一種彩色素描模擬方法與流程

2023-06-10 03:42:26 1

本發明涉及圖像處理領域，更具體地，涉及一種彩色素描模擬方法。

背景技術：

非真實感繪製是指利用計算機生成具有繪畫風格的圖形或圖像的技術，它以模擬圖形的藝術特性為主要目標。這個概念在上個世紀八十年代被提出，發展至今已經可以很好地模擬油畫、水彩、水墨、素描以及卡通等藝術風格。人們雖對素描有著濃厚的興趣，手工繪畫卻不是所有人都能夠輕易掌握的技能，因此利用計算機自動生成鉛筆畫的技術越來越受到人們的重視。人們已經提出了許多生成鉛筆畫的方法，但是這些方法大部分都是對黑白素描的模擬。

技術實現要素：

本發明為解決以上現有技術難題，提供了一種彩色素描模擬方法，該方法可以高效逼真的模擬出彩色素描。

為實現以上發明目的，採用的技術方案是：

一種彩色素描模擬方法，包括以下步驟：

S1.使用K-means聚類分割方法對圖像進行分割，將圖像分割成若干個區域；

S2.以圖像所分割區域原來的顏色為依據，為每個區域指定主色調和副色調；各個分割區域所確定的主色調和副色調聯結在一起形成圖像的主色調層和副色調層；

S3.依據隨機賦值算法對主色調層和副色調層進行賦值處理，分別生成主色調層和副色調層的噪聲圖像；

S4.對每個區域圍繞其中心建立邊長為m的窗口，將該窗口轉換到頻域；然後將頻域分成幾個不同的角度區間，並計算每個角度區間的能量值和總體均值；將計算獲得的最大能量值與總體均值進行比較，若兩者之間的比例大於所設定的閾值，則判定該區域的紋理走向與最大能量值所對應的角度垂直；

S5.對主色調層和副色調層噪聲圖像中的每個像素點，以其為中心沿其所屬區域的紋理走向的正、反兩個方向查找與其相鄰的n個像素點以形成流線，利用卷積核對流線上各個像素點的噪聲值進行卷積計算，並將計算得到的結果賦值給主色調層或副色調層噪聲圖像中的原像素點；

S6.使用霓虹變換的方法對圖像進行處理，得到素描輪廓；

S7.將步驟S5得到的主色調層和副色調層噪聲圖像按照上下次序使用雙色調映射的方法進行融合，得到彩色素描的紋理圖，在紋理圖的基礎上疊加素描輪廓，即可得到彩色素描的效果。

優選地，所述完成步驟S6後，使用以下方法生成紙肌理：

將一張紙紋理灰度圖像當作一個高度場來考慮，其中的高、低強度分別對應著素描紙張本身的凸起和凹陷；首先計算出紙張高度的平均值，對於高度大於平均值的點，對紙紋理灰度圖像在相應位置的強度做同比例的加深；而對高度小於平均值的點，則對紙紋理灰度圖像在相應位置的值做相同比例的減淡處理；具體如下：

其中px,y代表紙紋理灰度圖像在(x,y)坐標處的強度，tx,y代表素描紙在(x,y)位置的灰度，代表整張素描紙灰度的平均值，k代表一個強度係數。

計算得到紙肌理後，步驟S7將紙肌理、主色調層和副色調層噪聲圖像按照上下次序使用雙色調映射的方法進行融合，得到彩色素描的紋理圖。

優選地，所述步驟S1在使用K-means聚類分割方法對圖像進行分割前，需要為分割算法確定K個初始的聚類中心，即需要確定圖像當中主色調的個數，其具體過程如下：將圖像轉化到HSV色彩空間，通過計算色調直方圖來判定圖像中主色調的個數，從而確定K值。

優選地，所述步驟S3的隨機賦值算法具體如下：

其中p表示當前像素的灰度值，noise表示賦予當前像素的像素值，r表示一個隨機數，l1、l2表示兩個分級閾值，其將[0,255]分成了三個灰度級；noisemax為噪聲圖像中的最大強度值；noisemin1、noisemin2、noisemin3為三個灰度級的最小灰度值。

