Moxi虚拟水墨工具

港产 - Moxi强大的中国画软件


下面以对开发者的采访形式介绍这个工具

请讲解一下你的工作?
Nelson:在进行虚拟毛笔的研发时，我一直都是在香港科技大学计算器科学系里的Vision & Graphics Lab内工作，职位是RA(Research Assistant/研究助理)，在研究室里约有廿五位同事/研究生。

请简介一下你之前在大学时修读的科目及任何有关课程?
Nelson:我在科大本科生时是修读Computer Engineering (计算器工程学)的，Computer Engineering简单来说就是软件和硬件的知识都学，那时我其实也希望为研究虚拟毛笔而铺路，如当我修读一个EE(Electronic Engineering/电机工程学)课程时，也曾经尝试利用ultrasound (超声波)制作3D输入装置。Nelson:直至完成了3年的大学课程后(编者注:Nelson以一级荣誉毕业)，我心里仍未想过放弃研发虚拟毛笔这计划，于是再去成为PG(Postgraduate/研究生: Master of Philosophy in Computer Science/哲学硕士（计算器科学）)，并希望可以运用这段修读时间去进行我的研究，那时是1999年的9月。不过后来我才发现PG其实并不是想象般休闲，除了要负责TA(Teaching Assistant)的工作外，也要写paper(论文)(编者注:Nelson的论文研究是Animating Chinese Landscape Paintings and Panoramas)，所以其实在当时，我也只有很少的时间去研发虚拟毛笔，但总算是正式开始了。

是什么原因驱使你研究虚拟毛笔的兴趣?
Nelson:大概在10年前，是我仍然就读中学6年级的时候，当我最初开始接触绘图软件Painter时，我就觉得它就算配上有压力感应的手绘板都未能做到毛笔的效果。其实我一向都认为毛笔是个很利害的的绘图工具，可惜市场上的绘图系统就是没有毛笔的模拟，原因应该是那些绘图软件大都是由西方人开发，而他们可能都不太了解毛笔的特性，再加上当时硬件运算速度慢，难以仿真出像由毛笔画出的多变线条。于是在当时我就一直在想，将来可否由自己开发呢。Nelson:不过之后我一直都未有时间去真正实行这个构思，直至在大学2、3年级的时候，我有时间便到图书馆找数据以及尝试请教一些身边的朋友。我还记得曾询问过我的宿社同房，他当时是修读土木工程的。我见他有修Structural Analysis (Computer Methods of Structural Analysis/结构性分析)的课程，便向他请教，不过他说那些分析主要是用于木材或钢条之类，不太适合笔毛般柔软的物料。其实当时我也忙于应付自己的课程，毛笔的研究未算得上正式开始。

完成了研究生的课程后，你如何继续虚拟毛笔的研究?
Nelson:由于当时关于虚拟毛笔的开发还末完成，故此我的advisor (导师) Dr. Chiew-Lan Tai(戴秋兰博士/Associate Professor of the Department of Computer Science)就为这项研究申请了经费，而我则以RA (Research Assistant)的身份继续研究下去。

你研究虚拟毛笔的软件名称是什么?
Nelson:开发初期因为只有笔的模拟，我给它取名《写意轩》，英文则是 Bristle Studio。而在写SIGGRAPH 2005 论文时，因为墨是主打，我便称它为MoXi，是“墨戏”的普通话拼音。现在其实我想找一个可反映出笔墨两者结合的新名称。

