基于笔纸墨物理属性的毛笔书法仿真

基于笔纸墨物理属性的毛笔书法仿真 第 , 卷第 , 期 , 计算机辅助设计与图形学学报 , (,, ( , ,, , , ,, 年,月 ,, , ,, , , ,, ,, ,, , , , ,,, , ,; , , ,,, ,, , ,, ,,,,, , , , , ,, ,,,, , , ( ,, ,, , , 基于笔纸墨物理属性的毛笔书法仿真陈海强, , ，罗健飞, , , ，温国华, ，吴仲城, , ，) ， ，) ) ),) 中国科学院合肥物质科学研究院智能机械研究所 ( 合肥 , , , ) ,,,,) 中国科学技术大学自动化系 ( 合肥 , , , ) ,,,,) 中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心 ( 合肥 , , , ) ,,, ; ？,,, , , ; ) (,, ,, ( , 摘 要:为了更真实地模拟毛笔书法独特的艺术效果， 通 提出 一 种 基 于 笔 纸 墨 物 理 属 性 的 毛 笔 书 法 仿 真 方 法 ( 过 分 析笔纸墨在书写过程中的相互作用， 建 提 提取笔 纸 墨 中 与 书 法 效 果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达 相 关 的 物 理 属 性 ， 立 简 化 的 数 学 模 型， 出 墨 水十字扩散算法; 省 实 利用 , ,,,采集的手写信息生成仿 真 过 程 中 的 参 数， 去 了 烦 琐 的 参 数 设 置 过 程 ( 验 结 果 表 ,, ,, 明，该方法在计算机中再现了人们毛笔书法的创作过程，可以达到逼真的毛笔书法仿真效果 ( 关键词:毛笔书法;笔触区域;墨水扩散; ,, ,, , ,,, 中图法分类号: , , , , , ,(, ,, , ,, ,,, ,, ,, , ,, , , ,, ,,, ,, ,, , ， , , , , ; ,,, ,, ,, ,,, , ,,, , , ,,, ,, , ,,, , ,, , , ,, , ,, ,， , ，) ， ，) ) ), , ,？, , , ， , ,,, , , ，, , , , , , ， , ,,, , , , , , , , , , ,,, , , ,, ,,, , , , , , , , , , ; , ,,)( , , , , , ) ，, ,, ,, ,, ,,,,， ,,, , , ,, ,,,，, ,, , , , , , , , ; , ; ,, ,, ,， , , ,,, ;,, , ,,,, , , , ,;,)( , , ,,, , ,; , , ,, ,, , ,, , , , , , ) , , ,, , ,, ,,,， ,,,,,, ,,,, , ; ,,, ,, ，, ,, , , , , , ,, ,, , , , , , , , ; , , ,,)( , , , , , ) , , , ,, ,, ,,,,,， ,,, , , ,, ,,,，, ,, , , , , , ; , ; , , , , , ;, , , ,,,, , ,,,, , , , ,; ,, ; : ,,, , , ， , , , , ， ,; ,,,,, , , ,,, ,, ,, , , ， , , , , , , ,, ， ,,, ,, ,, , ,, , , ,,, ,, ,, ,,, , ,, , ,, ,, , , ,,, , ; , ,,，, ,, , ;, ,,, ,, , ,, ,, ,; ,,, , ,,, , , ,,, , ,, , ,; , , , ,,, ,, ,,, ,,, ;,, ,,, ,, ,,,,, ,, , ( ,,, , ,, ,, ,,, , , , , , , , , , , ,,,,, , , , ,, , , ,,;, ,, ,,,, , ,,; , , , , , ， , , , , , , ,;, ,, , , , , , , , ,,, , , , , ,,, ,, ,,,,, ,,,, , ,,,, ,, , , ,, , , ,, , , , , ,, ,,,, , , , , , , ,, ,, , , , , , , ,,, ;,,, , , , ,, , , ,, , ,;, (, , , ,, , , , , , ,