工具改進(jìn)了自動圖像矢量化 為數(shù)字藝術(shù)家節(jié)省了時間和精力

藝術(shù)家很快就可以使用麻省理工學(xué)院開發(fā)的新工具，幫助他們更快速，更輕松地創(chuàng)建數(shù)字角色，徽標(biāo)和其他圖形。

許多數(shù)字藝術(shù)家依賴于圖像矢量化，這是一種將基于像素的圖像轉(zhuǎn)換為包括明確定義的形狀的分組的圖像的技術(shù)。在該技術(shù)中，圖像中的點(diǎn)通過線或曲線連接以構(gòu)造形狀。在其他特權(quán)中，矢量化圖像在放大或縮小時保持相同的分辨率。

為了對圖像進(jìn)行矢量化，藝術(shù)家通常必須使用專門的軟件(例如Adobe Illustrator)手動跟蹤每個筆劃，這很費(fèi)力。另一種選擇是在這些軟件包中使用自動化矢量化工具。但是，這些工具通常會導(dǎo)致許多跟蹤錯誤，需要花費(fèi)更多時間來手動糾正。主要罪魁禍?zhǔn)祝呵€和線相交處的交叉點(diǎn)不匹配。

在ACM Transactions on Graphics期刊上發(fā)表的一篇論文中，麻省理工學(xué)院的研究人員詳細(xì)介紹了一種新的自動矢量化算法，該算法可以無錯誤地跟蹤交叉點(diǎn)，大大減少了手動修改的需要。為工具供電是計算機(jī)圖形界中一種新的數(shù)學(xué)技術(shù)的修改版本，稱為“框架字段”，用于指導(dǎo)曲線，尖角和許多線相交的圖形的雜亂部分周圍的路徑的跟蹤。

該工具可以為數(shù)字藝術(shù)家節(jié)省大量時間和挫折感。“粗略的估計是它可以節(jié)省20到30分鐘的自動化工具，當(dāng)你考慮使用多個草圖的動畫師時，這是非常重要的，”第一作者M(jìn)ikhail Bessmeltsev說，他是前計算機(jī)科學(xué)和人工智能實驗室(CSAIL)的博士后現(xiàn)任蒙特利爾大學(xué)助理教授的助理。“希望自動化矢量化工具對于關(guān)心工作質(zhì)量的藝術(shù)家來說更加實用。”

該論文的共同作者是Justin Solomon，CSAIL的助理教授，電氣工程和計算機(jī)科學(xué)系，以及幾何數(shù)據(jù)處理小組的首席研究員。

引導(dǎo)線條

許多用于直接從藝術(shù)家草圖模擬三維形狀的現(xiàn)代工具，包括Bessmeltsev先前的研究項目，需要首先對圖紙進(jìn)行矢量化。自動矢量化“從來沒有對我有用，所以我感到沮喪，”他說。他說，這些工具適用于粗略對齊，但不是為精確設(shè)計的：“想象一下你是一個動畫師，你畫了幾幀動畫。它們是非常干凈的草圖，你想要編輯或著色它們在計算機(jī)上。為此，你真的關(guān)心你的矢量化與你的鉛筆畫一致。“

他指出，許多誤差來自兩個曲線相交的原點(diǎn)和矢量化圖像之間的未對準(zhǔn) - 在一種“X”結(jié)中 - 并且一條線在另一條線上結(jié)束 - 在“T”結(jié)中。以前的研究和軟件使用的模型無法在這些交匯處對齊曲線，因此Bessmeltsev和Solomon承擔(dān)了這項任務(wù)。

