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【摘 要】非真实感铅笔画绘制技术是指利用计算机生成具有手绘风格的图形，主要在于表现图形的艺术特质、模拟艺术作品。其在自然艺术风格的模拟，科学资料插图绘制，计算机动画的生成，计算机艺术表现以及医学、建筑学、教育学等方面都发挥着越来越重要的作用。本文首先介绍了非真实感铅笔画绘制的发展过程，然后实现了基于图像的非真实感铅笔画风格渲染，最后对非真实感铅笔画模拟绘制技术的发展指出不足。
【关键词】非真实感 铅笔画 素描
一、非真实感铅笔画绘制技术
人类在很早以前就注重以图形的方式认知和了解世界，早期的绘画作品都是人为绘制的，自从计算机图形学诞生之后，人们开始考虑使用计算机模拟图形图像的绘制，最早的模拟绘制是利用计算机绘制现实的图像，以展示完全真实的世界，但真实感图像在一些场合并不能满足人类的要求，例如建筑工程师希望使用简单明了的工程制图描述突出重点，医疗人员希望使用特定的医学图像描述病情，这些时候使用真实感图像不能清晰表现重点，此外。人们有很多绘画艺术，如铅笔画，油画，水墨画等，这些特殊风格的作品是真实感绘制技术实现不了的。因此人们开始研究非真实感绘制技术，铅笔画模拟绘制技术作为一种模拟人类手工绘画的非真实感绘制技术，受到了研究人员的重视和关注，目前已经取得了一定的研究成果。
二、常见的非真实感铅笔画模拟绘制算法
素描是利用光线和阴影的交织来表现艺术的一种手段，常见的基于图像铅笔画绘制算法基本处理步骤如下：
图像预处理。对图像进行一定的预处理操作，使图像能满足铅笔画模拟绘制的要求。
提取白噪声。利用图像信息计算白噪声图以及向量场。
卷积运算。对白噪声图和平滑后的向量场进行线积分卷积处理，得到图像的纹理图
边缘提取。利用双边滤波器提取出图像的边缘信息，得到图像的轮廓图。
图像融合。对素描的纹理图和轮廓图进行图像融合处理，生成铅笔素描画。
（一）图像预处理
图像预处理中，主要涉及到图像灰度化和图像去噪。图像灰度化是分离图像像素点RGB值，利用公式合成灰度图像，以下是灰度图像合成公式：
。
图像在输入和传输的过程中，难免会产生噪声，因此，需要对图像进行去除噪声的处理，以提高图像质量，预防各种噪声的对图像干扰。高斯滤波是一种线性平滑滤波器，他在各个方向上的平滑值是一样的，不会偏向任何一个方向，比较适合铅笔画的仿真。
二维高斯函数表达式：
其中：x，y分别代表原始图像横纵坐标；代表图像像素值的方差；代表变换后的函数图像。如图1所示。
（二）提取白噪声
白噪声图是依据一定的频率，对灰度图的像素随机生成0至255的灰度值，与后续LIC卷积运算有直接关系。由于人的视觉系统对图像亮度信息敏感度高，一般根据图像的亮度信息图生成白噪声图。这需要将处理的图像从RGB颜色空间转换为HSV色彩空间，其中H代表色调，S代表饱和度，V代表亮度
白噪声生成公式：
其中Imax为输出像素的最大灰度值，一般为255；Imin1、Imin2、Imin3为输出图像的最小灰度值；L1、L2为两个阈值。
（三）卷积运算
铅笔画模拟技术中一项重要技术是铅笔画纹理图的生成，采用线性卷积技术，将白噪声图作为输入纹理图与原图像中每一个像素点进行线型卷积操作，所得的图像即为输出纹理图，过程如图2所示
（四）边缘提取
勾边是铅笔画的重要组成部分之一，通过勾边，在计算机中模拟铅笔画的轮廓艺术效果的方法之一是借助各类边缘检测算子，本文采用Sobel边缘检测算子提取轮廓，其基本检测原理定义如下：
其中为输出轮廓图；z1 - z9为一幅图像的33区域，z为图像的灰度值255。
（五）图像融合
将上述步骤所得的纹理图和轮廓图进行加权相加，通过对权值的调整，得到最终的铅笔画艺术效果，如图3所示。
三、结束语
本文研究了铅笔画在计算机中艺术效果的实现，研究表明，铅笔画模拟绘制技术已经取得了一定的成果，但是还有一些不足需要我们解决。
（一）计算机生成的纹理图与传统手绘铅笔画的纹理不吻合；现有的基于图像的铅笔画模拟绘制技术大多借助图像分割技术，对某一分割区域采用同一方向的向量场，這与传统手绘铅笔画中笔画方向的自然多变有较大的区别。
（二）三维图像铅笔画模拟技术还有待发展；三维模型的数据信息比二维模型的数据丰富，转化起来更加得心应手，其结果也比二维图像更逼真，但目前基于三维模型的铅笔画模拟绘制技术相关研究还是较少。
（三）利用计算机生成的铅笔画在色调上比传统手绘素描的色调单一，不能很好的还原图像中的光照、明暗信息。
参考文献：
[1]李龙生，周经野，陈益强等.一种改进的铅笔画生成方法[J].中国图象图形学报，2007，12（8）：1423-1429.
[2]Cewu Lu，Li Xu， and Jiaya Jia.Combining Sketch and Tone For Pencil Drawing Production [C].Switzerland：Proceeding NPAR’12 Proceedings of the Symposium on Non-Photorealistic Animation and Rendering.Expressive，2012：65-73.
[3]莫晓斐，丁友东.利用形体特征的铅笔素描画生成[J].中国图象图形学报，2013，18（2）：219-224.
