用USM锐化生成铅笔画的新方法
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值。
这种方法的优点是可以调节图像分割的粗糙 度，对于图像有些区域可以突略其细节，这对铅笔
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Ｊ。。．。。一 Ｊ。。，。。，｛：：：ｉ：２ 三主。：。。Ｌ－＜ｒｉ。，。。≤Ｌｚ
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（４）
式中：Ｔ１一是ｌ（１一ｊ。。。／２５５）；Ｔ２一愚２（１一ｊ，。。／ ２５５）；Ｔ３一走３（１一ｊ。。叭¨／２５５）；Ｐ是一个随机数； Ｊ。。。为输入像素的灰度值；Ｊ。如。为输出像素的灰度 值；Ｊ。。。为输出像素的最大灰度值，一般取２５５，但 根据情况也可能小于这个值；Ｉ…，、ｊ。ｍ、ｊ。ｍ为输 出像素的最小灰度值；Ｌ．、Ｌ：为２个不同的灰度 域值，根据实验结果，一般Ｌ，取２５左右，Ｌ。取８０
（１）色彩缩放处理 为了进行ＬＩＣ处理，必须得到原图的白噪声 图，但由于ＬＩＣ处理是针对全图的，因此有必要 对ＬＩＣ处理的区域进行控制。另外，铅笔画作为 素描画的一种，从审美学的角度来说，应保留有一 定的空白区域，用以激发欣赏者的联想。因此，作 者使用色彩缩放运算对原始图片的灰度图进行了 处理，放缩比例一般取１．５倍左右。根据实际情 况也可以进行调整。 （２）白噪声图的获取 白噪声图是一种以某种随机方式生成的黑白 噪声图片，由于Ｉ。ＩＣ处理后的色调效果与白噪声 图有很大的关系，作者对白噪声的产生方式作了 改进。为了使原图的处理结果与其相应的铅笔画 匹配，用原图来控制噪声点产生的几率。与文献 ［６，７］不同的是，作者对图像的不同灰度范围内的 情况分开处理，以使最后生成的铅笔画中的明暗 对比更突出，空问感更强，更类似于手工产生的效 果，噪声图产生的方式为
收稿日期：Ｚ００６ ０６一Ｏｚ． 基金项目：国家自然科学基金资助项目（６０３０３０１８）；上海市青年科技启明星计划基金资助项目（０５ＱＭＸｌ４４７）；北京
工业大学多媒体与智能软件技术北京市重点实验室开放课题基金联合资助项日． 作者简介：李龙生（１９７０一），男，硕士．研究方向：图像图形处理．Ｅ—ｍａｉｌ：ｓｓｌｎｓ＠ｔｏｍ．ｃｏｍ 通讯联系人：周经野（１ ９４８一），男，教授．研究方向：人工智能，自然语言，图形、图像处理．
的铅笔条纹的方向、深浅来表达物体的明暗、空间
感、质感等，为了表现出这种效果，作者对图形进 行分割，对不同的区域分别提取特征，再分别产生
各区域的向量场。作者选取了一种效率较高而又
能对图片中各个有意义的区域进行大致分割的图
像分割方法。图像中的所有像素点首先被作为无 向有权图Ｇ一（Ｖ，Ｅ）中所有的顶点，再连接所有
式为
……
ｆＴＲＵＥ
Ｄ（Ｃ，，Ｃ，）一Ｊ
１ ＦＡＩ，ＳＥ
ｉｆ Ｄｉｆ（（？ｌ，（、２）＞Ｍｉｎｔ（Ｃｌ，Ｃ２）
‘
“
ｏｔｈｅｒｗｉｓｅ
（５）
式中：Ｄ（Ｃ。，Ｃ。）指图中２个区域ｃ。、ｃ。合并的断 言，为真则合并；Ｄｉｆ（Ｃ，，Ｃ：）指２区域之间的区
别，实际上是指２个区域之间相连的最小边的权 值；Ｍｉｎｔ（Ｃ，，Ｃ：）是２个区域内部的区别的最小
生成的速度更快。
关键词：计算机应用；铅笔画；线积分卷积；图像分割；非真实感绘制
中图分类号：ＴＰ３９１
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７卜５４９７（２００７）０２一０４４２—０６
Ｎｅｗ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｐｅｎｃｉｌ ｄｒａｗｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ＵＳ】ＶＩ ｓｈａｒｐｅｎｉｎｇ