關(guān)鍵創(chuàng)新來自使用框架字段來指導(dǎo)跟蹤。幀字段為2-D或3-D形狀的每個點(diǎn)分配兩個方向。這些方向覆蓋了可以指導(dǎo)計算機(jī)圖形中幾何任務(wù)的基本結(jié)構(gòu)或拓?fù)?。例如，框架字段已被用于恢?fù)被破壞的歷史文檔并將三角形網(wǎng)格 - 覆蓋三維形狀的三角形網(wǎng)絡(luò) - 轉(zhuǎn)換為四邊形網(wǎng)格的四邊形網(wǎng)格。四網(wǎng)格通常用于在電影和視頻游戲中創(chuàng)建計算機(jī)生成的角色，以及用于更好的現(xiàn)實世界設(shè)計和模擬的計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)。

Bessmeltsev首次將幀場應(yīng)用于圖像矢量化。他的幀場為圖像上的每個暗像素分配兩個方向。這可以跟蹤切線方向 - 曲線與附近繪制曲線的線相交。這意味著，在繪圖的每個交叉點(diǎn)處，框架場的兩個方向與交叉曲線的方向?qū)R。這大大減少了交叉口周圍的粗糙度或噪音，這通常使它們難以追蹤。

“在一個交叉點(diǎn)，你所要做的就是沿著框架區(qū)域的一個方向，你得到一條平滑的曲線。你可以為每個交叉點(diǎn)做到這一點(diǎn)，然后所有的交叉點(diǎn)都會正確對齊，”Bessmeltsev說。

清潔矢量化

當(dāng)給出每像素具有一種顏色的像素化光柵2-D繪圖的輸入時，該工具為每個暗像素分配指示兩個方向的十字。從某個像素開始，它首先選擇跟蹤方向。然后，它沿著方向跟蹤沿像素的矢量路徑。跟蹤后，該工具會創(chuàng)建一個圖形，捕獲繪制圖像中實體筆劃之間的連接。使用此圖表，該工具將必要的線條和曲線與這些筆劃進(jìn)行匹配，并自動對圖像進(jìn)行矢量化。

在他們的論文中，研究人員在各種草圖上展示了他們的工具，例如卡通動物，人和植物。該工具可以使用傳統(tǒng)工具對所有錯誤跟蹤的交叉點(diǎn)進(jìn)行干凈矢量化。例如，使用傳統(tǒng)工具，面部特征周圍的線條(例如眼睛和牙齒)不會停留在原始線條所處的位置或穿過其他線條。

本文中的一個例子顯示像素構(gòu)成兩條略微彎曲的線條，通向卡通大象佩戴的帽子尖端。兩條線相交的地方有一個尖角。每個暗像素包含一個直線或略微傾斜的十字形，具體取決于線條的曲率。使用這些橫向方向，跟蹤線可以很容易地跟隨它在急轉(zhuǎn)彎時突然轉(zhuǎn)動。

“許多藝術(shù)家仍然喜歡并喜歡使用真實媒體(例如，鋼筆，鉛筆和紙)。問題是，將這些內(nèi)容掃描到計算機(jī)中往往會導(dǎo)致嚴(yán)重的信息丟失，”Nathan Carr說道。 ，Adobe Systems Inc.的計算機(jī)圖形學(xué)首席研究員，沒有參與該研究。“[麻省理工學(xué)院]的工作依賴于一種稱為”框架字段“的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，用于清理和消除掃描草圖以消除這種信息丟失。這是一個很好的應(yīng)用，使用數(shù)學(xué)來促進(jìn)清潔井中的藝術(shù)工作流程 - 總之，這項工作很重要，因為它有助于藝術(shù)家在物理和數(shù)字領(lǐng)域之間進(jìn)行過渡。“

接下來，研究人員計劃使用時間相干技術(shù)來增強(qiáng)該工具，該技術(shù)從相鄰的動畫幀中提取關(guān)鍵信息。我們的想法是同時對幀進(jìn)行矢量化，使用一個幀中的信息來調(diào)整下一幀的線跟蹤，反之亦然。“知道草圖在框架之間沒有太大變化，該工具可以通過同時查看兩者來改善矢量化，”Bessmeltsev說。