1.1 研究目的及意义

对于计算机而言，传统的人机交互，我们通常为了追求输入字符的速度、提高工作效率，而去选择依赖于人工编码和键盘输入。若我们长久地选择人工编码和键盘输入的交互方式，我们也许会逐渐地忘了如何去书写一手美观的字体，甚至会忽略对手写汉字书法本身的审美标准。这些都与笔墨使我们历史文化传承的理念背道而驰。

在移动设备越来越普及的今天，人们对于触屏手写的需求也逐渐变大，手写笔迹优化已经成为了计算机图形学研究领域的一个重要研究方向。目前，手写美化的学习研究现状主要分为四个类别：数字墨水技术、虚拟毛笔模型技术、虚拟纸墨模型技术以及书法生成技术。

数字墨水强调以人为中心，它充分利用了笔画书写的自然性和墨水丰富的表达能力。这与传统的“手写识别”技术的以机器为中心的理念有着本质的区别；虚拟毛笔模型技术采集了用户书写时轨迹点的位置信息和压力参数，根据压力的大小确定笔画的粗细，然后在这些轨迹点之间通过插值来生成书法笔画；虚拟纸墨模型技术通过构建纸墨模型来更为逼真的模拟毛笔书法效果；书法生成技术指的是通过对用户书写轨迹的分析，然后对轨迹按照一定风格进行变换，从而生成具有某种书法效果的字体。

1.2 国内外研究现状

手写美化的学习研究现状主要分为四个类别：数字墨水技术、虚拟毛笔模型技术、虚拟纸墨模型技术以及书法生成技术。

1）数字墨水技术。在 2002 年，微软亚洲研究院的王坚博士提出了数字墨水的概念。数字墨水技术包含了数字墨水的压缩、显示、墨水的标志、墨水注解技术、墨水的智能操作、墨水存储以及搜索等很多相关的技术。数字墨水是一种新的人机界面技术。数字墨水强调以人为中心，它充分利用了笔画书写的自然性和墨水丰富的表达能力。这与传统的“手写识别”技术的以机器为中心的理念有着本质的区别。

2）虚拟毛笔模型技术。模拟毛笔模型最早是由 Strassmann于 1986 年提出，他提出的这个模型主要由四个主要部分组成，分别为笔刷、笔画、蘸墨和纸张。他采集了用户书写时轨迹点的位置信息和压力参数，根据压力的大小确定笔画的粗细，然后在这些轨迹点之间通过插值来生成书法笔画。但是该方法要求用户在运笔过程中，笔毫与行笔的切线方向始终保持 90 度的夹角，然后对笔毫在纸面书写过程的墨量损耗进行仿真，这样整个模拟仿真过程较为复杂，计算量也非常大，很难应用在实际之中。

3）虚拟纸墨模型技术。纸是毛笔书法最重要的载体，纸的种类、性能特点直接关系到书法效果的体现。墨水在纸张上经过一系列的复杂运动从而生成绘制的效果，墨水的扩散取决于纸张的模型和墨水扩散的算法。因此，为了更为逼真地模拟毛笔书法效果，纸墨模型的构建是至关重要的。1991 年，Guo等人提出了纤维结构的纸模型，并且将墨水在纤维上扩散的过程模拟为一维过滤的过程。2001 年，J.Lee提出将纸模型的纸面划分成若干小正方形区域，将纸模型纤维通过正弦曲线函数模拟，并用“波浪”机制模拟墨水在纸张纤维的网格中流动。国内的学者孙济洲提出了一种基于宣纸水墨传输模型，这个模型很好地模拟了笔道内水墨的扩散，笔道叠加等效果。石永鑫提出了基于粒子系统的方法来对水墨的渗透和扩散行为进行模拟。在 J.Lee 的基础上，陈海强提出墨水十字扩散的方法来进行水墨扩散效果的模拟,也取得了很好的效果。

4)书法生成技术。书法生成技术指的是通过对用户书写轨迹的分析，然后对轨迹按照一定风格进行变换，从而生成具有某种书法效果的字体。徐宋华提出通过 SARP 变换的方法来生成带有特定书法效果的字迹，该方法通过调整模型参数，以各种书法字库的字迹为模板，然后结合生成对应的书法字迹。以该技术为基础，朱星华采用基于模式分析的算法来生成手写汉字书法字体。她先借助汉字识别技术对用户输入的手写汉字加以识别，然后利用 SARP 方法对每一个笔画与标准的汉字字库进行匹配和结合，最后生成的书法字体既体现了标准书法库字体的特征，还体现了用户的独特风格。夏伟平提出了基于笔段分析与模板匹配的楷书风格的手写汉字美化方法，该方法通过分析现实书写中楷书笔段的特点，然后建立楷书的构建库，在用户写完每一笔画后进行分析，选取合适的笔段进行拼接融合，可以得到效果良好的楷书风格美化的字体。2010 年，陈和朱等人结合模糊支持向量机的曲线类比来对书法风格仿真进行研究，该算法可以通过用户设定的参数生成不同风格的书法作品。