[发明专利]石纹纸染图形的计算机仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机图像仿真技术，尤其涉及利用计算机模拟流体流动绘制具有艺术效果纹理的仿真技术实现方法。

背景技术

石纹纸染(Paper marbling)是一种古老的阿拉伯国家最早发明的纸艺形式，它是一种在水表面设计图形的方法，这种纸艺技术主要是在水或粘稠液体表面操作流动的颜料来形成各种样式，如可以产生光滑的类似石纹等形式的精美图案，并将图案转移到纸张或织物的表面。近年来，人们用这些石纹纸张来装饰书籍、图片背景、贴图等。

由于传统的石纹纸染技术要求在操作的整个过程中不能有一丝差错，一旦有所失误，不但要重新开始，而且会浪费大量的颜料。因此，如果能通过计算机实现纸艺制作效果的仿真是很有意义的，这样一来，不仅使制作成本降低，并且能够减少资源浪费和环境污染。

近年来，已有一些通过计算机仿真流体流动来绘制具有艺术效果的纹理的研究。

目前的仿真方法有三类：基于物理的二维流体模型的仿真方法、矢量图的仿真方法和基于图形坐标变换函数的仿真方法。文献[1]运用流体动力学知识来模拟流体运动实现了绘制类似石纹的杂乱无章的图形的功能，但这种方法在绘制开始前需要初始化所有的运动路径，难以做到实时绘制；文献[2]提出了一种基于GPU(Graphics Processing Unit)的实时绘制技术，但生成的图形边界比较模糊。文献[3]、[4]的方法可以生成清晰边界：其中，文献[3]通过在欧拉网格上使用B样条曲线插入方法来生成清晰边界，而文献[4]采用向量图的方式来绘制流体，根据局部边界的弯曲度和速度的湍流度来控制边界，然而这两种方法只能生成无法预测的纹理效果。文献[5]对文献[3]进行扩展，结合CIP(ConstrainedInterpolation Profile)插值方法和MacCormack方法来求解表示速度场和流体密度场的NS(Navier-Stokes)方程，得到了清晰的流体边界，然而在模拟多种流体流动时，每一流体都需构建网格，当不断增加流体时，计算量会大大增加。文献[6]通过数学表示方法，即通过一些图形的坐标变换函数来绘制一些具有特定特征的图形。这种方法生成速度较快，但是它没有反映出颜料的流动特性。

参考文献：

[1]Mao X，Suzuki T，Imamiya A.AtelierM：a physically based interactivesystem for creating traditional marbling textures.In：Proceedings of the 1stinternational conference on Computer graphics and interactive techniques inAustralasia and South East Asia，New York，USA：2003.79-86.

[2]Jin X，Chen S，Mao X.Computer-generated marbling textures：a GPU-baseddesign system.IEEE computer graphics and applications，2007，27(2)：78-84.

[3]Acar R，Boulanger P.Digital marbling：a multiscale fluid model.IEEETransactions on Visualization and Computer Graphics，2006，12：600-614.

[4]Ando R，Tsuruno R.Vector fluid：a vector graphics depiction of surface flow.In：Proceedings of the 8th International Symposium on Non-PhotorealisticAnimation and Rendering.New York，USA：2010.129-135.

[5]Xu J，Mao X，Jin X.Non-dissipative marbling.IEEE Computer Graphics andApplications，2008，28(2)：35-43.

[6]Lu S，Jaffer，A.，Jin X，Zhao H，MaoX.Mathematical Marbling.IEEEComputer Graphics and Applications，2011，99：1-1.

发明内容