彩的繪畫表現(xiàn)形式進(jìn)行理性和科學(xué)劃分，便于對漫畫的表現(xiàn)手段有個(gè)清楚地認(rèn)識，并了解和掌握視覺美學(xué)形態(tài)。 在這次實(shí)驗(yàn)中，我們暫且更關(guān)注視覺美學(xué)形態(tài)方面，在了解漫畫的基礎(chǔ)之上，將普通圖像修改增加特征，賦予它漫畫獨(dú)具的美學(xué)形態(tài)。漫畫 圖像的特點(diǎn)可以歸類為四個(gè)： 1，變形夸張，這是卡通 漫畫 藝術(shù)的最大特點(diǎn)，通過這一點(diǎn)與現(xiàn)實(shí)圖像區(qū)分； 2，高度的概括，細(xì)節(jié)的減少強(qiáng)調(diào)出特殊部分，更加具有視覺吸引力； 3， 顏色 的泛用，圖像顏色較為鮮明，同一大區(qū) 域中，基本以一個(gè)顏色為主，沒有細(xì)小的色塊； 4，邊緣的強(qiáng)化，現(xiàn)實(shí)圖像很多會因?yàn)楣獾脑蜻吘壊磺逦?，而么漫畫因?yàn)槭抢L制而來，所以邊緣的保存能達(dá)到最好的效果。這些特點(diǎn)的添加便是我們所需完成的，輸入圖像時(shí)一般默認(rèn)為 Integer，為了保證進(jìn)行處理時(shí)的精確，要強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為 Double 類 8 型， 制定流程圖如下： 輸入圖像 雙邊濾波 噪點(diǎn)處理 顏色量化 色彩 處理 邊緣檢測 增強(qiáng)邊緣 輸出圖像 圖 實(shí)現(xiàn)圖像漫畫效果流程圖 9 第三章 雙邊濾波 工具介紹 簡介 論文圍繞中心 Matlab 軟件，通 過其實(shí)現(xiàn)目的。但在之后的幾年，它逐漸發(fā)展為一種極其方便靈巧的計(jì)算體系，用于 解決各種重要的技術(shù)問題。 EISPACK 是特征值求解 FOETRAN 的程序庫， LINPACK 是解線性方程的程序庫。直到 70 年代后期 ,美國 New Mexico 大 學(xué)計(jì)算機(jī)系系主任的 Cleve Moler,，在給學(xué)生講授線性代數(shù)課程時(shí)，想教學(xué)生使用 EISPACK 和 LINPACK 程序庫，但他發(fā)現(xiàn)學(xué)生用 FORTRAN 編寫接口程序很費(fèi)時(shí)間，于是他開始自己動手，為學(xué)生編寫 EISPACK 和 LINPACK 的接口程序。在以后的數(shù)年發(fā)展里，MATLAB 在眾多大學(xué)里作為教學(xué)輔助軟件使用， MATLAB 到今天已經(jīng)歷 了近 30 年的發(fā)展過程。一方面， MATLAB 可以方便實(shí)現(xiàn)數(shù)值分析、優(yōu)化分析、數(shù)據(jù)處 理、自動控制、信號處理等領(lǐng)域的數(shù)學(xué)計(jì)算，另一方面，也可以快捷實(shí)現(xiàn)計(jì)算可 視化、圖形繪制、場景創(chuàng)建和渲染、圖像處理、虛擬現(xiàn)實(shí)和地圖制作等分析處理工作。主要包括： 1. 易用性 MATLAB 是種解釋型語言，就像各種版本的 BASIC。在 MATLAB 集成開發(fā)環(huán)境下，程序可以方便的編寫，修改和調(diào)試。許多的編程工具使得 MATLAB 十分簡單易用。 10 2. 平臺獨(dú)立性 MATLAB 支持許多的操作系統(tǒng)，提供了大量的平臺獨(dú)立的措施。在一個(gè)平 臺上編寫的程序，在其它平臺上一樣可以正常運(yùn)行，在一個(gè)平臺上編寫的數(shù)據(jù)文件在其它平臺上一樣可以編譯。 3. 預(yù)定義函數(shù) MATLAB 帶有一個(gè)極大的預(yù)定義函數(shù)庫，它提供了許多已測試和打包過的 基本工程問題的函數(shù)。 在許多的語言中，你需要寫出你所編數(shù)組的下標(biāo)和執(zhí)行 計(jì)算所需要的函數(shù)，這些函數(shù)包括其數(shù)學(xué)意義，中值，標(biāo)準(zhǔn)誤差等。 除了植入 MATLAB 基本語言中的大量函數(shù)，還有許多專用工具箱，以幫助用戶解決在具體領(lǐng)域的復(fù)雜問題。 4. 機(jī)制獨(dú)立的畫圖 與其他語言不同， MATLAB 有許多的畫圖和圖象處理命令。此功能使得 MATLAB 成為一個(gè)形象化技術(shù)數(shù)據(jù)的卓越工具。利用 MATLAB 的這種功能，程序員可以設(shè)計(jì)出相對于無經(jīng)驗(yàn)的用戶可以操作的復(fù)雜 的數(shù)據(jù)分析程序。 