摘  要： 通過分析手工染色剪紙的特點，提出一種染色剪紙效果仿真方法。該方法借鑒粒子系統基本概念，應用紋理映射技術建立染色畫筆模型，對剪紙圖案進行染色，畫筆的起落及走向分別由鼠標按鍵和移動方向控制，通過設置畫筆參數，可以得到不同的染色效果。應用基于紋樣的剪紙圖案設計方法為染色剪紙添加豐富的紋樣。最后將紙紋理的干擾作用考慮進去，得到更加逼真的仿真結果。實驗結果表明，該方法較成功地模擬了染色剪紙效果。
關鍵詞： 非真實感繪制；彩色剪紙；染色剪紙；粒子系統

　隨著科學技術的發展，彩色剪紙的發展非常迅速，一些新型的彩色剪紙藝術也隨之出現。從其表現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到之處。
　在非真實感繪制NPR(Non-Photorealistic Rendering)領域中，彩色剪紙的仿真研究是一個嶄新的課題，這對弘揚中國民族文化及使中國傳統剪紙藝術走向大眾、走向世界具有積極意義，與此同時也推動了計算機仿真技術的發展。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效果，本文主要針對染色剪紙的特點對其進行模擬。
1 染色剪紙及其特點
　非真實感繪制在模擬染色剪紙藝術效果之前，最主要的工作是熟悉傳統染色剪紙的制作過程和基本特征，這樣有利于將其特征效果程序化。染色剪紙[1](也稱為點色剪紙)是剪紙藝術中應用較為廣泛的一種表現方法，基本的制作過程是：用生宣紙刻出陰刻主稿，然后用毛筆分別將不同的顏色點染到剪紙上。如果只染一張，使用水彩染料即可；如果張數較多，可用品色加白酒來點染(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，以拉開色彩的黑白灰關系，配色原理如同水彩、水粉畫調色。染色剪紙的制作過程及材料決定其基本特征：(1)毛筆在生宣紙上染色時，染料在生宣紙內部發生自由擴散，形成明顯的擴散效果；(2)由于是在已經剪好的陰刻主稿上進行染色，而染料在擴散的過程中，遇到主稿邊界而不再繼續擴散，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行裝飾。此外，染色剪紙色彩強烈、鄉土味濃厚、裝飾性強，把我國傳統剪紙的精髓、中國畫的潑染技法及現代裝飾理念融為一體，使我國的剪紙藝術更具魅力。
2 相關工作
　隨著計算機圖形學技術的迅速發展，人們對非真實感繪制技術進行了大量的研究，一些NPR技術模擬傳統的藝術媒介如鉛筆畫、鋼筆畫等都取得了很好的效果，但尚未見到有關計算機仿真彩色剪紙的文獻報道。 由于染色剪紙與水墨畫和水彩畫在制作材料、配色原理及潑染技法等方面具有相似性，因此，計算機仿真水墨畫和水彩畫的一些方法對模擬染色剪紙藝術有借鑒意義。
　石永鑫等人通過深入分析水墨畫繪畫材料及相互作用關系，提出一種基于粒子系統的仿真模型體系[2]，較成功地模擬了水墨畫的典型效果；張海江等人根據水墨在宣紙上擴散后會出現較明顯的具有自相似性的輪廓線這一特點，提出一種應用分形思想仿真墨擴散輪廓的方法[3]；唐棣等人提出一種基于遺傳算法的墨擴散效果仿真方法[4]，對原始筆跡進行初始種群產生、二進制編碼、基因變異等遺傳操作，初步完成了筆跡擴散的仿真；Cassidy等人提出了三層淺水模型使水彩擴散仿真[5]取得了不錯的視覺效果。
本文在深入分析染色剪紙特點的基礎上，借鑒水墨、水彩畫的仿真方法，將粒子系統的思想應用在染色剪紙的仿真研究中。
3 染色剪紙仿真系統
　根據傳統染色剪紙的特點，同時考慮生宣紙紋理等因素，本文應用基于粒子系統的方法來模擬染色剪紙效果，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組中，以便于在染色時判斷當前位置是否為圖案邊緣；再用具有擴散效果的染色畫筆對圖案內部進行染色；然后采用基于紋樣的剪紙圖案設計方法[6-7]導入特征紋、裝飾紋等，對已經染色的剪紙圖案進行裝飾；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
　REEVES在1983年提出的粒子系統，是一種有效模擬不規則模糊物體的生成方案，它采用統一的模式來生成諸如煙火、雨雪等具有不規則形狀的自然現象，也可以用來模擬火焰、瀑布、煙霧等柔性物體。
在粒子系統中，物體通常被定義為由成千上萬個不規則的、隨機分布的粒子所組成。每個粒子可以根據實際需要擁有顏色、形狀、位置、大小、生命值、透明度等屬性。而且每個粒子都要經過產生、衰減、死亡三個階段，在每個階段各個粒子的屬性都會隨時間不斷變化，充分體現不規則物體的動態性和隨機性。
3.2 基于粒子系統的染色畫筆模型
　本文借鑒粒子系統的基本概念建立染色畫筆模型，用來模擬染料在生宣紙上擴散的效果，將畫筆筆跡視為由成千上萬個粒子組成的集合。
3.2.1 染色畫筆繪制過程
　考慮到手工染色的主觀性，利用鼠標控制染色畫筆在繪制好的圖案內部染色。當鼠標左鍵按下時染色開始，鼠標左鍵按下的位置決定初始粒子的位置，在鼠標移動的過程中，系統會根據鼠標的位置不斷加入新的粒子。鼠標左鍵抬起或者當鼠標移動到圖案的邊緣時，染色結束?；诹Ｗ酉到y的染色畫筆繪制過程如圖2所示。