,, , ,, ,, , , ,, , , , , , ,, , , , ,, , , ,,, ,(, , ,, , ,, , , , ,, , ,, , , ,, ,, ,, , ,, ,, , , , , , ,, , , , ,, ,,, ,, ,, ,, , ,,, , , , , ,, ,, , , , , , ,, , , , ,, ,,,,, , ,, , (, ,,, ,, ,,, , , ,,,, , ,,, , ,, , ,, , ; , , ,, , ,, , ,,, , , ,, ,,,,,, , , , , ,, , ,,; , ,, , ,,, ,, , , ,, , ,;, ,, ,,,,, ,, , ,, ,; , ,, , ;,, ,, , ,, , ,; ( , , ,, , , , ;,, ,,,,,, ,,, , ,,, ,, , , , ,,, ,,,,,,, , ;,, ,, ,, ,, , ,, : ,,, , ,,, , ; ,,, ,, ,,, ,, ; ,, ,, , ,, ,, , ,,,;, ,, , ; , ,; ,,,;, ,,,, , ,,, , , , , 古往今来，文人墨客无不喜欢“挥毫泼墨” 借助 ， 定了毛笔书法仿真的难度很高 (计算机中毛笔书法的毛笔来传情达意， 要 是 因 为 毛 笔 字 具 有 极 强 的 表 主 仿真基本都是通过对笔墨纸砚进行建模来实现的 (现力， 在 能产生丰富 的 视 觉 效 果 ( 中 国 传 统 文 化 中， 毛笔书法艺术是中国传统文化的重要组成部 墨、 砚并称“ 房 四 宝” 是 基 本 的 书 写 材 料 (笔、 纸、 文 ， 分，为了在计算机中传承毛笔书法的艺术形式，已经毛笔书法的表现力主要依赖于毛笔笔毫形态的复杂 在 有很多研 究 者 进 行 相 关 的 研 究 ( 毛 笔 建 模 方 面，多变性，以及墨水在纸张上扩散的不确定性，这也决 ,,, , , , 最早在 , , 年 提 出 二 维 虚 拟 画 笔 模 ,,, , , 〔〕 ,, , , , , , 修回日期:, , , , ,( 收稿日期:, , , , ,; 国 ,,,, ) 陈 ， 硕 主 , , , , , 基金项目: 家 自 然 科 学 基 金(, , , , ( 海 强 (, ,—) 男， 士， 要 研 究 方 向 为 数 ,,字纸张技术和笔式交互;罗健飞(, ,—) 男， ,, ， 博士，主要研究方向为笔式 交 互、 入 式 力 触 觉 装 置 设 计 和 传 感 网 络 ; 国 华(, ,—) 女，, , 嵌 温 ,, ， ,,年生，硕士研究生，主要研究方向为数字纸张技术和笔式交互;吴仲城(, ,—) 男， ,, ， 博士，研究员，博士生导师，论文通讯作者，主要研 究 方 向 为笔式交互、手写签名和机器人感知系统等 ( 第,期 等: 陈海强， 基于笔纸墨物理属性的毛笔书法仿真 ,, ,,型，较好地模拟 出 画 笔 的 笔 画 (, 〔 〕在 ,,, , , , ,, ,,, , ,的模型基础上，基于弹性力学理论，以弹簧的物理性 , 笔纸墨的物理属性质来计算笔毫的形 变， 在 笔 毫 被 下 压 时 改 变 其 位 并置和方向来形成整 个 笔 头 分 岔 开 来 的 效 果， 立 了 建 笔、 纸、 毛 中国传统文化 中， 墨、 砚 为 一 体， 笔 书一个 三 维 毛 笔 模 型 ( 晓 峰 等 宓 , 摒弃了毛笔的真实 〔〕 法仿真的过 程 中 需 综 合 考 虑 这 , 个 文 书 工 具 的 作物理模型，用参数化 的 “ 滴” 型 来 模 拟 纸 面 和 毛 雨 模 用; 砚” 其中“ 是一种调整墨水颜色和储墨工具，本文 把它归到墨水的属性中，主要对笔纸墨进行分析 (笔之间的接触区域， 实 际 书 写 中 的 运 笔 经 验 驱 动 以 , 毛 毛笔书法效果的 形 成 可 分 成 , 个 阶 段: ) 笔模型，简化了参数设置和运算 ( 将 笔毫与纸张表面接 触， 墨 水 驻 留 在 纸 张 表 面 形 成 在纸墨建模方 面， , 等 〔 〕提 出 了 第 一 个 二 维 ,, , ,墨 笔迹的骨架; ) 水 在 自 身 重 力 和 纸 张 吸 收 力 的 作纤维结构的纸模型，将纸平面划分成多个小区域，各 形 在 这 用下发生流动， 成 墨 水 扩 散 效 果 ( 本 文 中， ,个小区域内则分布大量具有随机方向的曲线以模拟 