Matlab 程序執(zhí)行 matlab 語言，并提供了 一個(gè)極其龐大的預(yù)定義函數(shù)庫，高效的數(shù)值計(jì)算及符號計(jì)算功能，能使我們從繁重復(fù)雜 的數(shù)學(xué)運(yùn)算分析中解脫出來；完備的圖形處理功能，實(shí)現(xiàn)了 計(jì)算 編程 和結(jié)果 的可視化；功能豐富的應(yīng)用工具箱，提供了大量方便實(shí)用的處理工具； 簡單 的界面及接近數(shù)學(xué)表達(dá)式的自然化語言，便于 我們 學(xué)習(xí)和掌握。 濾波 器 簡介 及選擇 圖像濾波，即在盡量保留圖像細(xì)節(jié)特征的條件下對目標(biāo)圖像的噪聲進(jìn)行抑制，是圖像預(yù)處理中不可缺少的操作，其處理效果的好壞將直接影響到后續(xù)圖像處理和分析的有效性和可靠性。 高斯濾波是一種線性平滑濾波，適用于濾除高斯白噪聲，已廣泛應(yīng)用于圖像處理的預(yù)處理階段。 11 均值濾波也稱為線性濾波，其采用的主要方法為鄰域平均法。這樣的方法可以平滑圖像，速度快，算法簡單。 中值濾波法是一種非線性平滑技術(shù)，它將每一像素點(diǎn)的灰度值設(shè)置為該點(diǎn)某鄰域窗口內(nèi)的所有像素點(diǎn)灰度值的中值。 雙邊濾波器（英語： Bilateral Filter）是使圖像平滑化的非線性濾波器，與傳統(tǒng)的圖像平滑化算法不同 ，雙邊濾波器除了使用像素之間幾何上的靠近程度之外，還多考慮了像素之間的光度 、 色彩 的 差異， 使雙邊濾波器能夠有效的將圖像上的噪聲去除，同時(shí)保存圖像上的邊緣訊息 。 為此，選擇雙邊濾波器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 雙 12 邊濾波方法 (Bilateral filtering)是基于 Gsuss 濾波方法提出的，主要是針對 Gauss 濾波中將Gauss 權(quán)系數(shù)直接與圖像信息 作卷積運(yùn)算進(jìn)行圖像濾波的原理，將濾波權(quán)系數(shù)優(yōu)化成Gauss 函數(shù)和圖像亮度信息的乘積，優(yōu)化后的權(quán)系數(shù)再與圖像信息作卷積運(yùn)算，這樣就能在濾波的同時(shí)考慮到圖像信息中的圖像邊緣信息，使圖像在正常 Gauss 濾波后很模糊的邊緣信息得以保持清晰，并且圖像邊緣更加平滑。 雙邊濾波與高斯濾波器相比，對于圖像的邊緣信息能過更好的保存。 零均值加性高斯噪聲圖像模型： (1) 式中 ， f 表示無噪聲圖像 ， n 是服從零均值高斯分布的噪聲 ， g 是噪聲圖像 ； g ( x, y )表示圖像 g 在位置 (x,y)上的像素值。雙邊濾波器采用局部加權(quán)平均的方法獲取復(fù)原圖像的像素值 : (2) 公式中， Ss,y 表示中心點(diǎn)（ x,y）的（ 2N+1） *（ 2N+1）大小的領(lǐng)域。對該鄰域內(nèi)的每一個(gè)像素點(diǎn) g(i,j)由兩部分因子的成績組成 ， 分別是下面的空間距離和灰度距離?？臻g域 的 高斯函數(shù)其數(shù)學(xué)形式為： (3) 其中（ xi,yi）為當(dāng)前點(diǎn) 的 位置，（ xc,yc）為中心點(diǎn)的位置， sigma 是 空間域標(biāo)準(zhǔn)差。值域高斯函數(shù)其數(shù)學(xué)形式為： (4) 其中 gray(xi,yi)為當(dāng)前點(diǎn)灰度值， gray(xc,yc)為中心點(diǎn)灰度值， sigma 為值域標(biāo)準(zhǔn)差。此權(quán)重大小，則由值域高斯函數(shù) 來 確定。因?yàn)殡p邊濾波需要每個(gè)中心點(diǎn)鄰域的灰度信息以確定其系數(shù)，所以它的 速度與比一般的濾波慢 很多，并且 計(jì)算量增長速度為核大小的平方。 而對值域 sigma 來說 ， Sigma 越大，邊緣越模糊，極限情況為 simga 無窮大，值域系數(shù)近似相等（忽略常數(shù)時(shí)，將近為 exp（ 0） = 1），與高斯模板（空間域模板）相乘后可認(rèn)為等效于高斯濾波。 實(shí)現(xiàn)雙邊濾波 選擇使用的雙邊濾波器 [16]， 由于要確保圖像細(xì)節(jié)的完整， sigma 的值不可以過大導(dǎo)致模糊失真，所以選擇 sigma 小值，通過一次濾波后觀察是否需要繼續(xù)進(jìn)行下一次。39。 %改變圖像精度才能進(jìn)行后續(xù)操作 I=im2double(I)。 sigma = [x y]。 I2=bfilter2(I1,w,sigma)。 I4=bfilter2(I3,w,