中國書畫藝術(shù)電子化創(chuàng)作的初步算法性探索——美、智能與計(jì)算.pdf

1、本學(xué)位論文選擇了將中國書畫藝術(shù)電子化創(chuàng)作的論題作為研究中心。 本學(xué)位論文對(duì)中國書畫藝術(shù)電子化創(chuàng)作中涉及到的若干智能設(shè)計(jì)與美學(xué)創(chuàng)作的重要問題以計(jì)算機(jī)科學(xué)研究的方式展開了一系列算法設(shè)計(jì)工作與軟件工程的實(shí)踐。我們對(duì)中國書畫藝術(shù)電子化創(chuàng)作進(jìn)行的算法性探索主要包括三個(gè)方面的研究工作：1)計(jì)算機(jī)智能書法生成的研究，包括計(jì)算機(jī)智能書法生成算法的研究及與之相應(yīng)的面向計(jì)算機(jī)自動(dòng)書法生成的智能計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研制;2)國畫分解及國畫風(fēng)格動(dòng)畫智能

2、生成技術(shù)的研究，具體包括面向中國國畫作品圖像的筆劃分解技術(shù)及與之配套的基于筆劃的國畫風(fēng)格計(jì)算機(jī)動(dòng)畫智能生成制作技術(shù)的研究和相應(yīng)軟件原型系統(tǒng)的研制；3)交互式中國書畫創(chuàng)作的研究，包括面向交互式電子書畫創(chuàng)作的算法研究及與之相應(yīng)的軟件平臺(tái)工具的研制，具體體現(xiàn)在對(duì)基于物理模擬的面向計(jì)算機(jī)交互式電子書畫創(chuàng)作的虛擬畫筆模型的算法設(shè)計(jì)和相應(yīng)軟件原型系統(tǒng)的研制以及對(duì)富有藝術(shù)表現(xiàn)力的高精度虛擬顏料行為模擬仿真模型的設(shè)計(jì)及配套算法技術(shù)的研究。下面將對(duì)上述三

3、方面研究的主要工作作一個(gè)簡要的介紹。 在計(jì)算機(jī)智能書法生成的子課題研究中，我們探究了如何研制具有機(jī)器創(chuàng)造力的可以從事自動(dòng)設(shè)計(jì)的智能計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的論題。這一研究的主要難點(diǎn)在于如何對(duì)人腦的創(chuàng)造力進(jìn)行數(shù)學(xué)建模并基于該模型通過計(jì)算模擬的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器創(chuàng)造力。在該研究中，我們采用了綜合推理的創(chuàng)作思維模型來模擬人腦在從事設(shè)計(jì)活動(dòng)時(shí)展開創(chuàng)造性思維的過程。之所以選用綜合推理作為我們計(jì)算模擬的算法設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，是因?yàn)樵撃Ｐ驮谇叭说难芯恐幸驯蛔C明是

4、一種尤其適合于模擬人腦在形象思維領(lǐng)域從事創(chuàng)造性思維活動(dòng)的心象計(jì)算模型。在本研究中，我們根據(jù)計(jì)算機(jī)書法生成的特定領(lǐng)域問題背景，基于綜合推理模型的一般設(shè)計(jì)方法，提出了基于綜合推理的計(jì)算機(jī)智能書法生成算法。在研究如何模擬書法家在進(jìn)行書法創(chuàng)作時(shí)所開展的創(chuàng)造性思維的問題同時(shí)，我們還研究了智能書法生成這一問題所涉及到的知識(shí)表示與獲取的問題。這是因?yàn)橹R(shí)表示與獲取的方法是否完備且利于知識(shí)重用會(huì)對(duì)我們的推理模型解決實(shí)際問題的能力起著至關(guān)重要的影響。本研

5、究對(duì)漢字書法作品引入了可以實(shí)現(xiàn)組件重用的多層次參數(shù)化知識(shí)表示方法。這一知識(shí)表示方法是基于對(duì)漢字構(gòu)成圖像中存在的大量冗余、可重用圖像特征及結(jié)構(gòu)特征的觀察認(rèn)識(shí)所設(shè)計(jì)提出的。因此該知識(shí)表示方法可以非常有效地支持對(duì)關(guān)于漢字書法的圖像信息的知識(shí)表達(dá)和重用。綜合上述兩部分對(duì)基于綜合推理的計(jì)算機(jī)智能書法生成算法的研究以及對(duì)漢字書法信息知識(shí)表達(dá)與獲取方法的研究，我們初步現(xiàn)實(shí)了在計(jì)算機(jī)書法這一特定領(lǐng)域問題內(nèi)的形象設(shè)計(jì)思維中創(chuàng)造力的計(jì)算模擬，獲得了計(jì)算機(jī)在

