卡通式渲染的3D图像
翻译 吴文杰 From GameRes
摘要:
我们给出一个关于生成类似传统卡通式风格的3D图像(静止的或活动的图像)的算法.
这种3D渲染技术将实现:
用黑色勾画出物体的轮廓和边缘,
均匀地将边缘线内的表面进行上色,
根据光源的位置渲染阴影部分(包括物体背面的阴影和投射阴影).
关键词:
计算机图形学 非照片真实性渲染 卡通 卡通渲染
简介
这篇论文提出一种关于由电脑运算生成的"卡通式"3D图像的算法.与传统的那种尝试生成尽可能和现实世界类似(也成为照片真实性)的图像渲染算法不同,卡通式的图像渲染采用一种更形式化的带暗示性质的方式(可以理解为更为抽象化).例如,由卡通描绘的角色和物体以轮廓线和较统一的着色为其特征.
(一)典型特征
在绘画中存在很多的变化和层次.轮廓的尺寸可以改变,着色的区域可能包括光泽或者由光影效果营造的一种特殊氛围.这里我们将不会去尝试重现所有的效果.我们仅仅关心如何获得一种卡通式的图像,当然包括了如何实现固定尺寸的轮廓和统一的着色.此外,我们还加入三种特效:用材质代替统一的着色区域,在物体上加入特定的高光效果,以及阴影的效果.
这里有几点要补充说明:
材质并不是必需的,但是它的引入可以为丰富图画的表现提供一条捷径,例如在一个表面上可以重复采用同一种材质贴图来减少不必要的工作量.
反射光能够为物体的材质(平坦的,发光的,金属的…)提供一种视觉反馈.材质会与光源的反射形成相互辉映,通常由小的,局部的,明亮的着色点来体现这种呼应的特性.
阴影可以为图像添加帮助观众感受图像展现成三维世界的信息.我们将会区分两种不同的阴影:背面阴影和投射阴影.背面阴影指在物体没有被照亮的一面(即背光面)所形成的与物体本身(性状和大小)有关的阴影.投射阴影指当被照明物体(称为主对象)和光源之间存在不透明或半透明物体(可以是别的物体或是物体本身的一部分,称为从对象)时,由这个中间物体(从对象)形成的落在主对象上的阴影.我们将会对这两种阴影都进行处理.在某些传统的"简陋"的卡通中(即是那些不是画得十分详细的),阴影常常是不被画出的.而在更精致的卡通中,背面阴影通常是非常形象化的,也就是说,那些一半处于光照面和另一半处于处于阴影面的区域将会拥有两种不同的颜色(但是色调还是基本保持一致的),光照面的颜色亮些而阴影面的颜色会暗些.这两种颜色间的界限是十分明显的,这点便与传统计算机图像所体现的颜色间存在平滑的过渡截然不同.此外,在只有一个静止的光源情况下,背面阴影通常十分容易用手绘出,即使被照明的物体处于运动的状态,因为它们在动画中相对的出于固定的位置,尤其是当照明光源是线性光源时(例如太阳光).但是另一方面,运动物体的透射阴影可能会在动画的过程中改变相当剧烈,因此很难用手绘出,这就暗示了卡通绘画师通常仅仅绘制静止物体的投射阴影,例如处在背景的那些物体.
上图为"真实渲染技术"生成的茶壶和"卡通渲染"的对比
(二)实现原理
我们的算法通过3D图像的几何描述来生成图像.具体使用哪种描述方法并不重要,算法本身是通用的,可以适用于任何的几何描述.(facets, patches , CSG, meatballs… )在我们的实现方法中,输入的场景是作为OpenInventor场景来描述的.图像和几何图形是由贝塞尔曲线和面来描述的.这将允许我们使用传统的投射渲染技术作为我们算法的基础.渲染是使用OpenInventor和OpenGL图形库完成并利用硬件来加速渲染时的计算.因此,扩展到其他渲染技术是非常方便的.
OpenGL使用的阴影模型是在Phong阴影模型的基础上得到.计算某一点颜色的公式如下:
接着我们将运用这条公式来取得若干个我们想要实现的效果.
Winkenbach和Salesin以及Salesbury都对钢笔和墨汁的绘画表现效果提出过实现方案.虽然他们获得的效果已经和卡通渲染十分接近,但是他们使用的方法有很大的限制条件.在Winkenbach和Salesin提出的方法中,仅仅是那些由平面构成的物体可以被处理,而在Salesbury的方法中,实现的过程需要使用者参与互动,因此两种方法都很难实现自动生成动画.
我们的算法则采用一系列的计算机图形学技术,在生成阴影时使用"阴影贴图"(shadow maps)技术,而在轮廓线描绘技术的灵感则来自于Saito和Takahashi的图像处理技术.我们方法的实现原理很大程度上得益于这些技术如何混合并应用到卡通式动画的产生上去.

下一页