計算機圖像非真實感渲染研究綜述

翟 月

（安徽電子信息職業技術學院，安徽 蚌埠 233000）

計算機圖形處理技術是通過程序算法將平面、空間圖形轉變成計算機顯示的柵格圖形的技術，人類計算機領域和科技領域的發展受到計算機圖形學的重要影響，雖然計算機圖形處理發展時間尚短，但是此技術得到了眾多專家學者的深入研究，為此研發出了眾多的算法用于計算機圖形的處理，比如做出抽象合成物體圖像和具體的有形物體圖像，同時將靜態圖像制作成為動態的圖像，對于信息交流發展意義重大。計算機圖像非真實感渲染技術作為一個新興技術，受到各方面的高度關注，當前能夠實現鉛筆畫、油畫、水彩畫等多種藝術效果的圖像，目前計算機圖像非真實感渲染技術的表現有模仿畫家的創作與采用濾波技術處理圖像，前者需要用戶自己進行交互處理，而后者則是通過不同的平滑和銳化模板對圖像進行濾波處理，進而達到圖像的風格化處理，且在實際工作中應用廣泛，如當前PS技術。

1、計算機圖像的非真實感渲染技術的發展歷史

計算機圖像的非真實感渲染技術自出現到現在一直是國際會議的焦點，并且經過無數專家學者的努力，已取得杰出成果。利用計算機圖像非真實渲染技術不僅能夠繪制藝術作品風格的二維平面圖，還能夠拓展三維立體的非真實圖像，但是真實感和非真實感表現手法是有很大不同的，區別之一就是物體的特征和藝術特質無法通過真實感得以表現，所以非真實感繪制慢慢得到了人們的認可，當前已經成為了計算機領域發展的重要技術點。非真實感技術沒有對術語表達型、美術等進行統一的規范，其主要表現的形式有說明性繪制以及藝術繪制、通過術語明確的表達研究目標。非真實感不同于真實感的對照片的模擬以及真實場景再現，其只是對其進行部分真實感再現，留有一部分作為非正式感的變現，例如普通三維線框圖。

2、計算機圖像處理技術現狀

2.1、 基于圖像處理技術的發展

三維非真實感是針對人們生活現實狀況的最好反映，通過將圖像以空間模型的形式進行表現，之后再加入非真實的夸大風格，進而形成了空間藝術風格形式，

空間藝術風格形式的重點是透視和投影，也就是通過扭曲、變形圖像透視變換并觀察和修正圖像的試點變換分割真實圖像，將其變為平行透視和投影，最后通過平面變換形成了空間藝術風格圖像，之后還有其他的空間藝術風格出現，例如半球型表面投影技術、傾斜角平面投影技術、曲線追蹤算法的計算機非真實感繪制、三維鉛筆畫動畫、自動生成卡通以及等級結構卡通與模型等等三維空間藝術風格。

2.2、 基于圖像的非真實感的紋理合成技術

我們利用計算機能夠自動生成藝術風格的圖像，這就是三維空間圖像非真實感無筆繪制技術，這種技術的特點是運用邊緣檢測、分割、濾波等技術處理圖像，圖像會因此產生特殊的視覺效果，技術憂點是不會產生繪畫過程、繪畫工具復雜建模出現的問題。

3、基于計算機圖像的非真實感繪制技術

一般情況下，無筆劃繪制和筆劃繪制是基于圖像的非真實感繪制技術根據圖像模擬方式劃分的兩種形式，根據圖像的風格形式可以分為線條繪制、素描繪制。

3.1、 基于圖像的線條畫繪制技術

線條畫具有較強的抽象性和較好的表現力，我們在美術創作、工藝美術、科技文獻以及平面廣告中都經常見到，是一種應用廣泛的藝術表達方式，以擁有簡單的變現形式、不同的表現風格而聞名，圖像繪制的畫筆、畫布或者運筆方式不同，都會形成不同的線條畫風格。線條畫技術根據繪制圖像的數據形式分為幾何繪制技術與圖像繪制技術，幾何繪制技術主要在三維模型的繪制；圖像繪制技術主要用于數字圖像的繪制。我們同樣依據圖像繪制形式的不同，將線條畫繪制分為無筆劃和有筆劃兩種；對于有筆劃方式，其基本的繪制元素是線條，通過定義每一種筆圖所代表的形狀來將圖像表現出來，筆畫所構建的區域則是通過紋理與色調進行填充，紋理表示物體表面的材質，色調表示可視化光照信息，所以正確使用筆劃紋理對表示紋理和色調整個圖像是繪制的關鍵。

3.2、 基于圖像的素描畫繪制技術

素描畫作為線條畫的特殊形式，在線條畫的基礎之上，表現其自身獨特的表現力和抽象性，通過不同類型的炭筆對不同色調進行表現，可以運用寬度和密度不同的線條，表現出物體的高光、亮部、暗部和明暗交界線。計算機素描繪制技術是運用數字技術處理圖片，將圖像中主要物體的輪廓提取出來并渲染，得到圖像的素描像，這是計算機素描畫的機理，在常用圖像處理技術中，我們常用的為灰度差的方法，通過其提取出圖像輪廓，將物體的像素點中灰度值較大點作為物體的輪廓點，再將所有的輪廓點連接起來便可以得到相應的物體輪廓，這與傳統的圖像素描風格生成算法的基本思想是一致的。

