柳永林-计算机科学与技术(师范)-一种铅笔画仿真新方法-过程材料.doc

Liaoning Normal University
（2011届）

本科生毕业论文(设计)
过 程 材 料

题 目：一种铅笔画仿真新方法
学 院： 计算机与信息技术学院
专 业： 计算机科学与技术(师范)
班级序号： 2班3号
学 号： 20071807010026
学生姓名： 柳永林
指导教师： 唐棣

2011年6月

过程材料目录
1. 本科生毕业论文（设计）任务书
2. 本科生毕业论文（设计）文献综述
3. 本科生毕业论文（设计）开题报告
4. 本科生毕业论文（设计）评阅教师评阅意见
5. 本科生毕业论文（设计）答辩记录
6. 本科生毕业论文（设计）考核表
7. 本科生毕业论文（设计）指导记录

辽宁师范大学本科生毕业论文（设计）任务书

题 目
一种铅笔画仿真新方法
学 院
计算机与信息技术学院
专 业
计算机科学与技术（师范）
学 生
柳永林
学号
20071807010026
指导教师
唐棣
职称
教授
主
要
任
务
及
目
标
目标： 通过分析铅笔画的艺术特点，实现一种基于图像的铅笔画仿真方法。
任务：首先对用户输入的图像进行进行kirsch边缘检测，进而勾勒出图像的轮廓，并进行Unsharp Mask(USM)锐化提取细节信息；
其次并进行颜色放大处理以增强对比度，然后采用运动模糊技术生成笔画方向；
最后应用imadd功能函数得到具有素描风格的结果图像。

主
要
研
究
内
容
本论文主要研究内容：
1.为了更好的模拟铅笔纹理，对传统的纹理生成方法进行改进，实现将锐化后的结果图像进行运动模糊处理后代替白噪声图作为LIC的输入；
2.新方法的上机实验和程序的调试；
3.实验结果分析。

研

究

方

法

1.了解铅笔画仿真目前的研究概况
2.收集有关铅笔画仿真的学术报告及文章
3.复习图形学图形图像处理的基础知识
4.分析非真实艺术仿真的优点，实际应用及可实现性
5.记录论文进度计划，边分析边查阅新的资料，争取新的突破
6.总结
研
究
进
度
安
排

2月24日至3月2日 查阅相关资料，熟悉铅笔画仿真研究情况；
3月3日至3月10日 复习图形图像相关知识；
3月11日至3月25日 研究理解相关学术文章，对文章进行探讨；
3月26日至4月15日 建立算法；
4月16日 至5月8日 编程并上机调试；
5月9日至5月20日 撰写论文。
主

要

参

考

文

献
[1] Vermeulen A H,Tanner P P.PenchilSketch-a pencil-based paint system[C]//Proceedings of Graphics Interface’89 Conference, 1989.
[2] Sousa M C,Buchanan J W.Observational model of blenders and erasers in computer-generated pencil rendering[C]// Proceedings Conference on Graphics Interface’99 ,1999：157-166.
[3] 谢党恩,赵杨,徐丹.一种铅笔滤镜生成算法及其在GPU上的实现[J].计算机辅助设计与图形学学报,2008,20(1):26-31
[4] Yamamoto S, Mao X, Tanii K, Imamiya A. Enhanced LIC Pencil Filter[C].Proceedings of the International Conference on Computer Graphics, Imaging and Visualization, Los Alamitos, CA, 2004:251-256
[5] 李龙生,周经野,陈益强,刘军发,周仁琴[J].一种改进的铅笔画生成方法[J].中国图形图像学报, 2007,12(8):1423-1429
[6] Strothotte Thomas, Schlechtweg Stefan.非真实感图形学－造型、绘制与动画技术[M] .叶修梓万华根，张引，译．北京：电子工业出版社,2004,78-83．
[7] 李龙生,周经野,陈益强,刘军发,高兴宇.用USM锐化生成铅笔画的新方法.吉林大学学报，2007，3：第37卷，第2期
指导教师签字:

年 月 日
学院教学指导委员会意见:

签字:

年 月 日

辽宁师范大学本科生毕业论文（设计）文献综述
题 目
一种铅笔画仿真新方法
综述完成时间
2011年3月16日
学 院
计算机与信息技术学院
专 业
计算机科学与技术（师范）
姓 名
柳永林
学号
20071807010026
指导教师
唐棣
职称
教授
查
阅
的
主
要
文
献
[1] Vermeulen A H,Tanner P P.PenchilSketch-a pencil-based paint system[C]//Proceedings of Graphics Interface’89 Conference, 1989.
[2] Sousa M C,Buchanan J W.Observational model of blenders and erasers in computer-generated pencil rendering[C]// Proceedings Conference on Graphics Interface’99 ,1999：157-166.
[3] 谢党恩,赵杨,徐丹.一种铅笔滤镜生成算法及其在GPU上的实现[J].计算机辅助设计与图形学学报,2008,20(1):26-31
[4] Yamamoto S, Mao X, Tanii K, Imamiya A. Enhanced LIC Pencil Filter[C].Proceedings of the International Conference on Computer Graphics, Imaging and Visualization, Los Alamitos, CA, 2004:251-256
[5] 李龙生,周经野,陈益强,刘军发,周仁琴[J].一种改进的铅笔画生成方法[J].中国图形图像学报, 2007,12(8):1423-1429
[6] Strothotte Thomas, Schlechtweg Stefan.非真实感图形学－造型、绘制与动画技术[M] .叶修梓万华根，张引，译．北京：电子工业出版社,2004,78-83．
[7] 李龙生,周经野,陈益强,刘军发,高兴宇.用USM锐化生成铅笔画的新方法.吉林大学学报，2007，3：第37卷，第2期

文
献
综
述

文

献

综

述

文
献
综
述

自20世纪60年代计算机图形学诞生以来，其主要目标即为生成能仿效传统照相机效果的图像。研究至今，这些技术已经相当完美。与此同时，非真实感图形学作为图形学的一个重要的研究领域，越来越被人们所关注。
研究者们借助计算机已经实现了许多艺术形式的渲染，如水墨画、水彩画、铅笔画、油画等，其中铅笔画已经成为非真实感领域一个重要的研究方向，吸引了许多图形学研究者致力于铅笔画的生成工作。
迄今为止，已经有一些技术用来模拟铅笔画的效果。本文将提出一种新的铅笔画仿真法,使用了Kirsch边缘检测算法，提取图像的轮廓，利用算子模板进行八方向的边界汇总，该方法与其它轮廓提取法相比，更接近于艺术家勾边的效果。
首先对用户输入的图像进行Unsharp Mask(USM)锐化提取细节信息，并进行颜色放大处理以增强对比度，然后采用基于点的向量场技术生成笔画方向，最后应用线积分卷积(LIC)得到具有素描风格的结果图像。为了更好的模拟铅笔纹理，改进了传统的纹理生成方法，提出将锐化后的结果图像代替白噪声图作为LIC的输入。
本文的设计思想是对于输入的2D图片，生成相应的铅笔画效果图。程序主要分为轮廓提取和内部纹理生成两步，然后将二者进行合并，得出最后的铅笔画效果图。
通过观察艺术家绘制铅笔画的过程发现，勾边对于最终生成的铅笔画效果好坏与否起着举足轻重的作用，准确的轮廓可以提升一幅图片整体的效果。一般的边缘检测方法，如Matlab中常用的Sobel和Roberts梯度算子，因为其都是针对二值图像进行的边缘检测，所以提取出的轮廓效果色调单一。
本文采用的是Kirsch算法进行带方向的边界提取，并进行八方向的边界汇总，定义一个衰减因子scale，通过改变衰减因子的大小控制图像的色调。实验结果表明该方法效果更接近于手绘。
USM锐化处理的原理是首先将原始图像进行高斯滤波，达到平滑的目的，然后将原始图像与平滑部分作减法，从而达到高通滤波的效果。
运动模糊（Motion Blur）滤镜是一种抓取物体运动状态的效果滤镜，主要应用物体运动时曝光的摄影手法，模拟出在摄像中拍摄运动物体的间接曝光功能，从而使图像产生出一种动态效果。它通常用来制造物体掠过或移动的效果。
运动模糊滤镜是一种用来抓取物体运动状态的效果滤镜，沿特定方向并以特定强度对图像进行模糊处理。本文通过大量的实验发现，由运动滤波器产生的运动模糊效果和铅笔纹理有很好的相似性，因此进行大胆的尝试，首次提出应用该方法来模拟铅笔的纹理。
传将轮廓提取的结果与运动模糊的结果进行合并，生成最终的铅笔画效果图。