優選地，所述l1、l2分別為24和79，所述noisemax為255，所述noisemin1、noisemin2、noisemin3分別為5、25、80。

優選地，所述步驟S5進行卷積計算的具體過程如下：

其中，g(x,y)為卷積計算得到的向像素點(x,y)賦予的值，pi與分別為該像素點在其所屬區域的紋理走向的正、反方向上的第i個相鄰像素的強度，l代表紋理線條的長度；

其中，k(w)代表卷積核，Δsi代表流線在矢量的正、反兩個方向上實際走過的距離。

優選地，所述步驟S2中，為每個區域指定主色調和副色調的具體過程如下：

設區域的主色調為c，即基本色庫中的顏色ci與c的顏色差異di按照公式定義如下：

其中，r、g、b分別代表主色調c在RGB色彩空間下的三原色分量，ri、gi、bi分別代表顏色ci在RGB色彩空間下的三原色分量，i、j、k則為依照人眼的生理特性設置的三個權值；

通過以上方式依次算出基本色庫中的顏色與區域的主色調c的顏色差異，然後選取di最小時的顏色ci作為該區域的主色調，確定主色調後，再通過以上方法從基本色庫剩餘的顏色中選取另一種顏色作為區域的副色調。

優選地，所述步驟S7中，使用雙色調映射的方法進行融合的具體過程如下：

其中c為融合後的顏色，g0代表紙張的顏色，g1和g2分別代表主色調和副色調，g1,2代表主色調和副色調疊加後的色彩，α1、α2則分別代表主色調和副色調的權值。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

本發明提供的彩色素描模擬方法線積分卷積生成黑白素描的基礎上，通過研究彩色素描的繪製特點，結合雙色調映射技術實現了基於色彩定製的彩色素描繪製。該策略首先對圖像進行區域分割，而後按照上下疊加的方式，用一個主色調和一個副色調進行色彩融合來表現每個分割的區域。每個特定的區域可以自動地、也可以由用戶交互地指定顏色集。此外，本發明所提供的方法通過增設紙肌理，使得能夠將真實的素描紙肌理添加到計算機生成的圖像當中，使得最終的效果更接近真實的繪畫。本發明所提供的方法在對圖像進行分割所採用的是基於k-means聚類的分割方法，在保證分割效率的同時還使得分割結果更好地適應彩色素描的繪製。

附圖說明

圖1為本發明所提供的方法的流程圖。

圖2為使用K-means聚類方法進行分割的示意圖。

圖3為確定主色調和副色調的流程圖。

圖4為噪聲圖像和顏色縮放變換的效果。

圖5為卷積生成的卷積紋理效果圖。

圖6為紙肌理疊加的效果圖。

圖7輪廓提取的效果圖。

圖8為彩色素描疊加輪廓的效果圖。

具體實施方式

附圖僅用於示例性說明，不能理解為對本專利的限制；

以下結合附圖和實施例對本發明做進一步的闡述。

實施例1

如圖1所示，本發明所提供的方法包括以下步驟：

(1)對圖像進行分割

一幅畫中不同的色塊，其顏色構成也不同；此外它們的線條方向也存在差異。按照這一特性，本發明所提供的方法的第一步操作即是對彩色圖像做區域分割。本發明在進行分割時所採用的是基於k-means聚類實現的分割算法，該方法能夠利用色調直方圖自動的統計出分割塊數，同時也確定了聚類中心。該方法的分割效果能夠較好地反應彩色圖像本身的顏色分布特性，因而能夠更好地適用彩色素描的模擬。效果如圖(2)所示。

(2)確定主色調和副色調

在繪畫過程中，對特定的色塊，人們會首先用一種主要的色調進行鋪底，此後再用一到兩種副色調進行修飾補充，以此達到調色的效果。按照這一特性，在圖像分割完成後，要為每一個分割的區域按照其顏色特性指定兩種基本色。本實施例給出了12種基本色。基本色的指定可以由用戶交互地進行，也可以通過計算來自動獲取。如圖(3)給出了為每個區域自動地指定兩種基本色的流程。本實施例中，通過比較顏色的差異性來自動地選擇主色調。對每個特定的區域，假定其k-means聚類的中心色為c，基本色庫中的顏色ci與c的顏色差異di可以按照公式定義如下。