作者简介：
王凌云（1991-）女，贵州凯里人，本科，凯里学院信息工程学院助教，研究方向：计算机图形学，数字图像处理，多媒体技术。
基金项目：
凯里学院2014年度规划课题（z1419）。
【关键词】非真实感 铅笔画 素描
一、非真实感铅笔画绘制技术
人类在很早以前就注重以图形的方式认知和了解世界，早期的绘画作品都是人为绘制的，自从计算机图形学诞生之后，人们开始考虑使用计算机模拟图形图像的绘制，最早的模拟绘制是利用计算机绘制现实的图像，以展示完全真实的世界，但真实感图像在一些场合并不能满足人类的要求，例如建筑工程师希望使用简单明了的工程制图描述突出重点，医疗人员希望使用特定的医学图像描述病情，这些时候使用真实感图像不能清晰表现重点，此外。人们有很多绘画艺术，如铅笔画，油画，水墨画等，这些特殊风格的作品是真实感绘制技术实现不了的。因此人们开始研究非真实感绘制技术，铅笔画模拟绘制技术作为一种模拟人类手工绘画的非真实感绘制技术，受到了研究人员的重视和关注，目前已经取得了一定的研究成果。
二、常见的非真实感铅笔画模拟绘制算法
素描是利用光线和阴影的交织来表现艺术的一种手段，常见的基于图像铅笔画绘制算法基本处理步骤如下：
图像预处理。对图像进行一定的预处理操作，使图像能满足铅笔画模拟绘制的要求。
提取白噪声。利用图像信息计算白噪声图以及向量场。
卷积运算。对白噪声图和平滑后的向量场进行线积分卷积处理，得到图像的纹理图
边缘提取。利用双边滤波器提取出图像的边缘信息，得到图像的轮廓图。
图像融合。对素描的纹理图和轮廓图进行图像融合处理，生成铅笔素描画。
（一）图像预处理
图像预处理中，主要涉及到图像灰度化和图像去噪。图像灰度化是分离图像像素点RGB值，利用公式合成灰度图像，以下是灰度图像合成公式：
。
图像在输入和传输的过程中，难免会产生噪声，因此，需要对图像进行去除噪声的处理，以提高图像质量，预防各种噪声的对图像干扰。高斯滤波是一种线性平滑滤波器，他在各个方向上的平滑值是一样的，不会偏向任何一个方向，比较适合铅笔画的仿真。
二维高斯函数表达式：
其中：x，y分别代表原始图像横纵坐标；代表图像像素值的方差；代表变换后的函数图像。如图1所示。
（二）提取白噪声
白噪声图是依据一定的频率，对灰度图的像素随机生成0至255的灰度值，与后续LIC卷积运算有直接关系。由于人的视觉系统对图像亮度信息敏感度高，一般根据图像的亮度信息图生成白噪声图。这需要将处理的图像从RGB颜色空间转换为HSV色彩空间，其中H代表色调，S代表饱和度，V代表亮度
白噪声生成公式：
其中Imax为输出像素的最大灰度值，一般为255；Imin1、Imin2、Imin3为输出图像的最小灰度值；L1、L2为两个阈值。
（三）卷积运算
铅笔画模拟技术中一项重要技术是铅笔画纹理图的生成，采用线性卷积技术，将白噪声图作为输入纹理图与原图像中每一个像素点进行线型卷积操作，所得的图像即为输出纹理图，过程如图2所示
（四）边缘提取
勾边是铅笔画的重要组成部分之一，通过勾边，在计算机中模拟铅笔画的轮廓艺术效果的方法之一是借助各类边缘检测算子，本文采用Sobel边缘检测算子提取轮廓，其基本检测原理定义如下：
其中为输出轮廓图；z1 - z9为一幅图像的33区域，z为图像的灰度值255。
（五）图像融合
将上述步骤所得的纹理图和轮廓图进行加权相加，通过对权值的调整，得到最终的铅笔画艺术效果，如图3所示。
三、结束语
本文研究了铅笔画在计算机中艺术效果的实现，研究表明，铅笔画模拟绘制技术已经取得了一定的成果，但是还有一些不足需要我们解决。
（一）计算机生成的纹理图与传统手绘铅笔画的纹理不吻合；现有的基于图像的铅笔画模拟绘制技术大多借助图像分割技术，对某一分割区域采用同一方向的向量场，這与传统手绘铅笔画中笔画方向的自然多变有较大的区别。
（二）三维图像铅笔画模拟技术还有待发展；三维模型的数据信息比二维模型的数据丰富，转化起来更加得心应手，其结果也比二维图像更逼真，但目前基于三维模型的铅笔画模拟绘制技术相关研究还是较少。
（三）利用计算机生成的铅笔画在色调上比传统手绘素描的色调单一，不能很好的还原图像中的光照、明暗信息。
参考文献：
[1]李龙生，周经野，陈益强等.一种改进的铅笔画生成方法[J].中国图象图形学报，2007，12（8）：1423-1429.
[2]Cewu Lu，Li Xu， and Jiaya Jia.Combining Sketch and Tone For Pencil Drawing Production [C].Switzerland：Proceeding NPAR’12 Proceedings of the Symposium on Non-Photorealistic Animation and Rendering.Expressive，2012：65-73.
[3]莫晓斐，丁友东.利用形体特征的铅笔素描画生成[J].中国图象图形学报，2013，18（2）：219-224.
作者简介：
王凌云（1991-）女，贵州凯里人，本科，凯里学院信息工程学院助教，研究方向：计算机图形学，数字图像处理，多媒体技术。
基金项目：
凯里学院2014年度规划课题（z1419）。