日式动画风格非真实感三维实时渲染算法的研究乐大山龙晓苑汪国平北京大学机器感知与智能教育部重点实验室北京大学多媒体与人机交互实验室DEA2008非真实感渲染•将三维图形渲染得–具有特定的图画风格–使画面更易于理解、表达更灵活•能在形式上指定一种可展现绘画作品的方式，并随之编写生成非真实感绘画作品的计算机程序。——Non-PhotorealisticComputerGraphics,ThomasStrothotte日式动画风格动漫产业现状日本动漫产业全球市场份额62%日本以外国家模仿日式风格的动漫作品所占的市场份额19%动画风格的特征线条•勾勒轮廓•等宽•单色明暗•两色调•分界明显阴影•准确•与暗色同色调算法实现•描边算法•明暗算法•阴影算法算法实现•描边算法•明暗算法•阴影算法描边算法•目标：找出轮廓、单色等宽–传统算法–背面线框算法–扩展模型算法传统算法•缺点明显：除非模型面足够均匀且足够细分，否则描边粗细及连续性无法保证。背面线框算法•算法：–算法一共两遍（2passes），第一遍正常渲染，第二遍使用线框模式进行渲染，但在深度缓冲区中将其深度值加1。这种情况下，每条处于边界的线框将宽度的一半将被显示出来。背面线框算法扩展模型算法•算法：–此算法也是两遍，第一遍在渲染时先使用GPU的VertexShader将模型中的每一个顶点沿法向方向移动一定比例，使整个模型“加粗”，然后将剔除模式（cullmode）设置为正面剔除，即剔除面向摄像机的表面，仅保留背向摄像机的表面。最后用黑色渲染此模型。第二遍正常渲染。这样，第一遍渲染出来的黑色背面就被留在了模型的外面。扩展模型算法背面线框算法、扩展模型算法、传统描边算法和正常渲染对比(a)背面线框算法可以较为准确地找到边线，包括衣褶，且线段连冠；(b)扩展模型算法边线较粗，不连续和粗细不均使其具有手绘般的效果；(c)传统描边算法不能准确地找到边线；(d)正常渲染。线框算法的效果比传统算法的效果更好。算法实现•描边算法•明暗算法•阴影算法明暗算法•在局部光照模型中，物体表面反射光强度为：ssddaaIkIkIkI环境光漫反射光镜面反射光基色块（原色）阴影色块（变暗）高光色块（变亮）明暗算法•将漫反射与镜面反射的估算式代入该式：•其中，L为光源向量，N为表面法向量，R为镜面反射方向，V为观察方向。))()((nsdiaakkIIkIVRNL明暗算法•目标：产生明显分界的明暗色块•二值化技术：一维纹理映射明暗算法•增加色彩–将上一步得到的离散化的明暗值与该图素本应有的色彩或纹理之间取平均（或进行一次线性插值），即可得到最终的图素色彩值。算法实现•描边算法•明暗算法•阴影算法阴影纹理算法(a)光源摄像机空间坐标、世界坐标与摄像机空间坐标(b)从光源摄像机生成的深度阴影图纹理，灰度越亮表示该像素深度越小，越暗表示像素深度越大(c)深度测试示例，A,B,C三个点在“深度阴影图”中对应了相同的坐标，在深度阴影图中，该坐标保存的深度值为2；A的深度值为2，通过深度测试，渲染光照；B和C的深度值均大于2，不能通过深度测试，渲染阴影。DepthShadowMap(TextureShadows)算法综合1.从光源角度生成深度图2.渲染明暗与阴影3.渲染边界性能与优化性能•共有约56000个多边形，在启用阴影、4倍硬件反混淆、1024x768分辨率、色深32位的情况下进行测试。编号CPU内存显卡平均帧速率AAMDAthlon643000+1.0GBNVIDIAGeForce8500GT136fpsBIntelCoreDuo1.8GHz2.0GBNVIDIAGeForce8400M84fpsCIntelP41.86GHz1.0GBATIMOBILITYX30046fpsDIntelP43.0GHz1.0GBNVIDIAGeForce5200FX13fpsEIntelP43.0GHz1.0GBIntel82915G5fpsFIntelP41.7GHz512MBATI7500(无法运行)优化：LOD•使用LOD技术，在模型距离较远时，缩减模型规模、关闭阴影或描边算法。经测试，采用上述LOD技术，当模型缩小至约1/4时：–在B计算机84fps220fps；–在C计算机46fps122fps。返回优化：阴影•对各像素点求其在阴影深度图中的梯度，从而避免“波浪效果”；•生成深度阴影图时将画面“聚焦”于显示区域，并使用PCF过滤器，使阴影分辨率大大提高，从而减少“锯齿效果”。总结总结•有针对性地模拟了日本动画片的技法风格，产生艺术化的效果；...