其中r、g、b分別代表顏色c在RGB色彩空間下的三原色分量，i、j、k則為依照人眼的生理特性設置的三個權值，一般i取0.3，j取0.59，k取0.11。本實施例依次算出12種基本色與區域平均色c的顏色差異，取di最小時的顏色ci作為該區域的主色調。在確定了主色調之後，還剩11種顏色可以作為副色調使用。

(3)生成噪聲圖像

在真實的素描繪製中，筆芯的碳粒會隨著紙張的凹凸隨機地散布。為了模擬這一特徵，可將圖像中的像素值按照一定的概率隨機的賦值為黑或白。這種方法生成的結果圖具有很強的顆粒感，因而也被稱作黑白噪聲圖。依據這一原理，本實施例分別為主色調和副色調生成噪聲圖像。由於僅僅由0和255兩個值描述的黑白噪聲圖過於單調。本發明採用了分級的方法將0至255分成了3個不同的範圍，以此增加了噪聲圖像的隨機灰度值的個數，這使得最終繪製的鉛筆素描有更強的明暗層次感，效果如圖(4)所示。

(4)區域紋理方向的確定

本發明利用傅立葉變換將圖像轉換到頻域，然後將頻域分成幾個不同的角度區間，並統計每個角度區間的能量。若某個角度區間的能量明顯高於其餘的區間，則可以認為原始圖像在與這個高能量區間相垂直的方向上有明顯的紋理走勢。對每個區域，本實施例圍繞其中心建立邊長為m的窗口；將該窗口轉換至頻域，同時計算每個角度區間的能量值和總體均值；進而將最大的能量和能量均值作比較，當比例大於某個特定的閾值就判定紋理走向為與該角度垂直的方向。簡化起見，實驗中僅考慮了水平、垂直以及正負45度這四種方向。如果無法獲取一個特定的紋理走向，就為該區域指定一個隨機的方向。利用上述方法獲取主色調層各個區域的紋理走向，副色調層可以與其一致，也可以呈一定的偏轉角度。

(6)生成卷積紋理

對圖像中的每個像素點，以其為中心沿特定角度的正、反兩個方向查找與它相鄰的n個像素以形成流線，利用卷積核將這條線上的各個像素的噪聲值進行卷積計算，並將最後的結果賦值給原點像素。這種算法本質上是根據圖像在特定方向上的關聯性對黑白噪聲圖進行的平滑濾波處理，效果如圖(5)所示。

(7)生成紙肌理

專業的素描紙具有明顯的凹凸感，這也影響了鉛筆顆粒在紙上的分布。事實上素描紙越是毛糙，彩鉛就越容易畫出痕跡。紙張凸起的點會更容易著色，因而呈現加深的效果；紙張凹陷的點著色相對較少，因而會呈現減淡的效果。本發明將一張紙紋理灰度圖像當作一個高度場來考慮，其中的高、低強度分別對應著素描紙張本身的凸起和凹陷。首先計算出紙張高度的平均值，對於強度大於平均值的點，對圖像在相同位置的強度做同比例的加深；而對強度小於平均值的點，則對圖像在該位置的值做相同比例的減淡處理。這種做法更好地保留了素描圖像整體的明度，效果如圖(6)所示。

(8)生成素描輪廓

擁有簡單的輪廓線條是素描的一個顯著的特點。計算機提取圖像輪廓最簡單的做法就是運用邊緣檢測算子，這種方法能夠快速地生成圖像的輪廓，但隨著閾值係數的調整，提取的線條要麼過於複雜，勾勒出一些多餘的區域，要麼又過於簡單，勾勒不連貫或不完整。與真實手繪的輪廓相比較，邊緣檢測算子生成的素描輪廓並不理想。考慮以上問題，本申請採用了基於霓虹變換的方法，生成了更為理想的素描輪廓效果如圖(7)所示。

(9)主色調與副色調的融合

將副色調與主色調按照上下次序用雙色調映射的原則進行融合，即可得到彩色素描的紋理圖。在紋理的基礎上疊加輪廓線條，即可得到彩色素描的效果，如圖(8)所示。

顯然，本發明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而並非是對本發明的實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明權利要求的保護範圍之內。