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了迷人的色彩。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。
圖1 中國傳統水墨藝術作品
從製作技法上來說，水墨畫可分為工筆劃和寫意畫。工筆劃畫法工整細緻，力求寫實，重形式而輕意達，繪製過程繁瑣技法複雜；寫意畫畫法簡練，力求形似，注重作者的思想表達。寫意作品繪製主題常見，繪製技法明確，作品筆劃輪廓清晰。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劃，對筆劃進行合理分析建模，由筆劃間相互關係推斷繪製過程，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：
圖2 小寫意水墨畫多階段繪製過程示意
第一階段：優先繪製一些比較顯著的筆劃，
第二階段：逐步繪製細節筆劃，
第三階段：最後繪製裝飾性筆劃。
在每一階段，具體的筆劃順序仍有待確定。筆劃順序受多種因素影響，包括形狀、陰影、顏色、語義信息和畫家的運動反射等。因此在計算繪製順序的時候，考慮加入局部約束規則。
圖3 筆劃排序規則
R1：空間規則（Proximity）：繪製過程中畫家通常會從一個筆劃移動到另一個空間距離近的筆劃，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，繪製過程中畫家通常將筆劃根據顏色分組，同一組內筆劃顏色相同，繪製時先繪製完同一組顏色相同的筆劃。
R3：形狀規則（Shape）：不同形狀的筆劃通常由不同類型的畫筆（筆刷的大小不同）繪製完成，畫家通常也會將幾何形狀不同的筆劃分組進行繪製
R4：墨色枯潤（Wetness）：在繪製過程中，畫家通常會用同一根墨筆連續繪製多個筆劃。繪製過程中毛筆上含的水分逐漸減少，這使得這些接連繪製的筆劃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，墨色較濃的筆劃往往繪製順序優先於墨色較淡的。
R6：筆劃大小（Size）：畫家在多階段繪製框架下逐步添加筆劃的過程中，會傾向於根據筆劃的面積、長短及尺度信息優先添加比較重要的筆劃。
R7：圓形約束（Rounding）：在水墨畫繪製過程中，通常使用兩個筆劃來繪製一個圓形物體，如葡萄、眼睛、花瓣等。這兩個筆劃的起始端點十分接近，兩終點距離亦然。
AI 繪製水墨畫，需要這幾步：
1. 筆劃特徵提取（考慮筆劃端點、長度、面積、尺度、形狀、枯潤、濃淡、顏色），
2. 多階段表示：當筆劃數較多時，偏序關係較複雜，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。
圖4 基於多階段先驗的重構模型流程圖
結果展示：
圖5 水墨畫繪製過程動態展示及與畫家實繪過程的對比
得到水墨畫的繪製順序後，科研人員將筆劃序列中的每個筆劃按照筆劃繪製方向動態繪製出來。筆刷在宣紙上的繪製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。
圖6 基於橢圓模型的筆劃動態顯示
水墨畫動態繪製應用場景
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。
圖7 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。
圖8 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。
不同於繪畫作品繪製順序變化多樣，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，但實際上書法家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完成最終作品生成。
圖9 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。
中科院自動化所多媒體計算團隊水墨畫AI創作相關介紹可見：http://ivc.ia.ac.cn/inkwash/
審校：董未名
來源：中國科學院自動化研究所
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