摘  要： 通過分析手工染色剪紙的特點(diǎn),，提出一種染色剪紙效果仿真方法。該方法借鑒粒子系統(tǒng)基本概念,，應(yīng)用紋理映射技術(shù)建立染色畫筆模型,，對剪紙圖案進(jìn)行染色，畫筆的起落及走向分別由鼠標(biāo)按鍵和移動方向控制,，通過設(shè)置畫筆參數(shù),，可以得到不同的染色效果。應(yīng)用基于紋樣的剪紙圖案設(shè)計方法為染色剪紙?zhí)砑迂S富的紋樣,。最后將紙紋理的干擾作用考慮進(jìn)去,，得到更加逼真的仿真結(jié)果。實驗結(jié)果表明,，該方法較成功地模擬了染色剪紙效果,。
關(guān)鍵詞： 非真實感繪制；彩色剪紙,；染色剪紙,；粒子系統(tǒng)

　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，彩色剪紙的發(fā)展非常迅速,，一些新型的彩色剪紙藝術(shù)也隨之出現(xiàn),。從其表現(xiàn)形式上大致可將彩色剪紙分為染色剪紙、襯色剪紙,、斗色剪紙,、拼貼剪紙、勾色剪紙、分色剪紙,、噴色剪紙,、掛歷剪紙等8種，每種形式都有自己的獨(dú)到之處,。
　在非真實感繪制NPR(Non-Photorealistic Rendering)領(lǐng)域中,，彩色剪紙的仿真研究是一個嶄新的課題，這對弘揚(yáng)中國民族文化及使中國傳統(tǒng)剪紙藝術(shù)走向大眾,、走向世界具有積極意義,，與此同時也推動了計算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展。由于彩色剪紙的形式和做法種類繁多,，不同的形式具有不同的藝術(shù)效果,，本文主要針對染色剪紙的特點(diǎn)對其進(jìn)行模擬。
1 染色剪紙及其特點(diǎn)
　非真實感繪制在模擬染色剪紙藝術(shù)效果之前,，最主要的工作是熟悉傳統(tǒng)染色剪紙的制作過程和基本特征，這樣有利于將其特征效果程序化,。染色剪紙[1](也稱為點(diǎn)色剪紙)是剪紙藝術(shù)中應(yīng)用較為廣泛的一種表現(xiàn)方法,，基本的制作過程是：用生宣紙刻出陰刻主稿，然后用毛筆分別將不同的顏色點(diǎn)染到剪紙上,。如果只染一張,，使用水彩染料即可；如果張數(shù)較多,，可用品色加白酒來點(diǎn)染(加入白酒是為了便于顏色滲透),，然后再用黑色顏料加重需要突出的部位，以拉開色彩的黑白灰關(guān)系,，配色原理如同水彩,、水粉畫調(diào)色。染色剪紙的制作過程及材料決定其基本特征：(1)毛筆在生宣紙上染色時,，染料在生宣紙內(nèi)部發(fā)生自由擴(kuò)散,，形成明顯的擴(kuò)散效果；(2)由于是在已經(jīng)剪好的陰刻主稿上進(jìn)行染色,，而染料在擴(kuò)散的過程中,，遇到主稿邊界而不再繼續(xù)擴(kuò)散，形成輪廓清晰,、邊界分明的效果,；(3)剪紙紋樣的多樣性，通常由月牙紋,、朵花紋,、鋸齒紋等裝飾紋樣進(jìn)行裝飾。此外，染色剪紙色彩強(qiáng)烈,、鄉(xiāng)土味濃厚,、裝飾性強(qiáng)，把我國傳統(tǒng)剪紙的精髓,、中國畫的潑染技法及現(xiàn)代裝飾理念融為一體,，使我國的剪紙藝術(shù)更具魅力。
2 相關(guān)工作
　隨著計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,，人們對非真實感繪制技術(shù)進(jìn)行了大量的研究,，一些NPR技術(shù)模擬傳統(tǒng)的藝術(shù)媒介如鉛筆畫、鋼筆畫等都取得了很好的效果,，但尚未見到有關(guān)計算機(jī)仿真彩色剪紙的文獻(xiàn)報道,。 由于染色剪紙與水墨畫和水彩畫在制作材料、配色原理及潑染技法等方面具有相似性,，因此,，計算機(jī)仿真水墨畫和水彩畫的一些方法對模擬染色剪紙藝術(shù)有借鑒意義。
　石永鑫等人通過深入分析水墨畫繪畫材料及相互作用關(guān)系,，提出一種基于粒子系統(tǒng)的仿真模型體系[2],，較成功地模擬了水墨畫的典型效果；張海江等人根據(jù)水墨在宣紙上擴(kuò)散后會出現(xiàn)較明顯的具有自相似性的輪廓線這一特點(diǎn),，提出一種應(yīng)用分形思想仿真墨擴(kuò)散輪廓的方法[3],；唐棣等人提出一種基于遺傳算法的墨擴(kuò)散效果仿真方法[4]，對原始筆跡進(jìn)行初始種群產(chǎn)生,、二進(jìn)制編碼,、基因變異等遺傳操作，初步完成了筆跡擴(kuò)散的仿真,；Cassidy等人提出了三層淺水模型使水彩擴(kuò)散仿真[5]取得了不錯的視覺效果,。
本文在深入分析染色剪紙?zhí)攸c(diǎn)的基礎(chǔ)上，借鑒水墨,、水彩畫的仿真方法,，將粒子系統(tǒng)的思想應(yīng)用在染色剪紙的仿真研究中。
3 染色剪紙仿真系統(tǒng)
　根據(jù)傳統(tǒng)染色剪紙的特點(diǎn),，同時考慮生宣紙紋理等因素,，本文應(yīng)用基于粒子系統(tǒng)的方法來模擬染色剪紙效果，其基本流程如圖1所示,。首先繪制出染色剪紙圖案的邊緣,，并將邊緣信息存放在數(shù)組中，以便于在染色時判斷當(dāng)前位置是否為圖案邊緣,；再用具有擴(kuò)散效果的染色畫筆對圖案內(nèi)部進(jìn)行染色,；然后采用基于紋樣的剪紙圖案設(shè)計方法[6-7]導(dǎo)入特征紋,、裝飾紋等，對已經(jīng)染色的剪紙圖案進(jìn)行裝飾,；最后加入生宣紙紋理,，使得最終生成的染色剪紙效果更加逼真。