个阶段分别通过连续采样点间笔迹填充和墨水十字 余纤维 束 ( 斌 等 〔 〕提 出 了 一 种 基 于 物 理 建 模 的 仿 真 , 扩散算法来实现 (方法， 实 通过 对 纸 张 纤 维 分 布 随 机 性 的 模 拟， 现 了 ,( 毛笔的物理属性 , “ 和 粒状现象” 不 规 则 扩 散 边 缘 的 仿 真 (, , 等 〔 〕 , ,, , 人 在书 写 的 过 程 中， 们 通 过 对 笔 的 控 制 完 成 随 纸提出用二维元胞自 动 机 计 算 模 型 来 模 拟 墨 水、 张 意的书写，因此在仿真毛笔书法时，对毛笔的分析至和笔刷的行为，较好地实 现 水 墨 画 效 果 的 仿 真 ( , ,, 关重要，其中毛笔与 书 写 相 关 的 属 性 有 笔 触 区 域 和等 通过在毛笔上添加传感器来捕捉真实毛笔的动 〔〕 , 相邻采样点间笔迹填充 (作，进行笔迹的模拟，利用格子玻尔兹曼方程来模拟 ,( , 笔触区域 ,(墨水在纸张上的扩散 ( 只 本文采用基于 经 验 〔 〕模 拟 的 方 法， 考 虑 笔 尖 , 这些工作都在毛笔书法或水墨画仿真上取得了 与纸面接触区 域 的 形 状— —笔 触 区 域， 用 笔 触 区 — 并很好的成果，但也 存 在 一 些 问 题 ( 先， 乏 合 适 的 首 缺 域来描绘笔画 ( ,)笔触区域的形状手写数据采集设备，交互性较差;手写数据主要是通 毛笔笔毫与纸面接触的笔触区域主要可以分为 用过直接参数设置、 鼠 标 或 在 真 实 毛 笔 上 安 装 传 感 , 湿笔 笔 触 区 域 ( 笔 毫 上 的 墨 水 充 足 时， , 种: ( 当 笔 大 其器 〔 〕等方式来获 取， 大 降 低 了 书 写 的 体 验 ( 次， , 毫抱成一团，此时的笔触 区 域 如 图 , 所 示; 枯 笔 , ,(模型操作烦琐，计算过于复杂;这些模型都需要设置 笔触区域 (当笔毫上的墨水不足时，笔毫在压力的作 通 再大量的参数， 过 复 杂 的 计 算， 渲 染 生 成 书 画 效 用下出现了 分 叉 的 现 象， 时 的 笔 触 区 域 如 图 ,, 此果，不符合书法创作过程的实时性要求 ( 所示 (针对这 , 种笔触区域，本文在计算机中仿真湿 并 本 文 总 结 前 人 的 研 究 成 果， 针 对 其 存 在 的 问 笔和枯笔的笔触区域如图 , 所示 (题，创新地提出基于 笔 纸 墨 物 理 属 性 的 毛 笔 书 法 仿真方法 (该方法模拟 的 毛 笔 书 写 操 作 与 传 统 的 书 写体验一致，书写效果逼真，且满足所写即所见的书法仿真实时性的要求 ( , 的 本 与文献〔 〕 方 法 不 同， 文 采 用 , ,,, 作 ,, ,, 以为手写数据采集工 具， 获 取 三 维 力 等 手 写 信 息 并 省生成仿真过程中的 参 数， 去 了 烦 琐 的 参 数 设 置 过程，书写真实感强，操作自然 (同时，本文分析笔纸墨 提在书写过程中的相 互 作 用 关 系， 取 笔 纸 墨 中 与 书法效果表达相关的物理属性，建立简化的数学模型， 降在不损失书法仿真 效 果 的 前 提 下， 低 了 仿 真 的 计 ,)笔触区域的缩放与旋转算复杂度，达到了实时交互的目的，并且能够比较好 笔 毛笔 的 运 笔 过 程 如 图 , 所 示， 触 区 域 的 大 小地模拟毛笔书法特有的效果，如枯笔、晕化等 ( ,, ,, 计算机辅助设计与图形学学报 第, 卷 , , 墨水的吸收作 用 (紧度表示纸张的松紧程度，纸张对由书写力 中 的 , 决 定， 缩 放 因 子 ,, , ， , 是 , 其 , ,, 紧 墨水的吸收能力与 纸 张 的 紧 度 有 密 切 的 关 系: 度 同 笔缩放因子比 例 常 量; 时， 毫 被 , 与 ,, 的 合 力 , 越大， 纸 反 墨水扩散越 慢， 张 吸 收 的 墨 水 量 越 大; 之,, 牵引着移动， , 笔尖 到 笔 腹 的 方 向 与 , , 的 方 向 一 , 亦然 (致， 笔触区域的旋转角度θ 等于,, 偏离,, 的角度 ( , ,( , 二维紧度纸张结构 ,( 文献〔 〕 , 采用二维元胞自动机来表示纸张，元胞 数量较多，计算复杂度较高 (出于仿真计算普及性和 实时性考虑，本文采 用 简 单 的 二 维 紧 度 来 构 建 纸 张 结构，如图 , 所示，其中紧度的值服从均匀分布 , .