颜色一致性保持的彩色铅笔画生成技术

作     者：袁芬 

作者单位：华南农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王栋

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：彩色轮廓提取 色调渲染 全局信息 彩色铅笔画 颜色一致性 

摘      要：彩色铅笔画绘制是非真实感渲染中的一个重要的研究方向。彩色铅笔画绘制可自动地将一幅自然图像转换为铅笔画的艺术效果,其在电影及社交媒体等领域均有广泛的前景及用途。然而,现有算法生成的彩色铅笔画仍存在一些问题:（1）轮廓线条不够突出,且有缺失;（2）画面细节不够丰富,无法很好地展示出原图的层次感;（3）轮廓颜色与主体颜色不匹配;（4）色调过饱和,且存在整体色调不和谐的情况。根据上述问题,本文提出一种颜色一致性保持的彩色铅笔画生成技术。该技术分别提取图像的轮廓和色调,将色调进行纹理渲染后,再与轮廓图相结合得到最终的结果图。轮廓提取时,对轮廓的线条和颜色这两个关键因素分别处理。考虑到铅笔画绘制轮廓时边缘强的地方轮廓粗且灰度值比较深,而边缘弱的地方轮廓细且灰度值比较浅,这正好和图像的梯度一致,故本文利用图像的梯度算子对图像轮廓进行提取。但在计算图像的梯度值时,非边缘位置也有可能存在比较大的值,为了去除此类噪音,本文利用Canny边缘检测算子膨胀后作为掩膜作用于梯度图,使其可以在保持边缘处梯度的灰度值和宽度的同时去除非边缘噪音。轮廓的颜色取图像中对应物体的颜色,但作为两个物体边缘的轮廓对应的像素在取颜色值时两个物体颜色都可能被取到。而在铅笔素描面时按照由远及近的绘制方法,边缘处应是前景物体的轮廓,对应于前景物体的颜色。故本文利用一种基于显著度的深度图,像素的显著度越大,对应的深度值越小,将边缘附近深度值大的像素颜色都设为附近深度值小的像素（前景物体）对应的颜色,达到对两物体边缘处的颜色与前景物体颜色一致的效果。色调提取时,考虑到画家所绘制的铅笔画底色通常比实际的画面亮度更高的特点,本文以YUV颜色空间的Y分量作为处理对象,对原图中的每个像素,用其Y值除以其局部区域的最大Y值作为转换后的亮度值。这种局部处理方法提高了整个画面的亮度值,在大部分情况下转换效果也比较理想,但对某些特殊边缘和亮度低区域处理效果不大理想。如果某边缘两侧的亮度值相差比较大,将导致亮度值小的一侧调整后亮度更暗。亮度低区域相反,由于原图中整个亮度低区域区亮度值都比较小,转换后亮度值则变得很大。对这些因为局部处理导致的问题,本文基于两个方面从全局优化:1)原图中亮度值相同的像素转换后也应该相同,由于边缘的问题值偏小,亮度低区域的问题值偏大,故中间值是一个相对比较理想的选择;2)原图中亮度值相似的像素转换后也应相似,这一方面可以使整个亮度值变得光顺,另一方面由于大部分亮度值转换后都比较理想,还可以矫正那些非正常的亮度值。色调纹理渲染,考虑艺术家在绘制铅笔画的过程中,往往通过在同一地方反复涂画来形成背景纹理,为模拟这一过程,本文将背景纹理图经多次区域渲染,使其近似于色调图。与相关算法的实验对比和分析表明,本文算法生成的铅笔画轮廓线条相对更清晰完整,颜色和对应物体也更匹配,整幅图像色调更协调,接近真实铅笔铅笔画的底色。