毛筆筆鋒之模擬及其水墨書畫系統：国立台湾大学资讯工程学研究所

國立臺灣大學資訊工程學研究所碩士論文指導教授：歐陽明博士毛筆筆鋒之模擬及其水墨書畫系統AChinesePaintingSystemBasedonBrushDynamicsSimulation研究生：連挺佑學號：R89922007中華民國九十一年六月前言與感謝碩士班兩年的時間一轉眼就過去了，真的很幸運能夠加入多媒體實驗室。這裡的學長姐跟同學們都身懷絕技，從他們的身上可以學到各方面以前根本不曾接觸的知識。實驗室的四位老師也提供了一個自由開放的環境讓我們能夠自由發揮，並提供許多昂貴的硬體及軟體設備供我們研究使用，使我們可以在良好的環境下工作。這兩年的時間對我而言非常寶貴，在這裡學到了很多東西。關於這篇論文，首先要感謝指導教授歐陽明博士，他在各領域廣博的知識真的很令人佩服，開明的讓我們選擇自己有興趣的題目，並且給予我們許多建議與支持。雖然因為接任系主任的關係，老師這兩年非常的忙碌，但還是很關心我們的學習，無論是在學問本身或是做學問的態度上，都給我們很多的教導。除此之外，實驗室的學長姐及同學在論文期間幫了我很多忙。圖學組的葉正聖學長給了我很多關於這題目的建議，也很熱心的幫我找了許多相關的資料，開發的裝置也是靠他支援的。田曉珮同學幫我測試系統並畫了一些好看的作品。鼎勻學長熱心的幫我找了他女朋友及同學來試用我的系統並給了許多建議。葉俊緯同學也給我了一些關於國畫模擬方面的方法。在這裡還要特別感謝我的大哥，由於他本身是學國畫的，對於我選擇這個題目的動機也有一些影響。而我在發展的過程中，也是由他來給我意見及建議，最後的系統他也幫我做了測試及畫了一些成果。最後要感謝我的父母親給我的支持，讓我能夠自由的選擇我所走的方向。2002年6月10日1摘要書法及水墨畫是中國重要的傳統文化，其特有的水墨表現方式和抽象寫意的畫法與西方的繪畫有很大的不同。為了讓書法及水墨畫的創作更加的方便及容易上手，我們發展了一個以手寫板作為輸入裝置的水墨書畫系統。使用者拿著數位筆在手寫板上作畫，隨著筆的位置、角度及使用力道的不同，在虛擬宣紙上畫出像毛筆一般的效果。這個系統主要由三個部份組成。輸入裝置及使用者界面讓藝術家可以直覺式的創作。由於手寫板包含著角度的資訊，讓毛筆的模擬可以更加真實，使用者用起來也比較順手。毛筆筆鋒的模擬則是以彎曲彈簧的力學模型為基礎，來模擬出毛筆筆頭隨著力的作用而變化的樣子。以此，可以模擬出像筆毛分岔一般的效果。水墨傳輸系統則是模擬出水墨在毛筆跟宣紙上傳輸的情形。這個系統採用多層的水墨結構，配合水墨傳遞、水墨遞減與水墨擴散的演算法，表現出水墨畫的筆觸效果。市面上有一些繪畫的軟體也能達到模擬水墨畫的效果，但其上手所需的時間並不短。若有一套軟體能夠容易上手，並可直覺的隨手創作，對藝術及娛樂方面都會有一些貢獻。這也是這套系統所希望達到的目標。（關鍵字：HumanComputerInteraction,PaintingSystems,ChinesePainting,Calligraphy,Applications）2AbstractCalligraphyandChinesepaintingaresignificanttraditionalartsofChina,anditsrepresentationofinkandwater,aswellastheabstractartisticconception,isquitedifferentfromthatofWesternpainting.Inordertomakepaintingprocesseseasiertobeadaptedtoandmoreconvenienttouse,wedevelopaChinesepaintingsystemusingapressuresensingpenandatabletasitsinputdevices.Userscanholdthedigitalpenanddrawontablet.Asthepositions,orientations,andpressuresofthedigitalpenchange,strokesinChinesepaintingaresimulatedonavirtualpaper.Thissystemiscomposedofthreeparts.First,inputdevicesanduserinterfacehelpartistspaintintuitively.Becausetheinputdevicescontaininformationoforientations,brushsimulationbecomesmorerealistic.Second,bendingspringsareusedtobeourskeletonsofabrushinordertosimulatethedynamics.Accordinglyitcanproducetheeffectsofbrushforking.Last,theink-watertransfermodelisresponsibleforinkandwatertransferbetweenbrushandpaper.Multi-layerstructureofinkandwaterisadoptedinoursystem,andthismodelcansimulateChinesepaintingstrokesbycombiningalgorithmsoftransfer,fadingandspreadingofinkandwater.ThereexistcommercialpaintingsoftwarewithfunctionsofsimulatingChinesepainting,however,itcostsmuchtimeandeffort.Hence,asystemthatiseasytousewithoutmuchtrainingcanmaketheprocessofcalligraphyandChinesepaintingmorepopularanduserfriendly,andthatiswhywedesignthissystem.(KeyWord:HumanComputerInteraction,PaintingSystems,ChinesePainting,Calligraphy,Applications)3目錄/Contents摘要......................................................................................................................1ABSTRACT........................................................................................................3目錄/CONTENTS...............................................................................................4圖表目錄..............................................................................................................6第一章：導論......................................................................................................81.1概論.............................................................................................................81.2動機...........................................................................................................101.3相關研究....................................................................................................111.3.1繪圖軟體...........................................................................................111.3.2NPR...................................................................................................121.3.3模擬繪圖系統...................................................................................131.4貢獻...........................................................................................................14第二章：系統簡介............................................................................................152.1系統需求...................................................................................................152.2系統架構...................................................................................................162.3資料結構...................................................................................................17第三章：使用者介面及輸入裝置....................................................................203.1使用方式...................................................................................................203.2功能簡介...................................................................................................213.3輸入裝置...................................................................................................24第四章：筆刷模型之建構................................................................................254.1毛筆之簡介...................................................