非真实感图形学，在计算机图形学中是很重要的组成部分，由这些基本算法组合上不同的课题、元素、领域，不仅在计算机硬件、软件的发展方面起着重要的作用，还可以在电子、广告、艺术等方面设计出各种不同的作品，得到更加广泛的应用。
因此，今后的工作是找到更好的铅笔纹理生成方法，使铅笔纹理更生动、逼真, 同时也能模拟出更丰富的铅笔画色调。
备

注

辽宁师范大学本科生毕业论文（设计）开题报告

题 目
一种铅笔画仿真新方法
学 院
计算机与信息技术学院
专 业
计算机科学与技术（师范）
姓 名
柳永林
学号
20071807010026
指导教师
唐棣
职称
教授
一、研究概况及意义
自20世纪80年代以来，非真实感图形学作为图形学的一个重要的研究领域，越来越被人们所关注。与传统真实感图形学追求“像照片一样真实”的绘制目的不同，非真实感绘制的目标在于模拟传统艺术风格，表现图像的艺术特质。其中铅笔画的纹理生成是较复杂的，因为从艺术家的角度来说，铅笔画的不同区域应该使用不同的纹理来表达，对于一幅图像而言，用计算机模拟生成的铅笔画效果图的明暗区域应与原图像的明暗区域相对应，同时还应表现出铅笔画的纹理走向。这就要求借助计算机来生成铅笔画的过程中要考虑到这一点，但又不能过于追求纹理和明暗区的全面，否则会使生成的图片过于凌乱，不易突出重点。

二、研究的目标、内容和拟解决的关键问题

研究目标：
本课题主要研究计算机图形学中的铅笔画仿真，用USM锐化原图替代白噪声图，用运动模糊方法代替线积分卷积（LIC）的输入，运用Matlab里的基础函数来简化铅笔画的生产方法。

关键问题：
在观察艺术家绘制铅笔画的过程中发现，铅笔画的构图在于三个部分，一是轮廓，二是内部纹理生成，三是明暗区。其中明暗区的处理多种多样，而目前纹理的生成，人们普遍采用线积分卷积(line integral convolution, LIC)方法模拟铅笔画的局部走势纹理，该技术是Cabral等于1993年首次提出的，是一种基于纹理的向量场可视化技术，通过生成的局部流线与对应的噪声点进行卷积，来模拟铅笔画的效果。但逐点做卷积运算需要耗费大量的时间，而且细微到每一个像素的纹理方向都需要考虑是没有必要的。通过大量的实验发现基于滤波思想在用户自定义的方向上进行模糊处理产生的纹理效果类似于铅笔笔画纹理，所以本文首次提出对锐化后的图像进行运动模糊来模拟铅笔画的纹理。

三、研究方法(技术路线、实验方案)及可行性分析
技术路线：
在观察艺术家绘制铅笔画的过程中发现，铅笔画的构图在于三个部分，一是轮廓，二是内部纹理生成，三是明暗区。通过资料收集和调查研究，认真研究以上三个部分的模拟方法和实现的算法来设计过程，做出可行的研究方法、实验方案，并配合着适当的上机实践操作来研究。

实验方案：
1、查阅和本课题有关的多种材料
2、掌握Kirsch边缘检测算法、USM锐化处理、运动模糊
3、利用网络、图书馆等查阅相关文献，了解国内外对铅笔画仿真算法对本课题的研究情况
4、利用MATLAB编写部分算法，配合课题的研究

可行性分析：
图形学中, 关于铅笔画仿真，已经有许多算法提出了，本文主要针对简化铅笔画的仿真过程进行了分析和研究。本课题是基于图形学课程中铅笔画仿真的相关知识，进行简化，难度适中，符合本科生的水平，并由专门老师进行指导，涉及的研究内容可以在规定的时间内完成。
1.
四、研究进度计划