6、書法創(chuàng)作活動(dòng)中豐富的機(jī)器想象力與創(chuàng)新能力--計(jì)算機(jī)在學(xué)習(xí)了有限的輸入字帖后，能夠在一個(gè)巨大的創(chuàng)作可能性空間里，實(shí)時(shí)全自動(dòng)地創(chuàng)作出風(fēng)格迥異的計(jì)算機(jī)書法作品。由于知識(shí)的組合爆炸，這個(gè)計(jì)算機(jī)書法創(chuàng)作的可能性空間十分巨大，熒屏上常出現(xiàn)出乎意料之外的嶄新的書寫風(fēng)格和別有韻味的書法作品。通過我們的方法生成的計(jì)算機(jī)書法作品書寫效果變化多樣、風(fēng)格迥異，并且常常別有韻味，可以激發(fā)起書法愛好者對(duì)美學(xué)創(chuàng)作活動(dòng)強(qiáng)烈的興趣和無限的創(chuàng)作靈感。對(duì)于專業(yè)書法創(chuàng)作人士來

7、說，通過觀察計(jì)算機(jī)智能生成的書法作品，可以獲得由于思維定勢(shì)約束或缺乏創(chuàng)作靈感而無法發(fā)現(xiàn)的藝術(shù)創(chuàng)作動(dòng)機(jī)與可能性，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)智能輔助設(shè)計(jì)與創(chuàng)作。 在基礎(chǔ)研究的層面上，我們對(duì)計(jì)算機(jī)智能書法生成的研究以中國傳統(tǒng)書法作品的智能生成作為實(shí)驗(yàn)背景，探索了計(jì)算機(jī)美術(shù)中創(chuàng)作思維模擬的問題。值得一指的是，我們對(duì)計(jì)算機(jī)智能書法生成的研究本身是以一個(gè)案例分析的形式所展開的，旨在探索在形象思維領(lǐng)域?qū)θ四X從事創(chuàng)造性思維活動(dòng)進(jìn)行機(jī)器模擬的可行性。這一研究

8、的最終目的在于研制針對(duì)形象思維的先進(jìn)智能計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)和工具，用于輔助設(shè)計(jì)人員在從事富有挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)作業(yè)時(shí)擁有更為開闊的想像力和開展更為活躍的創(chuàng)造性思維活動(dòng)。由于人腦本身受到的諸如思維定勢(shì)等約束所導(dǎo)致的功能上的局限性，即便是最富有才華的設(shè)計(jì)師和最富有創(chuàng)新能力的思考者也會(huì)受益于上述的先進(jìn)智能計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)。在我們計(jì)算機(jī)智能書法生成的個(gè)案研究中，我們通過展示計(jì)算機(jī)自動(dòng)書法生成系統(tǒng)的研制過程，詳細(xì)示例了如何根據(jù)綜合推理的一般方法，研制

9、能夠解決具體領(lǐng)域問題的智能計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)。這一智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)過程的成功個(gè)案示范，表明了研制上述先進(jìn)智能計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可能性，也預(yù)示著針對(duì)其他特定領(lǐng)域問題研制類似高端智能計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的技術(shù)可行性。這些系統(tǒng)將智能地輔助設(shè)計(jì)人員更富有創(chuàng)造力地完成設(shè)計(jì)工作，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)創(chuàng)新。就此，我們最后提出了開發(fā)基于綜合推理的面向特定應(yīng)用領(lǐng)域的智能計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的一般方法，用以作為研發(fā)類似系統(tǒng)的方法論指導(dǎo)。 在國畫分解及國畫風(fēng)格動(dòng)畫

10、智能生成的子課題研究中，我們提出了一種新的基于靜態(tài)國畫作品生成國畫風(fēng)格動(dòng)畫的智能技術(shù)。為了生成一幅國畫風(fēng)格的動(dòng)畫，首先需要提取構(gòu)成該靜態(tài)畫面的筆劃。筆劃提取過程的關(guān)鍵是利用一個(gè)樣本筆劃庫進(jìn)行筆劃分解。一旦構(gòu)成原畫的筆劃被計(jì)算提取出來之后，該繪畫就可以在筆劃級(jí)完成動(dòng)畫的編輯和生成工作。根據(jù)上述算法，我們成功地開發(fā)了一個(gè)基于筆劃的國畫風(fēng)格動(dòng)畫編輯、創(chuàng)作環(huán)境。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果包括對(duì)幾幅國畫作品筆劃分解及動(dòng)畫生成的實(shí)例。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果均獲得了滿意的