研发时间合共享了多久?
Nelson:大约五年，首三年主要是开发虚拟毛笔的部份，之后的两年是进行水墨的研发。

可以详细地讲解一下虚拟毛笔的整个开发过程吗?
Nelson:在开始时我不断寻找有关的书藉，以及阅读其它CG研究员的paper，其实当时已经有日本、韩国、甚至本地大学的学者也做过毛笔，不过我还是希望可做到更加真实的效果。我记得大约在98年，学术界掀起了Cloth Simulation (布料模拟运算)的热潮，我也曾经研究有关技术，但最后我觉得那些time-stepping的方法用于毛笔上并不是太适合。幸好做力学模拟的方法不只得一类，还有一大类叫Variational的方法。相比之下我觉得后者很适合用在虚拟毛笔上，于是便选用了属Variational类的Energy Minimization方法来模拟笔毛的变形。选定了仿真方法，还要设计毛笔的结构，其实我的设计并不复杂，笔头由毛束组成，每一毛束有一骨架，骨架外以一简单曲面代表毛束着墨部份。设计好了，剩下的就是编写计算机程序把它实现出来。
MoXi: Real-Time Ink Simulation (page 2/6) (continue)
Face to face with Nelson S.-H. Chu
Nelson以水墨描绘白兔 (如欲欣赏更详细片段,请到 Moxi官方网站 直接下载)

为何虚拟毛笔需要用模拟运算?
Nelson:其实我主要是希望做到近似真实书法中，行书及草书那些优美的线条，而我认为如果不以物理仿真笔毛的弹性的话，笔锋以至笔划都不会自然，很难让用家像用真笔般挥洒，画出生动的线条。

在开发途中有否请教过绘画高手的意见?
Nelson:虽然我一直闲来有画画，不过我并没有正式跟老师学习过中国书画，只是看书和录像学过而己。但是我有经常去听中国书画家的讲座，从中了解更多最新的有关信息，好像因此我学习到使用“墨色催化济”来加强水墨渲染开的感觉等。于03年，王无邪先生 (Mr. Wucius Wong /当代书画名家)曾在香港艺术馆举办讲座，当时我亦有给他看过我的研发，被此交流了一番。而科大也不时会邀请国内的书画家到来作艺术交流，当中有位南京来的画家也对我的研发也非常赞同，他还跟我说:「其它的技术人员都不懂艺术家要什么，但是你懂!」

有哪些画法技巧，你的软件是暂时仍未能够完全模仿?
Nelson:暂时我的软件未能完全模拟书法中的“藏锋逆入”(相反为“露锋”，日本人大多用“露锋”，中国人则喜欢“藏锋”)。这是因为我的毛笔骨脊只有六节，故暂时是做不到笔尖上的细微屈曲。不过将来更强的CPU将可让我们加上更多骨脊节数，或者我们也可再修改一下，以曲线作为骨杆，要做到“逆入”的效果在将来相信是不难的。

可否讲解有关虚拟毛笔笔头骨架的部份?
Nelson:在初期研发的首一两年，我只是用了一束毛束，毛束骨架由一根骨脊(Spine)和一些侧节组成，而一根骨脊则由数节骨杆所连成。当时的CPU (Central Processing Unit) 速度较慢，而我们的软件也未optimize (优化) 好，所以仿真速度只做到25fps(frame per second)，如果挥笔动作太快会有起角的毛病。我之后的工作是优化程序的运行速度，程序快了便可加添几根分支骨脊上去，以令笔毛散开的效果更佳。

以现有的CPU速度估计，最多可用上几多根骨脊呢?而你觉得需要几多根骨才会是最完美?
Nelson:现在设定最多为5根骨脊，但一般3至4条亦已经足够做到毛笔散开的效果。毛笔上其实并没需要制造过多的分叉，因为我们在毛束的曲面上用了alpha map，已可做到一定程度的分叉和干笔效果。如果真的希望在绘画时能够出现很多分叉，像用很干的笔在纸上擦的话，那么准确的力学模拟会相对地变得不太重要，相反地重点会落于Controlled Randomness(受控的随机性)。Nelson自行改装的毛笔。他利用3D mouse(鼠标)内里的ultrasound sensor部份，别外还加上Gyroscope (回转仪)去计算Orientation (定向)。

