摘  要： 通過(guò)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(huà)筆模型，對(duì)剪紙圖案進(jìn)行染色，畫(huà)筆的起落及走向分別由鼠標(biāo)按鍵和移動(dòng)方向控制，通過(guò)設(shè)置畫(huà)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(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)感繪制NPR(Non-Photorealistic Rendering)領(lǐng)域中，彩色剪紙的仿真研究是一個(gè)嶄新的課題，這對(duì)弘揚(yáng)中國(guó)民族文化及使中國(guó)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(shí)也推動(dòng)了計(jì)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(duì)染色剪紙的特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行模擬。
1 染色剪紙及其特點(diǎn)
　非真實(shí)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(guò)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(guò)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(lái)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(kāi)色彩的黑白灰關(guān)系，配色原理如同水彩、水粉畫(huà)調(diào)色。染色剪紙的制作過(guò)程及材料決定其基本特征：(1)毛筆在生宣紙上染色時(shí)，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(guò)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(guó)傳統(tǒng)剪紙的精髓、中國(guó)畫(huà)的潑染技法及現(xiàn)代裝飾理念融為一體，使我國(guó)的剪紙藝術(shù)更具魅力。
2 相關(guān)工作
　隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)非真實(shí)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(huà)、鋼筆畫(huà)等都取得了很好的效果，但尚未見(jiàn)到有關(guān)計(jì)算機(jī)仿真彩色剪紙的文獻(xiàn)報(bào)道。 由于染色剪紙與水墨畫(huà)和水彩畫(huà)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(jì)算機(jī)仿真水墨畫(huà)和水彩畫(huà)的一些方法對(duì)模擬染色剪紙藝術(shù)有借鑒意義。
　石永鑫等人通過(guò)深入分析水墨畫(huà)繪畫(huà)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(huà)的典型效果；張海江等人根據(jù)水墨在宣紙上擴(kuò)散后會(huì)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(duì)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(cuò)的視覺(jué)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(huà)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(shí)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(lái)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(shí)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(huà)筆對(duì)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(jì)方法[6-7]導(dǎo)入特征紋、裝飾紋等，對(duì)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(lái)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(lái)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(wàn)個(gè)不規(guī)則的、隨機(jī)分布的粒子所組成。每個(gè)粒子可以根據(jù)實(shí)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(gè)粒子都要經(jīng)過(guò)產(chǎn)生、衰減、死亡三個(gè)階段，在每個(gè)階段各個(gè)粒子的屬性都會(huì)隨時(shí)間不斷變化，充分體現(xiàn)不規(guī)則物體的動(dòng)態(tài)性和隨機(jī)性。
3.2 基于粒子系統(tǒng)的染色畫(huà)筆模型
　本文借鑒粒子系統(tǒng)的基本概念建立染色畫(huà)筆模型，用來(lái)模擬染料在生宣紙上擴(kuò)散的效果，將畫(huà)筆筆跡視為由成千上萬(wàn)個(gè)粒子組成的集合。
3.2.1 染色畫(huà)筆繪制過(guò)程
　考慮到手工染色的主觀性，利用鼠標(biāo)控制染色畫(huà)筆在繪制好的圖案內(nèi)部染色。當(dāng)鼠標(biāo)左鍵按下時(shí)染色開(kāi)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(dòng)的過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)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(dòng)到圖案的邊緣時(shí)，染色結(jié)束?；诹Ｗ酉到y(tǒng)的染色畫(huà)筆繪制過(guò)程如圖2所示。

　當(dāng)使用鼠標(biāo)控制染色畫(huà)筆在繪制好的剪紙圖案的邊緣部分染色時(shí)，粒子可能會(huì)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(dòng)到圖案的邊緣，則應(yīng)終止染色過(guò)程。
3.2.2 粒子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　染色過(guò)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(dòng)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)。基于以上分析，本文將粒子的屬性(包括坐標(biāo)、顏色、大小、生命值等)用如下的結(jié)構(gòu)來(lái)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(guò)移動(dòng)鼠標(biāo)來(lái)確定粒子的位置，也可以通過(guò)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(shí)，通過(guò)OpenGL紋理映射技術(shù)來(lái)表現(xiàn)粒子的外表，這是增強(qiáng)真實(shí)感的簡(jiǎn)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(gè)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(huà)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(huà)筆典型筆跡。

3.3 參數(shù)設(shè)置和效果對(duì)比
　在手工制作染色剪紙過(guò)程中，具有各種各樣復(fù)雜的效果，所以必須根據(jù)實(shí)際情況歸納出一些參數(shù)，這些參數(shù)通過(guò)改變粒子屬性值來(lái)實(shí)現(xiàn)最終的效果。下面介紹實(shí)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)?、渾厚華滋的藝術(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(lái)表示，用戶可以根據(jù)不同的需要對(duì)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(guò)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(lái)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(shí)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(guò)程是：將仿真結(jié)果圖像與紙張紋理圖相對(duì)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(jí)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(guò)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(shí)，宣紙紋理特征不夠明顯，如圖7(c)所示；當(dāng)κ=0.003 5時(shí)，紋理效果明顯，如圖7(d)所示；當(dāng)κ=0.005 5時(shí)，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(guò)大膽的想象和嘗試，借鑒水墨、水彩畫(huà)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(duì)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。

參考文獻(xiàn)
[1] 岳文義.中國(guó)少兒剪紙藝術(shù)[M].北京：今日中國(guó)出版社，1992.
[2] 石永鑫，孫濟(jì)洲，張海江，等.基于粒子系統(tǒng)的中國(guó)水墨畫(huà)仿真算法[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2003，15(6).
[3] 張海江，王秀錦，孫濟(jì)州，等.應(yīng)用分形仿真水墨擴(kuò)散輪廓[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2004，16(4)：555-558.
[4] 唐棣，臧超.一種應(yīng)用GA的墨擴(kuò)散效果仿真新方法[J].中國(guó)圖像圖形學(xué)報(bào)，2009，14(3)：537-542.
[5] CURTIS C J， ANDERSON S E. Computer-generated watercolor[C]. Computer Graphics Proceedings， Annual Conference Series， ACM SIGGRAPH， Los Angeles， 1997：421-430.
[6] Peng Dongmei， Sun Shouqian， Pan Lusheng. Research on chinese paper-cut CAD system[C]. Proceeding of the 4th International Conference on Image and Graphics . Washington DC： IEEE Computer Society， 2007：892-896.
[7] 高利偉，余隋懷，劉肖健，等.傳統(tǒng)藝術(shù)數(shù)字化CAD技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2009，26(2)：778-780.
[8] 李康，劉志鏡，余斌，等.彩色圖像融合算法與技術(shù)的研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2001，21(8)：38-40.