11、視覺效果，從而實(shí)證了本研究所提出的“基于筆劃的國畫分解與動(dòng)畫技術(shù)”的可行性與有效性。 在交互式中國書畫創(chuàng)作的子課題研究中，我們探索并設(shè)計(jì)了一個(gè)與用戶友好交互、實(shí)時(shí)響應(yīng)，并且具有豐富藝術(shù)表現(xiàn)力的全電子化的書畫創(chuàng)作軟件環(huán)境。對(duì)這一問題的研究是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)人機(jī)交互領(lǐng)域長期以來存在的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。這項(xiàng)研究不僅富有理論研究價(jià)值，而且有著廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景，也對(duì)信息時(shí)代中國傳統(tǒng)書畫藝術(shù)的創(chuàng)新與電子化變革有著重要的意義。在技術(shù)層面，本研

12、究提出了面向書畫創(chuàng)作、基于實(shí)體造型技術(shù)的虛擬毛筆模型以及利用它進(jìn)行交互式電子書畫創(chuàng)作的計(jì)算模擬框架。我們還對(duì)影響該計(jì)算模擬框架綜合性能的若干關(guān)鍵模塊做了算法優(yōu)化，旨在提升性能。根據(jù)上述模擬框架，我們研發(fā)了一個(gè)基于虛擬毛筆模型的支持電子書畫交互式創(chuàng)作的軟件原型系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用戶可以利用虛擬毛筆創(chuàng)作出藝術(shù)表現(xiàn)力非常豐富的電子書畫作品。 為了進(jìn)一步提高上述系統(tǒng)的藝術(shù)表現(xiàn)力，我們還提出了一種新穎的面向數(shù)字繪畫--特別是中國水墨畫和

13、水彩畫創(chuàng)作的虛擬顏料行為模擬仿真模型。該模型不但計(jì)算模擬了顏料水溶液的獨(dú)立行為；還考慮了在顆粒級(jí)上顏料和畫筆、畫紙之間發(fā)生相互作用的物理化學(xué)過程，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)顏料顆粒在畫筆筆毛上的擴(kuò)散過程以及在畫紙表面的吸附和沉降過程的精細(xì)模擬仿真。在算法的具體設(shè)計(jì)過程中，我們大量參考了表面化學(xué)和紡織工業(yè)中對(duì)吸附和擴(kuò)散過程研究所得出的定性規(guī)律和定量方程。這樣高精度的模擬有效地保證了我們?yōu)樗囆g(shù)家提供的電子書畫創(chuàng)作工具的藝術(shù)表現(xiàn)力。例如我們新的算法可以同時(shí)

14、模擬包括非常濕潤和極其干枯的筆劃在內(nèi)的一系列繪畫筆觸效果，從而為數(shù)字繪畫提供了廣泛的可能性。這是現(xiàn)有的顏料模型所沒有能夠很好解決的問題。為了驗(yàn)證上述模型的有效性，我們將該模型的算法實(shí)現(xiàn)集成到我們?cè)诘谝浑A段研究中已經(jīng)開發(fā)的基于虛擬畫筆的電子書畫創(chuàng)作系統(tǒng)中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，我們提出的這一新穎的虛擬顏料仿真模型可以有效地支持高質(zhì)量東方繪畫和水彩畫的創(chuàng)作過程，從而肯定了該模型設(shè)計(jì)的成功性及其實(shí)用價(jià)值。 總的來說，本學(xué)位論文的研究綜合運(yùn)用了

15、智能計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)、人工智能、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖形交互技術(shù)以及計(jì)算機(jī)人機(jī)交互技術(shù)等多種計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的手段，對(duì)中國書畫藝術(shù)電子化創(chuàng)作的論題從多個(gè)視角展開了深入而細(xì)致的算法性探索。該研究成功地解決了中國書畫藝術(shù)電子化創(chuàng)作中所特有的多個(gè)富有挑戰(zhàn)性的學(xué)術(shù)難題，取得了許多算法研究的成果，并積累了豐富的研制相關(guān)算法性軟件原型系統(tǒng)的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。該學(xué)位論文匯報(bào)了上述對(duì)中國書畫藝術(shù)電子化創(chuàng)作開展的算法性探索工作與相應(yīng)的軟件工程實(shí)踐所取得的主要研究