4、基于帶通修正的低通濾波自商算法的圖像非真實感繪制技術

4.1、 圖像的帶通修正的低通濾波修正

帶通修正的低通濾波數字圖像處理技術是對二維圖像空間域和頻率域的處理，其實是針對圖像所在的二維平面由圖像像元組成的空間的變化情況的處理。我們所說的圖像處理的空域處理，實際上是處理圖像像素，利用如像素疊加等操作將空間域像元灰度值改變，圖像像元的灰度值會隨著位置而變化，產生的空間頻率就是圖像頻率域，將圖像信息的分布特征用圖譜表示，高頻區就是圖像中結構復雜、灰度突變或者集中了干擾噪聲和圖像細節的區域，高頻區域和低頻區域之間通過圖像高頻分量來分割。帶通修正技術處理的部分是處于低頻部分和高頻部分之間的特殊狀態，這樣，不論是圖像的過高頻率還是過低頻率都會受到抑制。

4.2、 圖像的灰度處理技術

這是一種傳統的計算機線條畫繪制技術，通過將彩色RGB圖像進行灰度轉換、噪聲處理之后，首先運用銳化算子將圖像的細節進一步增強，然后運用邊緣檢測算法將圖像的邊緣輪廓提取出來，細化邊緣后跟蹤處理邊界，將非特征線條去掉后連接剩下的非剩余特征線條：第一步：灰度處理：通過加權平均值法處理RGB圖像；第二步：通過Butterworth低通濾波法消除圖像噪聲，提高圖像質量；第三步：將圖像通過銳化處理，以增強圖像細節信息，提高圖像信號高頻分量，得到清晰圖像；第四部：在邊緣檢測之后對得到的邊緣線進行修正、細化處理，得到最后的線條圖。此技術用于色調簡單物體的圖像的生產，效率高，但是對于色調復雜的圖像得到結果圖像不理想。

將普通圖像用帶通修正的低通濾波器對圖像進行頻域濾波修正，再對原始圖像和濾波結果圖像做自商運算，得到灰度化特征圖像，二值化此圖像即可得到結果圖像。

5、基于圖像空間域和頻率域層次感素繪制技術

素描畫是非真實感繪制技術的普遍形式，通過繪制圖像的邊緣輪廓線，通過圖像灰度特征，明暗色調和光源信息的紋理等方式進行圖像的表現，這是通過交叉視角所表現出來的，圖像的空間域與頻率域是生產圖像紋理的主要參數，提取圖像線條后膨脹得到雙層邊緣線條，運用運動模糊操作，獲得層次感紋；而運用帶通修正高通濾波器濾波處理獲得的灰色邊緣圖像則是頻率域，在通過二值化處理到邊緣線條，控制線條寬度得到不同像素寬，并進行運動模糊得到層次感素描紋理。

5.1、 空間域的層次感繪制

素描畫層次感的繪制首先要生產線條圖像，在對線條圖像進行灰度圖像轉化、平滑去噪、像增強等處理，提取理想線條畫的圖像。用robert高階微分算子對圖像邊緣線條基礎上做膨脹處理，所以需要先對原圖像做邊緣處理，再通過運動模糊可以獲得素描層次紋理，能夠有效的將圖像敏感特征體現出來，而且素描紋理的疊加效果、明暗對比與層次感更強。

5.2、 圖像層次感素繪制技術

通過處理圖像得的空間域以及頻率獲得層次素描紋理，其具體步驟如下：第一步：邊緣線條處理：首先將圖像利用二階robert微分算子提取圖像特征邊緣線條，通過局部差分算子尋找邊緣的算子，進而獲得圖像的邊緣特征以及區域特征，而且其能夠表現出手繪風格的藝術線條效果；第二步：將灰度圖像進行二值化處理：運用Roberts邊緣檢測算子能夠提取到灰度邊緣圖像，經過二值化的操作之后，將各像素點大的線條保留下來，得到最后的二值化線條圖；第三步：獲取雙線條:灰度邊緣圖像紋理色調單一且層次感不強，所以在經過二值化處理的邊緣線條，對其做腐蝕、膨脹處理反復三次，以獲取三層次的雙邊緣線條；第四步：運動模糊處理：運動模糊處理雙邊緣線條，能夠讓快速移動的場景的真實感增強，使得圖像層次感更加的明顯；第五部：層次紋理與線條邊緣的融合：因邊緣線條的動態要素范圍不同，所以通過一個協調要素的參數值將素描層次紋理與線條連接在一起構成最后的結果圖像。

6、結束語

綜上所述，隨著科學技術的發展，部分數碼產品已經集成了部分圖像處理工作，人們對于圖片不再是將現實的真實反映，而要將其自身的豐富圖像表現力展現出來，所以非真實感圖片的藝術表現力深受群眾喜歡，但是在圖像處理技術創新方面發展緩慢，導致圖像處理技術不能滿足人們的現實需要，所以研究人員對計算機圖像非真實感渲染技術進行研究，其在藝術創作、三維動畫、主體視覺以及設計圖制作方面應用前景良好，應當重視其發展。

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