一种艺术风格化图像处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及图像处理技术领域，具体地，设及一种艺术风格化图像处理方法。
【背景技术】
[0002] 非真实感绘制指的是利用计算机生成不具有照片般真实感，而是具有手绘风格的 图形的技术。其目标不在于图形的真实性，而主要在于表现图形的艺术特质、模拟艺术作品 (甚至包括作品中的缺陷)或作为真实感图形的有效补充。非真实感绘制主要模拟画种有油 画、水彩画、钢笔画、铅笔画、水墨画和卡通动画。采用运种基于计算机模拟绘制的手段，可 W极大减少人工的参与，降低绘制成本，提高艺术风格作品的普及程度。
[0003] 目前非真实感绘制的主要技术是基于真实图像的艺术风格转化，从而使结果看起 来类似于艺术家的手绘效果。由于油画在绘画领域中的重要地位，多种真实图像转换为油 画艺术风格的方法被提出来，其中的大多数方法均适用于采用油彩颜料为原料的绘画种 类，如水粉、水彩、丙締画等。目前油画艺术风格的模拟多为基于笔触方法的模拟，在笔触建 模方面，主要考虑的是笔触长度、宽度、位置、角度、笔触颜色等基本信息，运些参数最早由 化eberli提出，个别算法又添加了笔触高度信息;在笔触绘制顺序方面，主要采用的有高斯 金字塔分层、用户交互式分层W及根据笔触面积决定绘制优先级等方法;在笔触生成方面， 现在主要的方法均为基于笔触纹理的图像变形（Image Wa巧ing)算法。基于笔触模拟方法 的核屯、问题在于笔触的摆放位置，根据笔触摆放位置参考依据的不同可W将现有笔触类算 法分为两类:基于图像梯度方向场的艺术风格化算法和基于图像矩的艺术风格化算法。
[0004] 1.基于图像梯度方向场的笔触类艺术风格化算法总结
[0005] Litwinowi CZ提出了一种印象主义风格的图像处理方法;Hertzmann提出了 一种由 粗到精的图像多层高斯模糊叠加方法，每层应用不同的高斯核半径和不同的笔触半径，较 小笔触半径生成的图片叠加到较大半径的图片上，从而模拟油画的层层绘制效果，在笔触 模拟方面，Hertzmann根据图像梯度方向场和样条线技术实现了图像绘制的弯曲笔触模拟； 另外，Hertzmann还提出了基于图像高度图的光照模型擅染方法，来模拟油画的凹凸纹理效 果;本课题组成员朱松纯等在化dzmann研究成果的基础上，提出了基于图像内容理解的 油画模拟方法，通过人工交互，标注图像不同区域内容，例如天空、山石、布料等，并根据图 像内容采用不同的纹理笔刷，该方法借鉴了徐迎庆在山水画模拟中的基于纹理的笔刷生成 算法，并结合了化dzmann的光照擅染模拟油画凹凸效果的方法，在人工交互模拟油画绘制 方面取得了极大的进步，但是自动绘制部分增加了像素分布密度、像素聚合程度、笔触排列 规律性、笔刷粗细、笔触尺寸对比度、笔触颜色对比化SV=通道分别对比）等8个参数，对于 不同输入图像其参数调节过于复杂，输出结果往往与预期不符，灵活性不够;黄华等基本沿 用了化Kzmann的算法，但是对每个高斯模糊层使用单一笔触尺寸等方法做了改进，其根据 图像画面的疏密特征在每个图层上进行了图像分块，每块采用不同的笔触大小，从而使笔 触大小更为随机，此外黄华对于光照模型也做了一定改进。
[0006] 综上，基于图像梯度方向场的笔触模拟算法一般采用了图像分层、笔触模拟、高度 图擅染=个步骤：
[0007] 1.图像分层
[000引主要采用的有高斯金字塔分层和基于Grab化t的交互分层两种方法。
[0009] 高斯金字塔分层方法为，由原始图像与不同卷积尺度高斯核做卷积产生一系列高 斯金字塔参考图像，作为绘制油画过程中进行多层绘制的各层参考，其中高斯核卷积尺度 与油画笔划半径大小成正比，典型的油画笔划半径大小依次为8、4、2个像素距离，图1为不 同半径的高斯分层结果。（al)、（a2)、（a3)为高斯模糊参考层，（bl)、（b2)、（b3)为笔触绘制 层。
[0010] 图1为高斯分层结果。左侧为高斯模糊后的参考图像，对于参考图像求梯度方向来 得到笔触位置等信息，进而可进行笔触的绘制，笔触半径(高斯核半径)从上到下依次为8， 4,2。