你曾经自行设计了一枝感应笔，何以最后还是使用上Wacom笔?它的好处是什么?
Nelson:最初，我认为Wacom笔的笔尖只有一两mm(毫米)的压力操控，是难以把它当作约一吋高的真笔锋，于是便自行尝试去造一枝模拟的感应笔。由于当时经费有限，我们买回来的都是一些较便宜的装置或零件;例如当时我就利用3D mouse(鼠标)内里的ultrasound sensor(超声波感应器)部份，并上自己的毛笔上，另外还加上gyroscope (回转仪)去测量orientation (定向)，可惜最后却令毛笔的重量增加，而且笔尖接触台面的承受力与计算机内出现的虚拟毛笔也很难配合，再加上感应器本身又不是太准确，所以出来效果不太理想。而最终选用Wacom笔，主要是因为当我亲身试过之后觉得那一两亳米的操控原来不是想象中那么差的!而且Wacom的硬件己被广泛采用，用家很容易便可以找它来玩我的系统。还有就是最新推出的Wacom 6D Art Pen已加有twist(扭转)功能，可以说刚好配合了我们操控的须要。其实说起刚巧，近年来迅速发展的GPU (Graphical Processing Units) 也是刚巧配合了我们的发展。

太给力了，楼主我爱你

软件中出现的毛笔及桌子都是你自己亲自建模的吗?
Nelson: 我本身在编写程序时有用一个名为GLScene (www.glscene.org)的程序组件库，而毛笔及桌子都是我用GLScene 所包含的简单编辑器制作的。

你认为现在的《写意轩》是否已经成熟至可推出市场?
Nelson:仍未可以，主要因为有些功能还末完成。不过如果现在有人问我要《写意轩》试玩，我一般都答应。如读者有兴趣试玩，可到我们FAQ page (http://visgraph.cs.ust.hk/MoXi/FAQ.html) 看看。

你的软件现在已经开发得相当成熟，不过你认为是否还有什么可改进的空间?
Nelson:其实很多西方人都会问我同一个问题，就是我可不可做水彩画的摸拟。我觉得将来有机会是会去做的，因为毕竟画笔的变化其实都是万变不离其中，而水彩也很像水墨。另外，我觉得其实数码绘画相对于真媒体绘画，其中一个最大的缺点还是解像度的问题，所以我希望能够做到可以offline(离线，即先把笔墨的操控记录，然后再依记录画出)去画出高解像度的作品，不过暂时技术上GPU还未能直接存取main memory，所以现在高解像度输出还是比较麻烦。

在未来，你是否仍然会继续研发虚拟毛笔下去?
Nelson:会，其实有很多地方都应该继续做下去。这么多年来，我都希望《写意轩》能够获得外面的公司赏识，及愿意投资更多资源去发展这个软件。在大学里研究，由于资源有限，进度不能像大公司里有一大队人一起开发那么快。不过在有公司愿意投资之前，我仍会留在大学工作。

为何虚拟水墨需要用模拟运算?
Nelson:如果你有玩过水墨画，会发现当水用得较多时，在宣纸上会出现有流动感的墨象，我相信这些墨象是由水之流动所造成，但水在宣纸的纤维间流得很慢，不易被肉眼看出。于是我便用摄录机拍下整个渗化过程，之后看回快镜回放时，我们便不难看到水之流动，而这也肯定了仿真水墨是需要用上一个完整的Fluid Simulation (流体摸拟运算)，而不应像前人般，只用Diffusion (扩散) 来摸拟。

Nelson:不过要做到实时Computational Fluid Dynamics(CFD)是有一定难度的，其实之前有人也做过，例如Mark J. Harris (University of North Carolina at Chapel Hill/NVIDIA Corporation)，2003年他发表了他把Jos Stam 的CFD方法带到GPU上的工作。当然方法也不只一种，CFD在历史上的出现，其实可追溯至二次大战前，而在大战后有了大型计算机出现，CFD便得到篷勃发展，计算方法也变成五花八门。而最近的20年，又出现了一种名为”Lattice Boltzmann” 的新方法。我得知这种新方法，是因为看到由State University of New York at Stony Brook的CG 研究人员在2002年所写的文章。Lattice Boltzmann方法十分适合parallel processing (并行处理)，在现代的GPU上跑是非常cost-effective (具成本效益)的。所以我也选用Lattice Boltzmann来模拟水墨。

