Нефотореалистичный рендеринг

Поделись знанием:
Перейти к: навигация, поиск

Нефотореалистичный рендеринг — область компьютерной графики, посвящённая созданию методов имитации большого разнообразия выразительных стилей в цифровом искусстве. В отличие от традиционной компьютерной графики, сфокусированной на фотореализме, НФР основывается на других художественных стилях, таких как графика, живопись, техническая иллюстрация и мультипликационный стиль.





Введение

Существует множество различных методов решения задач НФР. Рассмотрим подробно 4:

  1. Генетическое рисование: Поиск выделяющихся объектов на изображении;
  2. Рисование с помощью релаксации;
  3. Стилизация и абстракция фотографий;
  4. Построение изображений с помощью кривых;

Техники НФР

Генетическое рисование: Поиск выделяющихся объектов на изображении

Цель данного алгоритма — создание изображений в стиле impasto (наложение красок густым слоем).

  • На первом этапе работы алгоритма определяется степень значимости каждого элемента исходного изображения, построить карту значимости и в соответствии с ней определять детализацию каждого элемента на результирующем изображении. Однако определение ключевых деталей на изображении является субъективным процессом. Поэтому предлагается использовать классификатор, который натренировывается вручную на определение разных классов выделяющихся деталей изображения (углов, границ и т. д.). Такой подход позволяет определять уровень детализации без интерактивного вмешательства пользователя и варьировать стиль с штриха в зависимости от класса артефакта (выделяющейся детали).
  • Построение результирующего изображения.
    • Уровень детализации в картине художника тесно связан с картой значимостей исходного изображения. С этой точки зрения, оптимальным критерием для искомой картины является измерение силы этого соответствия. Таким образом процесс построения изображения рассматривается как поиск оптимальной картины по этому определению. Стратегия поиска основана на генетическом алгоритме. Алгоритм принимает на вход исходное изображение I; картины порождённые I будут элементами пространства поиска. Сначала инициализируется фиксированный размер набора объектов. Каждый объект — один элемент пространства поиска, представленный как упорядоченный список штрихов.
    • Картина формируется поиском-преобразованием и композицией списка мазков кисти, представленных сплайновыми кривыми. Толщина кисти устанавливается обратно пропорциональной значимости, которая берётся как среднее по всем контрольным точкам. Цвет мазка един и задаётся как среднее значение по всем пикселам, захваченным областью мазка. Первыми накладываются мазки с наименьшей значимостью.
    • Генетический Алгоритм симулирует процесс естественного отбора посредством отбора последовательных поколений объектов через перекрестную, пропорционально-пригодную репродукцию и мутацию. В нашем случае геномы объектов — упорядоченные списки мазков. Итерации ГА повторяются до тех пор, пока преимущества достигнутые над предыдущими несколькими поколениями минимальны.

Рисование с помощью релаксации

Основная идея алгоритма построения изображения методом релаксации состоит в том, что картина формулируется как проблема снижения энергии.

Имея функцию энергии <math>E(P)</math>,мы ищем картину <math>P^*</math> с наименьшей энергией:

<math>P^*=arg\min_{P\in\mathfrak P} E(P)</math>

где <math>\mathfrak P</math> — пространство всех картин. Картина определяется как упорядоченный набор цветных штрихов вместе с закрашенной или текстурной канвой. Штрих кисти — толстая кривая, заданная списком контрольных точек, цветом и толщиной. Картина строится упорядоченным нанесением мазков на канву, представленных толстыми бикубическими сплайнами, в порядке их создания. Энергетическая функция создаётся как комбинация различных функций, позволяющих выразить желаемый результат картины, и их относительной значимости (веса функции). Каждая функция соответствует различным стилям рисования. Такая формулировка позволяет как можно более интуитивно выразить создание разнообразных стилей рисования, когда мы описываем желаемые особенности картины.

