如何利用自回归模型生成中国画风格水动画

    

    

    

    摘 要：文章提出了一种基于中国画风格水动画的绘制方法。这种方法首先检测中国画中水形的位置，并通过自回归模型来合成这些形式。接下来，使用图像渲染技术来渲染水的形式，以产生具有中国画风格的水动画，最后将合成动画。文章将中国绘画中的水文形式融入生活，给出的例子证明了该方法，同时制作了各种形式的水动画。

    关键词：自回归模型；中国画；水动画；电脑动画

    传统动画师们经历了各种技术的发展，并将其用于在屏幕上再现众所周知的图片，从而创建比漫画更加复杂的动画。在西方，亚历山大·彼得罗以著名的手绘油画而闻名于世，例如牛和美人鱼。另一个例子是Joan Gratz，他的光心电影Mona Lisa（1992）通过观察数十种现代艺术作品，包括毕加索的裸体和梵高的自画像，以创新技术保持了画面的质量，从而使其更加精美。在東方，中国制作了一些中国画风格的动画，即著名的传统动画。

    随着计算机的普及，实验动画的风格更加多样化，非真实感渲染（NPR）朝着正确的方向发展。大多数现有的NPR技术旨在创造静态图片，其中一些可用于生成非照片写实动画，如印象派绘画、笔墨、苏斯博士和卡通水的风格。中国绘画作为中国传统艺术形式，吸引了许多研究人员使用计算机模型进行数字模拟，以图将这种传统的美展现出来。但是他们都专注于制作静态图片，忽略了以中国画风格为基础的动画。在本文中，提出了一种中国画风格水动画的画法。众所周知，中国画是通过使用笔、墨、纸、砚四种主要工具创造出来的，中国画家长期以来都在探索各种笔墨风格的中国画，因此形成了不同的视觉感受，如图1所示。

    信号处理的参数化方法更适用于模型处理，首先假定预先设定的模型集（例如全极、全零等），然后估计适当的模型参数。事实上，基于模型的方法由三个基本要素组成：数据、模型、标准。一旦选择了模型集，就按照相应的标准将模型（参数估计）“拟合”到数据中，然后使用这些参数构建信号估计，从而实现信号的处理。本文采用自回归（AR）模型方法，其原因是因为自回归模型结构简单，计算效率高。

    在第1节中，使用中国风格水动画来获取数据，用来描述AR模型参数的估计过程。第二部分讨论了水动画的合成、动态控制和渲染水。第3节结合实例总结结果。第4节分析了未来的发展方向。

    一、AR参数估计

    AR模型的特征在于输入—输出关系的差分方程。使用AR模型最重要的方面之一就是ρ的计算，并且许多研究人员对此问题做了大量的研究。对于小的数据长度，AR模型的顺序应选择在N / 3到N / 2的范围内，以获得良好的结果，其中N是样本数据的数量。通常来说，数据序列从绘画中获取，因此其长度不是很长，因此我们采用N / 3作为模型顺序。

    二、水形态动画

    （一）水形态合成

    水合成的第一步是数据采集。给出中国画风格的手绘水图画，首先检测水的形式，然后将它们放入数组中，例如Form（n），j（n≥0，j≥0），其中 n是数组中的点索引，j分别是数组索引。一旦获取了数据序列，可以使用第1节中描述的过程来估计相关的AR模式参数，并且可以使用估计的相应AR模型参数的等式（1）来合成水形式。

    合成的水形成斜向，实际上是在二维直角坐标系统定义的序列，在水平轴，这些序列可以直接使用在水的表面在不动水的形式。而对于流动的水来说，水的形状通常被绘制成诸如岩石、船等部分浸没的物体和水面形成的形状，如图2所示。在这种情况下，我们需要使用几个控制点来设计构架，为了使得到的水形式看起来更自然，我们沿着流动的水的方向画出合成的序列，如图3所示。

    （二）动态控制

    水的动态控制旨在创造出水的运动的错觉。在水流动过程中，水波是完全独立一帧的，分布的帧具有一致性，而不具有各自的形状和动态运动，采用流动程序动态控制水的形式，初始化：

    1.规定水形式长度的平均值和方差；

    2.指定水的密度；

    3.指定水平分布；

    4.指定垂直分布。

    对于帧t：

    1.根据水平和垂直分布生成位置；

    2.生成一个骨架，以控制水面的长度；

    3.使用AR模型合成相应的水形式；

    4.重复这三个步骤，直到满足水分布的密度。

    （三）渲染

    为了生成水的形式接近中国画的风格，我们使用了基于图像的渲染技术，它集成了我们的早期工作，一种以物理为基础的画笔模型，用不同的机制来产生不同足迹的画笔。显然，足迹的纹理对画笔笔触的最终外观有很大的影响，因此，像素颜色分布是确定笔画外观的关键。

    三、结果

    图4通过使用手绘对应物来获取样本数据，进而模拟水面动画。在图5中，展示了一个动画框架，其外观与图1中的第二张图片相似，与图4中的水形状相比，连续绘制了几个波浪。图4中的水形状以单个波浪的“离散”方式绘制，因此，不能直接使用AR模型进行合成。检测几个水波尖端的位置并将其放入阵列作为样本数据，由AR模型合成序列，用于控制水波尖端的位置，而不是直接绘制水的形式。对于每个尖端，首先定义从尖端开始的两个向量，并分别向下指向左侧和右侧，并将小的扰动添加到其角度。使用每个向量的起始点和终点，可以通过在矢量下方添加控制点来生成稍微弯曲的骨架，然后使用画笔渲染技术来绘制墨水笔画。图6和图7中的第一张图显示了两个手绘环境，并且我们对与图1和图2相对应的水形式进行动画，将它们局部放置在水面上方的物体附近，如岩石、草、船等。

    四、未来发展方向

    在本文中，我们介绍了基于参数信号处理方法处理非真实水动画的研究结果。这种方法的优点是，AR模型能够捕获与样本数据相关联的统计特性，因此，只要提供适当的样本和形状可视化机制，就可以生成各种非真实感的水动画。我们工作的潜在应用是动画、教育和娱乐，在目前的实施中，我们动画只有部分手绘的图片，因此不能局限于水动画，还要扩展到中国山水画中，如岩石、树木等的3D绘制。为实现这一目标，需要进行额外的工作来绘制3D模型中的其他对象，这也是未来发展的方向。

    五、结语

    文章对于中国画风格的水动画绘制方法进行了分析，并结合了自回归模型的运用，旨在为相关人员提供参考意见。

    参考文献：

    [1]陈丽佳.中国画风格在建筑动画中的应用分析[J].中国科教创新导刊，2013，（20）：194.

    [2]徐颂华.中国书画艺术电子化创作的初步算法性探索[D].浙江大学，2007.

    [3]童亮.基于浅水方程模型和粒子模型的水动画模拟[D].安徽大学，2006.

    [4]苏成.计算机动画中的视点合成与运动控制[D].中国科学院研究生院（计算技术研究所），1998.

    [5]刘圣军.基于几何的水和云彩动画特效模拟[D].浙江大学，2007.

    [6]李付鹏.基于有限差分法和有限体积法的水流动画模拟[D].安徽大学，2004.

    作者简介：

    林兵，马鞍山太白书画院专职画师，中国美协会员。