[0011] 另一种常见的分层方法为基于GrabCut的交互分层。GraphCut是一种十分有用和 流行的能量优化算法，在计算机视觉领域普遍应用于前背景分割（Image Segmen化tion)、 立体视觉（stereo vision)、枢图（Image matting)等，GrabCut是对其的改进版，是迭代的 GraphCut。该算法通过用户的简单标注，就可从陕速实现目标图像的分割，可W将一张图像 拆分为背景层、人物层、树木层等，图2为Grab化t交互分层结果。
[0012] 2.笔触模型参数确定
[0013] 笔触模型的核屯、参数为笔触宽度、笔触长度、笔触位置、笔触纹理和笔触方向等 参数。在笔触方向上的典型做法是基于图像梯度方向图来获得的。可W把图像看成二维离 散函数，图像梯度其实就是运个二维离散函数的求导。图像梯度计算公式为：
[0014] G(x，y)=dx(i，j)+dy(i，j);
[0015] dx(i，j) = I(i+1，j)-1(i，j);
[0016] dy(i，j) = I(i，j+1)-1(i，j)
[0017] 其中，I是图像像素的值(如:RGB值为像素的坐标。图像梯度一般也可W用 中值差分：
[001 引
[0019]
[0020] W某个像素为起点，沿垂直于该点梯度的方向，可W形成满足约束条件的笔触路 径，而后对于笔触路径进行样条化处理，即可得到弯曲笔触，如图3所示。
[0021] 图3弯曲笔触绘制轨迹的确定。（a)高斯模糊后得到的图像某个像素点；（b)计算该 点的梯度方向，沿垂直于梯度方向添加笔触路径；（C)重复运一过程。
[0022] 图4、图5、图6为已有的弯曲笔触模拟效果。图4为化rzman的弯曲笔触模拟效果： (a)为源图像(b)为模拟图像。图5为弯曲笔触模拟效果(a化itwinowicz(b化ays and Essa (C)黄华。图6为朱松纯、赵明天等的弯曲笔触模拟效果。图7为朱松纯等所制作的单笔笔触 纹理。
[0023] 在笔触大小方面，主要根据像素分布密度来决定，一般像素分布稀疏的区域，笔触 较大，像素分布密集的区域，笔触较小。在笔触纹理方面，目前的主要做法为纹理采样，预先 定义好笔刷库模型，利用样条曲线变化，对预先定义的笔刷进行变形，从而实现油画笔刷效 果模拟。单笔笔触纹理如图7所示。
[0024] 3.高度图擅染
[0025] 由于油画材料的特殊性，人工绘制的油画一般都有一定的笔触厚度，为了模拟运 种效果，可W在现有图像结果上生成图像高度图，而后利用光照计算模型模拟高度信息，典 型的光照模型有化ong模型、Cook-Torrance模型等。
[0026] Phong着色模型是将物体表面的光反射看成是环境光的反射之和与光源直接有关 的漫反射及镜面反射的组合。从数学上讲就是将反射的总能量看做是光环境的强度，点光 源的强度乘W=个不同的系数后相加的和。运=个系数分别是代表物体表面反射环境光、 产生漫反射和产生镜面反射的能力。镜面反射公式为：
[0027]
[002引ks为材质的镜面反射系数，ns是高光指数，V表示从顶点到视点的观察方向，R代表 反射光方向。
[0029] 高光指数反映了物体表面的光泽程度。ns越大，反射光越集中，当偏离反射方向 时，光线衰减的越厉害，只有当视线方向与反射光线方向非常接近时才能看到镜面反射的 高光现象，此时，镜面反射光将会在反射方向附近形成亮且小的光斑;ns越小，表示物体越 粗糖，反射光分散，观察到的光斑区域小，强度弱。将镜面反射与漫反射，环境光一起使用， 就能使得物体更具有真实感。胎rtzmann应用化ong模型的擅染效果如图8所示。图8为应用 Phong光照模型的擅染效果，（a)源图像，（b)高度场，（C)凹凸纹理效果。
[0030] 2.基于图像矩的笔触类艺术风格化算法总结
[0031 ]基于图像矩的艺术风格化算法由Michio Shiraishi首先提出，将图像艺术风格化 模拟分为两个步骤:预处理及笔触组合。在预处理部分，通过颜色差分图的零阶矩、一阶矩 和二阶矩来计算笔触的尺寸和方向，通过计算W某个像素点为中屯、的大小为S的图像子区 域的零阶矩来生成笔触面积图，从而估计笔触分布，并按笔触尺寸大小排序，W决定笔触的 绘制顺序;在笔触组合部分，采用