<math>E(P)=E_{app}(P)+E_{area}(P)+E_{nstr}(P)+E_{cov}</math>

<math>E_{app}(P)=\sum_{(x,y)\in X}w_{app}(x,y)||P(x,y)-G(x,y)||</math>

<math>E_{area}(P)=w_{area}\sum_{S\in P}Area(S)</math>

<math>E_{nstr}(P)=w_{nstr}*(number~of~strokes~in~P)</math>

<math>E_{cov}(P)=w_{nstr}*(number~of~empty~pixels~in~P)</math>

<math>E_{app}</math> рассчитывает попиксельную разницу между рисунком и исходным изображением;

<math>E_{nstr}</math> контролирует размер кисти;

<math>E_{area}</math> рассчитывает суммарную площадь поверхности, покрытой мазками кисти;

<math>E_{cov}</math> контролирует степень закрашенности канвы.

Таким образом, есть возможность «рисовать» в различных стилях путём варьирования весов, определяющих вклад той или иной составляющей энергетической функции. Однако невозможно напрямую построить картину с наименьшей энергией и необходимо придумать способ заполнения пространства поиска.

Стилизация и абстракция фотографий

Это интерактивный НФР алгоритм для рендеринга изображений в line-drawing стиле с использованием жирных линий и однотонного заполнения областей. Цель — построение изображения с выделенными в соответствии с особенностями человеческого восприятия объектами.

  • Выделение границ (усовершенствованный Canny);
  • Сегментация;
  • Сегментация изображения с разными разрешениями для построения иерархии;
  • Вычисление значимых областей с помощью eye-detector’а;
  • Последовательная «сборка» результирующего изображения. Уровень детализации прямо пропорционально зависит от степени значимости объекта на изображении, и заполнение однородных областей происходит в соответствии с иерархией, полученной на этапе сегментации изображения при разных значениях разрешения. Границы между однородными областями и границы, полученные с помощью Edge Detector’a сглаживаются.

Построение изображений с помощью кривых

Этот алгоритм представляет классический подход к построению нефотореалистичных изображений. Его суть заключается в следующем:

  • На вход алгоритма подается изображение и список размеров кисти (радиусов). Далее алгоритм рисует серии слоёв для каждого значения радиуса соответственно (от самого большого до самого маленького).
  • Изначально канва представляет собой однотонное изображение.
  • Для каждого слоя создаётся эталонное изображение путём размытия исходного, размытие представляется свёрткой с ядром Гаусса со стандартным отклонением <math>f</math> (<math>f</math>-константа). Это изображение, которое мы пытаемся апроксимировать, рисуя кистью данного размера.
  • Каждая кисть покрывает только те детали, которые по крайней мере так же велики, как кисть. Кроме того, кистью покрываются только те участки изображения, которые отличаются по цвету от эталонного; те же, чьё отличие лежит внутри заданного порога, не изменяются.
  • Подход к заполнению каждого слоя — обход сетки в произвольном порядке и просмотр соседей каждого узла.
  • Для создания кривых используются кубические B-сплайны с заданным цветом и толщиной. Каждый мазок рисуется переносом круглой маски по изгибу сплайна.

Заключение

Было рассмотрено 4 разных подхода к построению нефотореалистичных изображений.

  1. Построение изображений с помощью кривых является базовым алгоритмом и отличается своей простотой. Однако с его помощью невозможно получить большого разнообразия впечатляющих результатов.
  2. Построение изображений методом релаксации позволяет получать различные результирующие изображения путём варьирования вкладов функций, составляющих функцию энергии. Однако он имеет некоторые сложности в построении.
  3. Генетический алгоритм позволяет получать неплохие результаты, учитывающие значимость отдельных элементов изображения, без интерактивного вмешательства пользователя, однако он ресурсоёмкий и требует больших временных затрат на построение.
  4. Стилизация и абстракция фотографий даёт впечатляющие результаты, однако достаточно специфичен и требует интерактивного вмешательства.

См. также

Напишите отзыв о статье "Нефотореалистичный рендеринг"

Ссылки

  • [library.graphicon.ru/paper/694 Painterly Rendering with Curved Brush Strokes of Multiple Sizes]
  • [library.graphicon.ru/paper/1578 Paint By Relaxation]
  • [library.graphicon.ru/paper/1580 Stylization and Abstraction of Photographs]
  • [www.cs.bath.ac.uk/pubdb/download.php?resID=64 Genetic Paint: A Search for Salient Paintings]

К:Википедия:Статьи без изображений (тип: не указан)

