Artister kan snart ha till sitt förfogande ett nytt MIT-utvecklat verktyg som kan hjälpa dem att skapa digitala karaktärer, logotyper, och annan grafik snabbare och enklare.

Många digitala artister förlitar sig på bildvektorisering, en teknik som omvandlar en pixelbaserad bild till en bild som består av grupperingar av tydligt definierade former. I denna teknik, punkter i bilden är förbundna med linjer eller kurvor för att konstruera formerna. Bland andra förmåner, vektoriserade bilder bibehåller samma upplösning när de antingen förstoras eller krymper.

För att vektorisera en bild, konstnärer måste ofta spåra varje slag för hand med hjälp av specialiserad programvara, som Adobe Illustrator, vilket är mödosamt. Ett annat alternativ är att använda automatiserade vektoriseringsverktyg i dessa programpaket. Ofta, dock, dessa verktyg leder till många spårningsfel som tar längre tid att åtgärda för hand. Den främsta boven:felmatchningar i korsningar där kurvor och linjer möts.

I en artikel som publiceras i tidskriften ACM Transactions on Graphics, MIT-forskare beskriver en ny automatiserad vektoriseringsalgoritm som spårar korsningar utan fel, vilket kraftigt minskar behovet av manuell översyn. Att driva verktyget är en modifierad version av en ny matematisk teknik inom datorgrafikgemenskapen, kallas "ramfält, "används för att styra spårning av stigar runt kurvor, skarpa hörn, och röriga delar av teckningar där många linjer skär varandra.

Verktyget kan spara mycket tid och frustration för digitala artister. "En grov uppskattning är att det skulle kunna spara 20 till 30 minuter från automatiserade verktyg, vilket är betydande när du tänker på animatörer som arbetar med flera skisser, " säger första författaren Mikhail Bessmeltsev, en tidigare postdoc-assistent inom datavetenskap och artificiell intelligens Laboratory (CSAIL) som nu är biträdande professor vid University of Montreal. "Förhoppningen är att göra automatiserade vektoriseringsverktyg mer praktiska för konstnärer som bryr sig om kvaliteten på sitt arbete."

Medförfattare på tidningen är Justin Solomon, en biträdande professor i CSAIL och vid institutionen för elektroteknik och datavetenskap, och en huvudutredare i Geometric Data Processing Group.

Styr linjerna

Många moderna verktyg som används för att modellera 3D-former direkt från konstnärsskisser, inklusive Bessmeltsevs tidigare forskningsprojekt, kräver att vektoriseringen av ritningarna först görs. Automatiserad vektorisering "fungerade aldrig för mig, så jag blev frustrerad, " säger han. De verktygen, han säger, är bra för grova justeringar men är inte designade för precision:"Föreställ dig att du är en animatör och du ritade ett par bildrutor med animation. Det är ganska rena skisser, och du vill redigera eller färglägga dem på en dator. För det, du bryr dig verkligen om hur väl din vektorisering överensstämmer med din blyertsteckning."

Många fel, han noterade, kommer från feljustering mellan original- och vektoriserad bild vid korsningar där två kurvor möts - i en typ av "X" -korsning - och där en linje slutar vid en annan - i en "T" -korsning. Tidigare forskning och mjukvara använde modeller som inte kunde anpassa kurvorna vid dessa korsningar, så Bessmeltsev och Solomon tog på sig uppgiften.

Den viktigaste innovationen kom från att använda ramfält för att styra spårning. Ramfält tilldelar två riktningar till varje punkt i en 2D- eller 3D-form. Dessa riktningar överlagrar en grundläggande struktur, eller topologi, som kan styra geometriska uppgifter i datorgrafik. Ramfält har använts, till exempel, för att återställa förstörda historiska dokument och för att konvertera triangelnät-nätverk av trianglar som täcker en 3D-form-till fyrkantiga maskor-galler med fyrsidiga former. Quad mesh används ofta för att skapa datorgenererade karaktärer i filmer och videospel, och för datorstödd design (CAD) för bättre verklig design och simulering.

Bessmeltsev, för första gången, tillämpade ramfält för bildvektorisering. Hans ramfält tilldelar två riktningar till varje mörk pixel på en bild. Detta håller reda på tangentriktningarna – där en kurva möter en linje – för närliggande ritade kurvor. Det betyder, vid varje skärning av en ritning, de två riktningarna av ramfältet är i linje med riktningarna för de korsande kurvorna. Detta minskar grovheten drastiskt, eller buller, omgivande korsningar, vilket vanligtvis gör dem svåra att spåra.

"I en korsning, allt du behöver göra är att följa en riktning av ramfältet och du får en jämn kurva. Du gör det för varje korsning, och alla korsningar kommer då att justeras korrekt, " säger Bessmeltsev.

Renare vektorisering

När en inmatning ges av en pixlad raster 2D-ritning med en färg per pixel, verktyget tilldelar varje mörk pixel ett kryss som indikerar två riktningar. Börjar på någon pixel, den väljer först en riktning att spåra. Sedan, den spårar vektorvägen längs pixlarna, följa anvisningarna. Efter spårning, verktyget skapar en graf som visar anslutningar mellan de fasta linjerna i den ritade bilden. Med hjälp av denna graf, verktyget matchar de nödvändiga linjerna och kurvorna till dessa linjer och vektoriserar bilden automatiskt.

I deras tidning, forskarna visade sitt verktyg på olika skisser, som tecknade djur, människor, och växter. Verktyget vektoriserade rent alla korsningar som spårades felaktigt med traditionella verktyg. Med traditionella verktyg, till exempel, linjer runt ansiktsdrag, som ögon och tänder, stannade inte där de ursprungliga linjerna gjorde eller gick genom andra linjer.

Ett exempel i tidningen visar pixlar som utgör två lätt böjda linjer som leder till toppen av en hatt som bärs av en tecknad elefant. Det finns ett skarpt hörn där de två linjerna möts. Varje mörk pixel innehåller ett kors som är rakt eller något lutande, beroende på linjens krökning. Med dessa tvärriktningar, den spårade linjen kunde lätt följa med när den svepte runt den skarpa svängen.

"Många artister tycker fortfarande om och föredrar att arbeta med riktiga media (t.ex. penna, penna, och papper). … Problemet är att scanning av sådant innehåll i datorn ofta resulterar i en allvarlig förlust av information, säger Nathan Carr, en huvudforskare i datorgrafik vid Adobe Systems Inc., som inte var involverad i forskningen. "[MIT] -arbetet bygger på en matematisk konstruktion som kallas" ramfält, ' att rensa upp och disambiguera skannade skisser för att få tillbaka denna förlust av information. Det är en fantastisk tillämpning av att använda matematik för att underlätta det konstnärliga arbetsflödet på ett rent och välformaterat sätt. Sammanfattningsvis, detta arbete är viktigt, eftersom det hjälper konstnärers förmåga att övergå mellan den fysiska och digitala världen."

Nästa, forskarna planerar att förstärka verktyget med en tidsmässig koherensteknik, som extraherar nyckelinformation från intilliggande animationsramar. Tanken skulle vara att vektorisera ramarna samtidigt, använda information från en för att justera linjespårningen på nästa, och vice versa. "Att veta skisserna förändras inte mycket mellan ramarna, verktyget kan förbättra vektoriseringen genom att titta på båda samtidigt, " säger Bessmeltsev.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.