　當使用鼠標控制染色畫筆在繪制好的剪紙圖案的邊緣部分染色時，粒子可能會擴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，在粒子系統中加入新的粒子前，要判斷鼠標的位置是否為剪紙圖案的邊緣，如果鼠標移動到圖案的邊緣，則應終止染色過程。
3.2.2 粒子系統結構
　染色過程中，由于染料主要是在紙的內部進行擴散滲化，因此水的流動不只是靠重力作用，更主要的是紙纖維的吸水作用和染料的粘附作用，進而產生擴散紋理。因此，這些效果的產生除了與染料的濃度(顏色的深淺)有關外，還與紙纖維的吸水性、用筆的角度以及紙紋理的情況有關?；谝陨戏治?，本文將粒子的屬性(包括坐標、顏色、大小、生命值等)用如下的結構來表示：
　Struct CParticle{
　float x；//粒子的X坐標
　float y；//粒子的Y坐標
　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
　}；
　由于系統是可交互的，粒子的屬性值可以由用戶指定，用戶可以通過移動鼠標來確定粒子的位置，也可以通過相應的參數設置粒子的大小、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，通過OpenGL紋理映射技術來表現粒子的外表，這是增強真實感的簡單有效手段，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。本系統采用的圖元結構是具有大小和紋理的正方形圖元，為每個粒子圖元貼上紋理圖，不同的紋理圖產生不同的效果。由于染色畫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為染色畫筆典型筆跡。

3.3 參數設置和效果對比
　在手工制作染色剪紙過程中，具有各種各樣復雜的效果，所以必須根據實際情況歸納出一些參數，這些參數通過改變粒子屬性值來實現最終的效果。下面介紹實現染色剪紙效果的主要參數設置情況。
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，易產生豐富的墨韻變化，形成水暈墨章、渾厚華滋的藝術效果。生宣紙的吸水性決定了水在生宣紙上的擴散范圍，在仿真模型中用粒子的生命值來表示，用戶可以根據不同的需要對該參數進行設置。生命值(life)越大，水在紙上的擴散范圍越大，水暈效果越明顯，如圖5所示。

3.3.2 染料濃度
　在染色剪紙制作過程中，濃淡效果由染料的調和比例決定，本文采用透明因子來表示染料的濃度。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
　傳統的手工染色剪紙是在用吸附能力強、表面粗糙的生宣紙剪刻的陰刻主稿上進行染色，因此，為了能夠更加真實地仿真染色剪紙效果，需要將紙紋理的干擾因素加進去。
　本文利用圖像融合[8]的方法將紙張紋理圖和仿真結果融合在一起。主要過程是：將仿真結果圖像與紙張紋理圖相對應像素根據特定參數κ進行融合，不同參數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渡到紙張紋理圖上，達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κ=0.002時，宣紙紋理特征不夠明顯，如圖7(c)所示；當κ=0.003 5時，紋理效果明顯，如圖7(d)所示；當κ=0.005 5時，筆跡顏色失真，如圖7(e)所示。

　本文在深入分析染色剪紙特點的基礎上，通過大膽的想象和嘗試，借鑒水墨、水彩畫的繪制方法，將粒子系統基本思想與染色剪紙的特點相結合，嚴格按照染色剪紙特有的性質進行模擬，實現了邊緣平滑、顏料的擴散、紙張紋理等效果，一幅完整作品如圖8所示。實驗結果表明，該方法較成功地模擬了染色剪紙效果。今后的工作是對其他形式的彩色剪紙進行仿真研究，根據不同形式彩色剪紙的特點，利用圖像處理等方法生成不同的效果。

參考文獻
[1] 岳文義.中國少兒剪紙藝術[M].北京：今日中國出版社，1992.
[2] 石永鑫，孫濟洲，張海江，等.基于粒子系統的中國水墨畫仿真算法[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2003，15(6).
[3] 張海江，王秀錦，孫濟州，等.應用分形仿真水墨擴散輪廓[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2004，16(4)：555-558.
[4] 唐棣，臧超.一種應用GA的墨擴散效果仿真新方法[J].中國圖像圖形學報，2009，14(3)：537-542.
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