3.1 粒子系統(tǒng)
　REEVES在1983年提出的粒子系統(tǒng),，是一種有效模擬不規(guī)則模糊物體的生成方案,，它采用統(tǒng)一的模式來生成諸如煙火、雨雪等具有不規(guī)則形狀的自然現(xiàn)象,，也可以用來模擬火焰,、瀑布、煙霧等柔性物體,。
在粒子系統(tǒng)中,，物體通常被定義為由成千上萬個不規(guī)則的、隨機(jī)分布的粒子所組成,。每個粒子可以根據(jù)實際需要擁有顏色,、形狀、位置,、大小,、生命值、透明度等屬性,。而且每個粒子都要經(jīng)過產(chǎn)生、衰減,、死亡三個階段,，在每個階段各個粒子的屬性都會隨時間不斷變化，充分體現(xiàn)不規(guī)則物體的動態(tài)性和隨機(jī)性,。
3.2 基于粒子系統(tǒng)的染色畫筆模型
　本文借鑒粒子系統(tǒng)的基本概念建立染色畫筆模型,，用來模擬染料在生宣紙上擴(kuò)散的效果，將畫筆筆跡視為由成千上萬個粒子組成的集合,。
3.2.1 染色畫筆繪制過程
　考慮到手工染色的主觀性,，利用鼠標(biāo)控制染色畫筆在繪制好的圖案內(nèi)部染色。當(dāng)鼠標(biāo)左鍵按下時染色開始,，鼠標(biāo)左鍵按下的位置決定初始粒子的位置,，在鼠標(biāo)移動的過程中，系統(tǒng)會根據(jù)鼠標(biāo)的位置不斷加入新的粒子,。鼠標(biāo)左鍵抬起或者當(dāng)鼠標(biāo)移動到圖案的邊緣時,，染色結(jié)束?；诹Ｗ酉到y(tǒng)的染色畫筆繪制過程如圖2所示,。

