人工智能闖入水墨畫創作領域！它學得怎麼樣？

來源丨中科院之聲（ID：zkyzswx）

作者丨唐帆 鄧盈盈

中國的水墨作品令人驕傲，優美的線條、朦朧的意境、獨特的用墨手法為水墨作品添加瞭迷人的色彩。本文帶你揭開水墨作品創作的神秘面紗，領略水墨作品創作過程。

中國水墨作品，包括水墨畫和書法等形式。

中國傳統水墨藝術作品

從制作技法上來說，水墨畫可分為工筆畫和寫意畫。工筆畫畫法工整細致，力求寫實，重形式而輕意達，繪制過程繁瑣技法復雜；寫意畫畫法簡練，力求形似，註重作者的思想表達。寫意作品繪制主題常見，繪制技法明確，作品筆畫輪廓清晰。因此，水墨畫的 AI 創作相關研究主要針對寫意作品展開。

具體而言，將一張靜態的寫意作品的掃描件（或照片）輸入，然後提取畫作中的筆畫，對筆畫進行合理分析建模，由筆畫間相互關系推斷繪制過程，並設計渲染方法進行動態重構展示。

水墨畫創作的三個階段

小寫意水墨畫多階段繪制過程示意

第一階段：優先繪制一些比較顯著的筆畫，

第二階段：逐步繪制細節筆畫，

第三階段：最後繪制裝飾性筆畫。

在每一階段，具體的筆畫順序仍有待確定。筆畫順序受多種因素影響，包括形狀、陰影、顏色、語義信息和畫傢的運動反射等。因此在計算繪制順序的時候，考慮加入局部約束規則。

筆畫排序規則

R1：空間規則（Proximity）：繪制過程中畫傢通常會從一個筆畫移動到另一個空間距離近的筆畫，以便節省時間保證繪畫節奏。

R2：色彩規則（Color）：為保證繪畫節奏，繪制過程中畫傢通常將筆畫根據顏色分組，同一組內筆畫顏色相同，繪制時先繪制完同一組顏色相同的筆畫。

R3：形狀規則（Shape）：不同形狀的筆畫通常由不同類型的畫筆（筆刷的大小不同）繪制完成，畫傢通常也會將幾何形狀不同的筆畫分組進行繪制

R4：墨色枯潤（Wetness）：在繪制過程中，畫傢通常會用同一根墨筆連續繪制多個筆畫。繪制過程中毛筆上含的水分逐漸減少，這使得這些接連繪制的筆畫墨色會呈現由潤到枯的變化。

R5：墨色濃淡（Thickness）：與墨色枯潤變化相似，在一個局部區域內，墨色較濃的筆畫往往繪制順序優先於墨色較淡的。

R6：筆畫大小（Size）：畫傢在多階段繪制框架下逐步添加筆畫的過程中，會傾向於根據筆畫的面積、長短及尺度信息優先添加比較重要的筆畫。

R7：圓形約束（Rounding）：在水墨畫繪制過程中，通常使用兩個筆畫來繪制一個圓形物體，如葡萄、眼睛、花瓣等。這兩個筆畫的起始端點十分接近，兩終點距離亦然。

AI 繪制水墨畫，需要這幾步

1. 筆畫特征提取（考慮筆畫端點、長度、面積、尺度、形狀、枯潤、濃淡、顏色）。

2. 多階段表示：當筆畫數較多時，偏序關系較復雜，不利於計算與分析。為方便計算，科研人員進一步將 G ( S ) 化簡為哈斯圖 H ( S ) 。

3. 目標建立：將順序計算定義為目標函數的求解問題。

4. 目標求解：基於自然進化策略優化求解。

基於多階段先驗的重構模型流程圖

結果展示：

水墨畫繪制過程動態展示及與畫傢實繪過程的對比

得到水墨畫的繪制順序後，科研人員將筆畫序列中的每個筆畫按照筆畫繪制方向動態繪制出來。 筆刷在宣紙上的繪制過程抽象為一個圓錐體按一定軌跡在平面內移動。筆桿在空間中具有三個方向的平移自由度，同時可進行旋轉。通過將毛筆移動過程與圓錐模型的位置移動做映射，結合墨色枯潤變化實現對筆跡建模。

基於橢圓模型的筆畫動態顯示

水墨畫動態繪制應用場景

水墨畫創作重構不僅僅是一項極具研究價值的課題，並且有著多樣化的應用場景。

1. 水墨教學軟件（早教類）

幫助小孩子找到興趣所在，將教學指導與益智遊戲結合起來，寓教於樂不在話下。

應用示例：交互式水墨畫早教

2. 動畫生成

輔助中國風動畫作品的生成，為中國動漫事業添磚加瓦。

應用示例：水墨風格 " 講故事 "

當然，相關研究不僅僅止步於水墨畫的創造重構，還可以生成指定文字序列的書法作品。

不同於繪畫作品繪制順序變化多樣，書法作品的寫作順序往往是約定俗成的。現有方法通過大量人力物力進行字體庫設計，且現有的字庫多采用統一的字號，但實際上書法傢在書寫時字體大小變化多樣。即便處於同一副作品中，不同位置的同一個字符大小也不盡相同。

因此，考慮書法作品中字符之間的尺寸搭配、間距控制等，設計以下的方法流程：

1. 用戶給定一串文字序列，

2. 從支撐數據庫中選出指定字符，

3. 若查找失敗，使用相關字庫作為補充，

4. 確定每個字體的大小，並以第一個字符大小為基礎，計算其狀態值，並根據概率轉移矩陣 P 逐個確定後續字體狀態，最終根據狀態值調整每個字體大小，生成最終作品。

書法作品自動生成

水墨藝術是中華文化的結晶，將計算機數字化技術應用到水墨作品的創作重構當中去，有利於宣傳獨特的中華傳統風格，加強中華傳統文化的傳承和教學，增大傳統水墨元素在商業產品上的利用率，如動畫、廣告等。

參考文獻：

[ 1 ] . 中科院自動化所多媒體計算團隊水墨畫 AI 創作：http://ivc.ia.ac.cn/inkwash/

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