2010年12月-2011年2月： 拟定论文题目，确定论文研究的方向和内容。
2011年2月-2011年3月： 针对研究的具体问题,利用网络资源和图书馆资源，搜索论文资料、文献。
2011年4月初-20011年4月：确定论文设计思路，初步定稿,完善论文。
2011年4月末-5月初： 完善论文，完成论文。
指导教师评语:

签字:

年 月 日
学院教学指导委员会意见:

签字:

年 月 日

辽 宁 师 范 大 学
本科生毕业论文（设计）评阅教师评阅意见

姓 名
柳永林
学号
20071807010026
所学专业
计算机科学与技术（师范）
题 目
一种铅笔画仿真新方法
评语内容：
1. 论文（设计）选题是否符合专业培养目标并有一定的意义；2.运用中外文献是否充实、全面、理解是否准确；3.研究方法是否得当，数据是否可靠；4.是否论点明确、论证充分、有自己的观点并有一定的创新性；5.结构、语言、图表等是否符合写作规范。

评语：

评定意见：是否同意参加毕业论文（设计）答辩 □同意 □修改后同意 □ 不同意
评阅人（签字）：
职称

年 月 日
注：评定意见请在相应选项前打√
辽宁师范大学本科生毕业论文(设计)答辩记录
姓名
柳永林
学号
20071807010026
专 业
计算机科学与技术（师范）
参加答年辩人数

答辩小组成员名单：
题目：一种铅笔画仿真新方法
答辩时间
年 月 日 点 分至 点 分
答辩地点

答

辩

记

录

记录人（签字）：
答辩小组组长（签字）：
答

辩

记

录

记录人签字：

答辩小组组长签字：
辽宁师范大学本科生毕业论文(设计)考核表
学 院
计算机与信息技术学院
专业
计算机科学与技术（师范）
总评成绩
等级

姓 名
柳永林
学号
20071807010026
指导教师
唐棣
职称
教授
分数

题目：一种铅笔画仿真新方法

成绩（分数）

指导教师评语：

指导教师（签字）：
年 月 日
成绩（分数）

答辩小组评语：

答辩小组组长（签字）：
年 月 日
答辩委员会意见：

答辩委员会主任（签字）：
年 月 日
注： 1.成绩按百分制计算。 2．总评成绩等级按“优秀、良好、中等、及格、不及格”五级制记录；总评成绩分数=指导教师评定分数×40% + 答辩小组评定分数×60%。 3．答辩小组负责计算总评成绩并登记分数，在评语中要给出结论。
辽宁师范大学本科生毕业论文（设计）指导记录
学 号
20071807010026
姓 名
柳永林
题 目
剪纸图案设计方法研究与实现
指导时间
指 导 内 容
教师签字
2010/9/13
与学生见面，确定论文题目，解释论文题目，互留联系方式。

2010/12/6
讲解论文撰写思路，要求同学广泛搜集资料，确定论文框架思路。

2010/12/22
要求同学制定毕业论文撰写计划进程表，合理安排时间。

2011/3/2
对开题报告、文献综述的撰写方法提出指导意见。

2011/3/14
对近一段时间在文字撰写、程序编写方面遇到的困难进行解答。

2011/3/23
对学生提交的开题报告、文献综述进行批阅，提出修改意见。

2011/3/28
对学生提交的过程材料进行审阅、定稿。

2011/4/8
下达毕业论文任务书，并在构思论文的框架、行文及思想表达上给予补充意见。

学院 计算机与信息技术学院 专业 计算机科学与技术（师范）
第（1）页

指导时间
指 导 内 容
教师签字
2011/4/13
对程序设计方面给予疑难解答，了解学生论文撰写的进度。

2011/4/25
审阅论文初稿，作出修改，提示论文观点存在的问题，调整文章布局，在行文、语言表达上提出观点，在格式方面做出要求。

2011/5/9
检查毕业设计程序代码，给予疑难解答。

2011/5/11
审阅论文成稿及程序设计的最终成果，下达答辩分组安排。

2011/5/16

通知程序检查时间及答辩时间。

2011/5/18
对答辩时应注意的事项提出建议，打印并装订论文和过程材料。

注：本表在毕业论文（设计）工作结束后由学院存档。

第（ ）页