Отрывок, характеризующий Нефотореалистичный рендеринг

«Одно ужасно, – сказал он, – это связать себя навеки с страдающим человеком. Это вечное мученье». И он испытующим взглядом – Наташа видела теперь этот взгляд – посмотрел на нее. Наташа, как и всегда, ответила тогда прежде, чем успела подумать о том, что она отвечает; она сказала: «Это не может так продолжаться, этого не будет, вы будете здоровы – совсем».
Она теперь сначала видела его и переживала теперь все то, что она чувствовала тогда. Она вспомнила продолжительный, грустный, строгий взгляд его при этих словах и поняла значение упрека и отчаяния этого продолжительного взгляда.
«Я согласилась, – говорила себе теперь Наташа, – что было бы ужасно, если б он остался всегда страдающим. Я сказала это тогда так только потому, что для него это было бы ужасно, а он понял это иначе. Он подумал, что это для меня ужасно бы было. Он тогда еще хотел жить – боялся смерти. И я так грубо, глупо сказала ему. Я не думала этого. Я думала совсем другое. Если бы я сказала то, что думала, я бы сказала: пускай бы он умирал, все время умирал бы перед моими глазами, я была бы счастлива в сравнении с тем, что я теперь. Теперь… Ничего, никого нет. Знал ли он это? Нет. Не знал и никогда не узнает. И теперь никогда, никогда уже нельзя поправить этого». И опять он говорил ей те же слова, но теперь в воображении своем Наташа отвечала ему иначе. Она останавливала его и говорила: «Ужасно для вас, но не для меня. Вы знайте, что мне без вас нет ничего в жизни, и страдать с вами для меня лучшее счастие». И он брал ее руку и жал ее так, как он жал ее в тот страшный вечер, за четыре дня перед смертью. И в воображении своем она говорила ему еще другие нежные, любовные речи, которые она могла бы сказать тогда, которые она говорила теперь. «Я люблю тебя… тебя… люблю, люблю…» – говорила она, судорожно сжимая руки, стискивая зубы с ожесточенным усилием.
И сладкое горе охватывало ее, и слезы уже выступали в глаза, но вдруг она спрашивала себя: кому она говорит это? Где он и кто он теперь? И опять все застилалось сухим, жестким недоумением, и опять, напряженно сдвинув брови, она вглядывалась туда, где он был. И вот, вот, ей казалось, она проникает тайну… Но в ту минуту, как уж ей открывалось, казалось, непонятное, громкий стук ручки замка двери болезненно поразил ее слух. Быстро и неосторожно, с испуганным, незанятым ею выражением лица, в комнату вошла горничная Дуняша.
– Пожалуйте к папаше, скорее, – сказала Дуняша с особенным и оживленным выражением. – Несчастье, о Петре Ильиче… письмо, – всхлипнув, проговорила она.