　當(dāng)使用鼠標(biāo)控制染色畫筆在繪制好的剪紙圖案的邊緣部分染色時，粒子可能會擴(kuò)散到剪紙邊緣的外面，從而使得染色剪紙圖案邊緣模糊,，不能逼真地模擬手工染色剪紙邊界分明的效果,。因此，在粒子系統(tǒng)中加入新的粒子前,，要判斷鼠標(biāo)的位置是否為剪紙圖案的邊緣,，如果鼠標(biāo)移動到圖案的邊緣，則應(yīng)終止染色過程,。
3.2.2 粒子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　染色過程中,，由于染料主要是在紙的內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散滲化，因此水的流動不只是靠重力作用,，更主要的是紙纖維的吸水作用和染料的粘附作用,，進(jìn)而產(chǎn)生擴(kuò)散紋理。因此,，這些效果的產(chǎn)生除了與染料的濃度(顏色的深淺)有關(guān)外,，還與紙纖維的吸水性、用筆的角度以及紙紋理的情況有關(guān),?；谝陨戏治觯疚膶⒘Ｗ拥膶傩?包括坐標(biāo),、顏色,、大小、生命值等)用如下的結(jié)構(gòu)來表示：
　Struct CParticle{
　float x,；//粒子的X坐標(biāo)
　float y,；//粒子的Y坐標(biāo)
　float size；//粒子的大小
　float color[3],；//粒子顏色
　float life,；//粒子生命值
　float alpha；//透明度
　},；
　由于系統(tǒng)是可交互的,，粒子的屬性值可以由用戶指定，用戶可以通過移動鼠標(biāo)來確定粒子的位置,，也可以通過相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置粒子的大小,、顏色、生命值及透明度等屬性,。
3.2.3 粒子的繪制
　在繪制粒子時,，通過OpenGL紋理映射技術(shù)來表現(xiàn)粒子的外表，這是增強(qiáng)真實感的簡單有效手段,，不同的物體有著不同的粒子外表,，如球形,、圓形、四邊形,、三角形等,。本系統(tǒng)采用的圖元結(jié)構(gòu)是具有大小和紋理的正方形圖元，為每個粒子圖元貼上紋理圖,，不同的紋理圖產(chǎn)生不同的效果,。由于染色畫筆要模擬染料在紙上“洇”的效果，因此,，采用如圖3所示的紋理圖表示,，圖4為染色畫筆典型筆跡。

3.3 參數(shù)設(shè)置和效果對比
　在手工制作染色剪紙過程中,，具有各種各樣復(fù)雜的效果,，所以必須根據(jù)實際情況歸納出一些參數(shù)，這些參數(shù)通過改變粒子屬性值來實現(xiàn)最終的效果,。下面介紹實現(xiàn)染色剪紙效果的主要參數(shù)設(shè)置情況,。
3.3.1 吸水性
　由于制作染色剪紙的材料主要是生宣紙，而生宣紙的吸水性和洇水性都很強(qiáng),，易產(chǎn)生豐富的墨韻變化,，形成水暈?zāi)隆喓袢A滋的藝術(shù)效果,。生宣紙的吸水性決定了水在生宣紙上的擴(kuò)散范圍,，在仿真模型中用粒子的生命值來表示，用戶可以根據(jù)不同的需要對該參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,。生命值(life)越大,，水在紙上的擴(kuò)散范圍越大，水暈效果越明顯,，如圖5所示。

3.3.2 染料濃度
　在染色剪紙制作過程中,，濃淡效果由染料的調(diào)和比例決定,，本文采用透明因子來表示染料的濃度。透明因子值越大表示染料濃度很淡,；否則,，表示其越濃。具體效果如圖6所示,。

3.3.3 紙紋理
　傳統(tǒng)的手工染色剪紙是在用吸附能力強(qiáng),、表面粗糙的生宣紙剪刻的陰刻主稿上進(jìn)行染色，因此,，為了能夠更加真實地仿真染色剪紙效果,，需要將紙紋理的干擾因素加進(jìn)去,。
　本文利用圖像融合[8]的方法將紙張紋理圖和仿真結(jié)果融合在一起。主要過程是：將仿真結(jié)果圖像與紙張紋理圖相對應(yīng)像素根據(jù)特定參數(shù)κ進(jìn)行融合,，不同參數(shù)將得出不同的融合效果,，其效果圖如圖7所示。該方法使用基于像素級融合的融合方法,，能夠保留盡可能多的圖像信息,，精度比較高，使得彩色圖能比較自然地過渡到紙張紋理圖上,，達(dá)到一種彩色圖像在紙張上繪制的效果,。  
　從圖7中可以看出，當(dāng)κ=0.002時,，宣紙紋理特征不夠明顯,，如圖7(c)所示；當(dāng)κ=0.003 5時,，紋理效果明顯,，如圖7(d)所示；當(dāng)κ=0.005 5時,，筆跡顏色失真,，如圖7(e)所示。

　本文在深入分析染色剪紙?zhí)攸c(diǎn)的基礎(chǔ)上,，通過大膽的想象和嘗試,，借鑒水墨、水彩畫的繪制方法,，將粒子系統(tǒng)基本思想與染色剪紙的特點(diǎn)相結(jié)合,，嚴(yán)格按照染色剪紙?zhí)赜械男再|(zhì)進(jìn)行模擬，實現(xiàn)了邊緣平滑,、顏料的擴(kuò)散,、紙張紋理等效果，一幅完整作品如圖8所示,。實驗結(jié)果表明,，該方法較成功地模擬了染色剪紙效果。今后的工作是對其他形式的彩色剪紙進(jìn)行仿真研究,，根據(jù)不同形式彩色剪紙的特點(diǎn),，利用圖像處理等方法生成不同的效果。

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