计算机素描艺术的几何分析与并行化计算

The feature analysis and shape representation of 3D shape information strikingly resembles the line-based simplification and abstraction of objects in sketch art. Based on the analysis of differential geometry feature of 3D shape information, this research project aims to systematacially investigate the mathematical theory and methods for visual information acquisition and processing of 3D shapes, and to examine the fast visualization technology for computer sketch art. Concretely speaking, based on the principal skills of perception on the sideline, space, shape, angles and proportions, light and shadow in the painting, the project aims to investigate new geometric features of 3D models and their computation, measuring up to the sense of aesthetics in sketch painting, and, using the new and the previous the feature lines to study the effectiveness and the feasibility through their combination to express the sketch-styled visualization of shapes; and then to examine how to represent the image, light and shade, density and so on, in sketch painting, using the strokes like feature lines and hachure lines, especially the algorithm description for cross-hatching and shading. Finally, in order to render a complex scene model in the interactive sketch style, we plan to study the computation of relevant features and the optimization of algorithm and data structure for visualization, and to propose a distributed pipeline solution according to the requirement of geometric feature analysis and basic principles of parallel computing.

3D形状信息的特征分析和表达与素描绘画的线条化简化抽象效果有着惊人的相似。本课题基于三维形状信息的微分几何特征分析，系统探索素描绘画中3D形状视觉信息获取与处理中的数学理论与方法，研究面向计算机素描艺术的快速可视化技术。具体而言，通过绘画中对边线、空间、形状、角度和比例关系、光和影等感知的基本技巧，探索符合素描绘画视觉审美意义的3D模型几何特征新定义与计算方法，研究这些新的以及已研究的特征线对物体形状的素描风格可视化的有效性与组合表达的可行性；在此基础上，进一步研究一般场景素描图的特征线、影线等笔触线条如何有效表现物体形象、明暗、疏密等交互问题，尤其是交叉排线法和使用描影法画出过渡色调技法的算法性描述；最后研究复杂场景模型相关特征的有关计算和可视化的数据结构与算法优化，并设计面向几何特征分析的分布式并行计算方案，实现素描图的实时交互绘制。

本课题的研究任务是基于三维形状信息的微分几何特征分析，系统探索素描绘画中3D形状视觉信息获取与处理中的数学理论与方法，研究面向其中的快速计算与可视化技术。在具体执行过程中，以研究计划书为依据，采取了“理论-算法-工具-平台”的研发思路，主体内容按几何特征分析与编辑、角色动作与表情几何分析、分布式实时交互系统、素描绘制系统四个层次展开：.1. 几何特征分析与编辑：主要分别从任意高阶微分几何量估算、素描特征分析与分类两个研究点展开，重点突破高阶微分几何量估算算法，为后续的工作提供计算基础算法。几何形体的智能处理需要准确的特征分析与高效的交互工具。作为基本的理论保证与算法基础，课题在执行初期发展了两个新方法“三角网格曲面脐点检测”与“3D Snake参数化模型”。.2. 角色动作与表情几何分析：处理人体动画数据采集问题，主要聚焦计算机艺术最常见的人物形象，基于机器学习方法的角色人脸模型的简易高效重建方法以及人体肢体实时跟踪方法与系统，重点实现人物人脸的快速捕捉建模技术。.3. 分布式实时交互系统：研究面向三维模型的数据划分算法，不同区域计算内容的分布计算任务调度方案，把需要进行大量计算的工程数据分区成小块，由多台计算机分别计算，上传运算结果后统一合并；基于该框架系统采用客户/服务器模型，实现多机互联的动态交互、表情捕捉分析，并建立分布式采样计算系统，为后期的系统集成建立平台基础。.4. 素描绘制系统：主要从算法层面实现展开素描可视化系统的研发工作，并利用GPU加速技术实现素描NPR中线条与影线元素计算、生成、合成的有效算法，并在分布式实时交互系统框架的基础上，完成一个实现素描可视化分布式交互原型系统.本课题在计划执行期内，共发表论文5篇(其中4篇SCI或EI论文)，申请专利8项、软件著作权8项，研发原型系统两个（分布式实时交互系统与素描绘制系统）。当前有另2篇论文投稿中，3篇在撰写当中。

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