Кроме общего чувства отчуждения от всех людей, Наташа в это время испытывала особенное чувство отчуждения от лиц своей семьи. Все свои: отец, мать, Соня, были ей так близки, привычны, так будничны, что все их слова, чувства казались ей оскорблением того мира, в котором она жила последнее время, и она не только была равнодушна, но враждебно смотрела на них. Она слышала слова Дуняши о Петре Ильиче, о несчастии, но не поняла их.
«Какое там у них несчастие, какое может быть несчастие? У них все свое старое, привычное и покойное», – мысленно сказала себе Наташа.
Когда она вошла в залу, отец быстро выходил из комнаты графини. Лицо его было сморщено и мокро от слез. Он, видимо, выбежал из той комнаты, чтобы дать волю давившим его рыданиям. Увидав Наташу, он отчаянно взмахнул руками и разразился болезненно судорожными всхлипываниями, исказившими его круглое, мягкое лицо.
– Пе… Петя… Поди, поди, она… она… зовет… – И он, рыдая, как дитя, быстро семеня ослабевшими ногами, подошел к стулу и упал почти на него, закрыв лицо руками.
Вдруг как электрический ток пробежал по всему существу Наташи. Что то страшно больно ударило ее в сердце. Она почувствовала страшную боль; ей показалось, что что то отрывается в ней и что она умирает. Но вслед за болью она почувствовала мгновенно освобождение от запрета жизни, лежавшего на ней. Увидав отца и услыхав из за двери страшный, грубый крик матери, она мгновенно забыла себя и свое горе. Она подбежала к отцу, но он, бессильно махая рукой, указывал на дверь матери. Княжна Марья, бледная, с дрожащей нижней челюстью, вышла из двери и взяла Наташу за руку, говоря ей что то. Наташа не видела, не слышала ее. Она быстрыми шагами вошла в дверь, остановилась на мгновение, как бы в борьбе с самой собой, и подбежала к матери.
Графиня лежала на кресле, странно неловко вытягиваясь, и билась головой об стену. Соня и девушки держали ее за руки.
– Наташу, Наташу!.. – кричала графиня. – Неправда, неправда… Он лжет… Наташу! – кричала она, отталкивая от себя окружающих. – Подите прочь все, неправда! Убили!.. ха ха ха ха!.. неправда!
Наташа стала коленом на кресло, нагнулась над матерью, обняла ее, с неожиданной силой подняла, повернула к себе ее лицо и прижалась к ней.
– Маменька!.. голубчик!.. Я тут, друг мой. Маменька, – шептала она ей, не замолкая ни на секунду.
Она не выпускала матери, нежно боролась с ней, требовала подушки, воды, расстегивала и разрывала платье на матери.
– Друг мой, голубушка… маменька, душенька, – не переставая шептала она, целуя ее голову, руки, лицо и чувствуя, как неудержимо, ручьями, щекоча ей нос и щеки, текли ее слезы.
Графиня сжала руку дочери, закрыла глаза и затихла на мгновение. Вдруг она с непривычной быстротой поднялась, бессмысленно оглянулась и, увидав Наташу, стала из всех сил сжимать ее голову. Потом она повернула к себе ее морщившееся от боли лицо и долго вглядывалась в него.
– Наташа, ты меня любишь, – сказала она тихим, доверчивым шепотом. – Наташа, ты не обманешь меня? Ты мне скажешь всю правду?
Наташа смотрела на нее налитыми слезами глазами, и в лице ее была только мольба о прощении и любви.
– Друг мой, маменька, – повторяла она, напрягая все силы своей любви на то, чтобы как нибудь снять с нее на себя излишек давившего ее горя.
И опять в бессильной борьбе с действительностью мать, отказываясь верить в то, что она могла жить, когда был убит цветущий жизнью ее любимый мальчик, спасалась от действительности в мире безумия.
Наташа не помнила, как прошел этот день, ночь, следующий день, следующая ночь. Она не спала и не отходила от матери. Любовь Наташи, упорная, терпеливая, не как объяснение, не как утешение, а как призыв к жизни, всякую секунду как будто со всех сторон обнимала графиню. На третью ночь графиня затихла на несколько минут, и Наташа закрыла глаза, облокотив голову на ручку кресла. Кровать скрипнула. Наташа открыла глаза. Графиня сидела на кровати и тихо говорила.
– Как я рада, что ты приехал. Ты устал, хочешь чаю? – Наташа подошла к ней. – Ты похорошел и возмужал, – продолжала графиня, взяв дочь за руку.
– Маменька, что вы говорите!..
– Наташа, его нет, нет больше! – И, обняв дочь, в первый раз графиня начала плакать.


Княжна Марья отложила свой отъезд. Соня, граф старались заменить Наташу, но не могли. Они видели, что она одна могла удерживать мать от безумного отчаяния. Три недели Наташа безвыходно жила при матери, спала на кресле в ее комнате, поила, кормила ее и не переставая говорила с ней, – говорила, потому что один нежный, ласкающий голос ее успокоивал графиню.
Душевная рана матери не могла залечиться. Смерть Пети оторвала половину ее жизни. Через месяц после известия о смерти Пети, заставшего ее свежей и бодрой пятидесятилетней женщиной, она вышла из своей комнаты полумертвой и не принимающею участия в жизни – старухой. Но та же рана, которая наполовину убила графиню, эта новая рана вызвала Наташу к жизни.
Душевная рана, происходящая от разрыва духовного тела, точно так же, как и рана физическая, как ни странно это кажется, после того как глубокая рана зажила и кажется сошедшейся своими краями, рана душевная, как и физическая, заживает только изнутри выпирающею силой жизни.