Ｉ．ｉ Ｌｏｎｇ～ｓｈｅｎ９１～，Ｚｈｏｕ Ｊｉｎｇ—ｙｅｌ，Ｃｈｅｎ Ｙｉ—ｑｉａｎ９２～，Ｌｉｕ Ｊｕｎ—ｆａ２～，Ｇａｏ Ｘｉｎｇ—ｙｕｌ （１．Ｉ赡５ｚｉ￡Ｍ￡已ｏ，ｊ行，ｏｒ７ｎｎｔｉｏｎ Ｔ已ｃ＾卯ｏｆｏｇ了，Ｘｉａ＂ｇ￡ａｎ Ｌｋｉｕｅｒｓｉ￡ｙ，Ｘｉ“＂ｇｆｎｎ ４１１１０５，Ｃ，Ｌｉ咒Ⅱ；２．ｆ靠ｓ￡ｉ￡“￡已ｏ，Ｃｏｍ声“￡ｉ钉ｇ Ｔ８ｆ矗行ｏＺｏｇｙ，Ｃ＾ｉ行已ｓＰ ＡｃⅡｄＰ７胛ｙ。厂ＳｃｉＰ”ｃｅｓ，Ｓ＾ｎ”ｇ＾以ｉ ２０１ ２０３，Ｃ丘ｉ行＆；３．Ｊ行ｓ￡ｉ￡“ｆＰ。厂Ｃｏ棚户“￡ｉ”ｇ ＴＰｆ＾理ｏＺｏｇｙ’Ｃ＾ｉ竹ｇｓｅ Ａｆｎｄｅ埘了ｏ，ＳｆｉＰ刀ｆｅｓ，Ｂ已ｉ歹ｉ坩ｇ ｌＯ００８０·Ｃ＾ｉ门口）
通过以上方法处理就可以得到图像的高通滤 波结果。但是为了得到更好的高通滤波效果，作 者将处理后的图片又进行了色彩缩放处理。色彩 缩放的基本原理就是对图像的ｒ，ｇ’ｂ三个颜色分 量进行同等程度的放缩处理，在保证一定平滑度 的基础上让图像得到更好的高通滤波效果。
图ｌ ｕｓＭ锐化效果图 Ｆｉｇ．１ ＲｅｓｕＩｔ ｂｙ ＵＳＭ
１ 用ＵＳＭ锐化产生铅笔画
１．１ ＵＳＭ锐化处理
ＵｓＭ处理的基本原理是先通过高斯滤波得
到原始图像的一个平滑版本，然后在此基础上用
原始图像减掉平滑的这部分，从而达到对原始图
像进行高通滤波的作用。常用的二维离散高斯滤
波器的数学表达式为
ｇ［ｉ，力一Ｐ一， 业２ 笋２、
（１）
选取合适的仃２就可以在行×＂的窗口上设计高斯
的边缘细节。然后，为了更好地产生铅笔画的光线效果及其局部走势纹理，采用线积分卷积
（ＬＩＣ）的方法生成类似的效果，并且用适当的图像分割方法来获取有意义的区域进行Ｉ。Ｉｃ处
理。最后，把前面得到的边缘细节和Ｉ。ＩＣ处理的结果分为两层进行叠底和透明处理就能得到
较好的铅笔画效果。试验结果表明：使用本文方法可以产生更接近于手绘铅笔画的效果，并且
的相邻边作为其边集，这里的相邻是指八邻域点， 即一个像素与周围８个点相邻，边的权值是２个 顶点的区别，这里一般指灰度值之差。图像的分 割就是将图像最终通过相邻边的聚类成为一个森 林，森林中的每棵树是一个最小生成树，最后形成
的每棵树就对应一个分区，通过定义一个合并的
断言来确定２个树是否合并为一个树，断言的形
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吉林大学学报（工学版）
第３７卷
１．２用线积分卷积（ＬＩＣ）产生铅笔画的纹理 线积分卷积是Ｃａｂｒａｌ和Ｉ。ｅｅｄｏｍＬ２１于１９９３
年在ＳＩＧＧＲＡＰＨ上首先提出的，由于线积分卷 积能较好地对矢量场进行可视化处理，因此被应 用到图像处理、计算机艺术等领域，其基本原理是 基于矢量方向的相关性对噪声纹理进行低通滤 波。然而要对图像进行线积分卷积处理，还需要 先对图像进行一些技术处理。
第３７卷第２期 ２００７年３月
吉林大学学报（工学版）
Ｖ。１．３７ Ｎｏ·２
Ｊｏｕｒｎａｌ。ｆ Ｊｍｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎ。ｌｏｇｙ Ｅｄｉｔｉｏｎ）
Ｍａｒ．２００７
Hale Waihona Puke ＝＝一＝＝＝一＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝一