Nelson: 定了用Lattice Boltzmann后，也不是一拍即合的。为了乎合水墨的情况，我把Lattice Boltzmann 的方程式改了一下。因为自己始终不是专修物理的，所以我也很想请教一下物理专家。在05年7月，我在一国际流体力学研会中，讲了一下我们的Lattice Boltzmann模型，一方面是为了想得到专家的feedback(响应)，另一方面也希望可向他们介绍一下GPU的应用。在会中很高兴见到Lattice Boltzmann方法的权威 Dr. Luo Li-Shi (National Institute of Aerospace, USA)。他赞我的应用十分好，说它把物理科学与艺术结合了。不过其实我最想听到的还是他技术上的意见，可惜他工作繁忙，未暇赐教。

是否会加入泼墨的效果?
Nelson:其实一般如张大千式的泼墨，是不一定有泼的动作，他们一般都会选择一些吸水性较低的纸，让水墨于纸面上随意地流动，“泼”是指“随意”、“快速落墨”的意思。现在《写意轩》的版本暂时仍没做到纸面流动，不过将来有时间我会试做。之于如真的要有泼的动作，现有版本已经做到类似喷枪的效果，离泼不远，反而问题是输入装置的配合。我发现Wacom出产的Intuos 2 、3手绘版其实是有由笔尖到绘板之间大约半吋高的距离感应。这是没公开的功能，有机会我想和Wacom谈谈这功能的发展。

可以讲解一下为何虚拟水墨要利用上GPU吗?
Nelson:其实就算不做水墨渗化的话，GPU还是能帮上很大忙的。我们模拟毛笔的动作时已用了很多的CPU运算资源，但绘图系统还需要计算和画出笔触，如果全部运算都由CPU处理的话，就会很慢。幸好当时的GPU (我们那时是用Geforce 2 Pro) 己发展到有了pixel-buffer，这令我们可以把计算和画出笔触的处理分给GPU负责，要不然我们当初恐怕连25fps都没有。

Nelson:至于要做到水墨在宣纸上渗化的效果，则更加需要靠GPU了。近年3D游戏普及，对GPU要求大大提升，以致其发展特别迅速，现在的GPU己可作为一个parallel 的co-processor，可应用到流体力学或其它的科学运算。而我也因此顺理成章地用了GPU来模拟水墨的流动，开发上我是用了OpenGL及nVIDIA 的Cg Language来设计。

在水墨方面仍有那些地方可以改进?
Nelson:真水墨还有一些复杂的花纹我们暂时末能做到，毕竟真实与模拟仍有段距离。其实有些边位的不规则渗化情况，就连一些专门研究物理的人亦都末能完全理解呢。我个人认为，我们未必要做到和真水墨一模一样，有了水墨的神髓就己很好了，如果有时间改进，我想我会花较多精神于发展新效果，一些现实难以做到的新效果。

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我最喜欢像楼主这么有意思的人了，哈哈

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我靠！看来医生是都疯了！要不怎么让他出院了！

我是个凑数的。。。

不知该说些什么。。。。。。就是谢谢

天啊，我居然看完了...

我对LZ的景仰犹如滔滔江水..绵绵不绝...又如黄河泛滥...一发而不可收拾...LZ的帖子实在用笔墨难以形容...

谢谢楼主了，很棒！

看到这帖子真是高兴！

你们这些不懂欣赏的屌丝!

楼主威武霸气！

我只是来回帖的，无回帖，不论坛，这才是人道。

谢谢楼主，共同发展！

效果很棒，真是难得给力的帖子啊。

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呵呵，楼下的怎么看？

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