铅笔画的生成方法通常是根据生成方法是否 有交互、使用３Ｄ场景还是使用２Ｄ图片作为输入 来分类的。本文方法属于从２Ｄ数字图片中自动 生成。与同类方法比较，本文方法的特点是：①完 全自动，可以不需要用户的交互，增强了其应用范 围；②与文献［６，７］的方法相比，通过本文方法产 生的结果色调更丰富，更接近于真实手绘效果。 此外，作者还选取了新的图像分割方法，可以针对 铅笔画的特点进行图象分割，同时在很大程度上 缩短了生成铅笔画的时问。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｐｅｎｃ订ｄｒａｗｉｎｇｓ ｆｒｏｍ ｒｅａｌ ２Ｄ ｃｏｌｏｒ ｉｍａｇｅｓ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅ ｃｏｌｏｒ ｉｍａｇｅ ｗａｓ ｓｈａｒｐｅｎ ｂｙ ＵｎｓｈａｒｐⅣ【ａｓｋ（ＵＳＭ），ｔｈｅｎ ｃｏｌｏｒ ｓｃａｌｉｎｇ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｇｅｔ ａｎ ｉｍａｇｅ ｗｉｔｈ ｒａｄｉａｌ ａｎｄ ｅｄｇｅ ｄｅｔａｉｌｓ． Ｓｅｃｏｎｄ，ｔｈｅ ｌｉｎｅ ｉｎｔｅｇｒａｌ ｃ。ｎＶ０１ｕｔｉｏｎ（Ｉ—ＩＣ）ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｇｅｔ ｂｅｔｔｅｒ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｏｃａｌ ｔｅｘｔｕｒｅ ｏｆ ｐｅｎｃｉｌ ｄｒａｗｉｎｇ， ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｓｅｇｍｅｎｔ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｇａｉｎ ｔｈｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ａｒｅａｓ． Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙ ｐｅｎｃｉｌ ｄｒａｗｉｎｇｓ ｗａｓ ｇａｉｎｅｄ ｂｙ ｏｖｅｒｌａｙｉｎｇ ａｎｄ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｅｄｇｅ ｄｅｔａｉｌｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ＬＩＣ。 Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｈ．ｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｇｅｎｅｒａｔｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｃｌｏｓｅｒ ｔｏ ｒｅａｌ ｐｅｎｃｉｌ ｄｒａｗｉｎｇｓ， ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ａ ｆａｓｔｅｒ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ；ｐｅｎｃｉｌ ｄｒａｗｉｎｇ；１ｉｎｅ ｉｎｔｅｇｒａｌ ｃｏｎＶｏｌｕｔｉｏｎ；ｉｍａｇｅ ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ；ｎｏｎ～ ｐｈｏｔｏ—ｒｅａｌｉｓｔｉｃ ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ（ＮＰＲ）
左右。本文中ｊ。。。可以不为ｏ，考虑到处理后要与 霓红处理的结果合并，色调太深可能会影响铅笔
画的效果，因此Ｊ。ｊ。可以进行适当调整。志。、忌。、志。
万方数据
是３个经验值，是。一般取ｏ．９，奄。、是。一般取为 ｏ．７。用户也可以根据实际进行调整。图２为对域 值处理后的图片进行白噪声处理的结果。
图２ 自噪声图 Ｆｉｇ．２ Ｗｈｉｔｅ ｎｏｉｓｅ ｉｍａｇｅ （３）图像分割 常常看到画家在铅笔画中的不同区域用不同
最后，用原图像与这个平滑版本作减法运算，就可 以得到高通滤波效果（如图１所示）。设最后经高 通滤波后的图片的表达式为￡［ｉ，力，减法运算为 虻：，力一（１＋ｄ）×／＿’［？，歹］一（矗一７７）ｘ矗［；，歹］
