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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 DEA 2008 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-Photorealistic Computer Graphics, Thomas Strothotte 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（2 passes），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Vertex Shader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（cull mode）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： 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。 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。 Depth Shadow Map (Texture Shadows) 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 AAMD Athlon64 3000+1.0GBNVIDIA GeForce 8500GT136 fps BIntel Core Duo 1.8GHz2.0GBNVIDIA GeForce 8400M84 fps CIntel P4 1.86GHz1.0GBATI MOBILITY X30046 fps DIntel P4 3.0GHz1.0GBNVIDIA GeForce 5200FX13 fps EIntel P4 3.0GHz1.0GBIntel 82915G5 fps FIntel P4 1.7GHz512MBATI 7500(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84 fps220 fps； 在C计算机46 fps122 fps。 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； 引入阴影技术并与现有的明暗渲染效果加 以混合是本文的创新点； 较好地利用显卡GPU性能，将CPU时间节 约出来留作他用； 本技术非常适合在游戏、展示软件等实时 渲染应用程序中应用。 感谢各位的聆听，欢迎提问！ DEMO演示 DEMO下载地址： /projec ts/celshading/ 更多幻灯片： 日本动漫产业规模 明暗与阴影 背面线框算法的问 题 算法局限：模型规 约 阴影算法的平滑处 理 阴影算法代码段 LOD优化 创新点 传统算法效果 现有动画风格游戏 Idolmaster游戏 日本动漫产业规模 其2003年 市场规模 折合美元 19亿，人 民币136亿 。 我国2003 年动漫产 业(含游戏) 市场规模 人民币93.2 亿元。 数据来源：“Japan Animation Industry Trend”，Jetro Japan Economic Monthly， June 2005 返回 明暗与阴影 返回 背面线框算法：问题 DirectX中线框粗细只能为固定1像素不能 调整，进而被显示出来的线框的粗细仅为 0.5像素，因此可能发生闪烁。 解决方案： 启用“硬件反混淆” 软件绘制宽度大于1像素的线框 模型距离很远时，会被所有边线遮挡 返回 算法局限：模型规约 模型应该尽可能光滑 在希望边界/明暗分界线停留的位置制造硬边 可以考虑使用NURBS等曲面建模工具 人物面部应使用纹理来呈现 便于通过纹理动画表现面部表情 人物各部分纹理应只使用色块 避免使用纯黑色和纯白色 返回 阴影算法的平滑处理 我们可以使用PCF（Percentage Closer Filtering）模板过滤器来减少阴影纹理中 的“锯齿” 返回 阴影算法的代码段 / 此代码片断位于像素着色器中 float4 depths = float4( tex2D(shadowMap, shadowUV.xy + float2(-pixeloffset, 0).x, tex2D(shadowMap, shadowUV.xy + float2(+pixeloffset, 0).x, tex2D(shadowMap, shadowUV.xy + float2(0, -pixeloffset).x, tex2D(shadowMap, shadowUV.xy + float2(0, +pixeloffset).x); depths += depthAdjust.xxxx; shadow = (finalCenterDepth shadowUV.z) ? 1.0f : 0.0f; shadow += (depths.x shadowUV.z) ? 1.0f : 0.0f; shadow += (depths.y shadowUV.z) ? 1.0f : 0.0f; shadow += (depths.z shadowUV.z) ? 1.0f : 0.0f; shadow += (depths.w shadowUV.z) ? 1.0f : 0.0f; shadow *= 0.2f; diffuse = tex1D(diffuseRamp, diffuse).x; float darkness = (shadow diffuse) ? diffuse : shadow; / 存在阴影的地方，不能产生高光 float lightness = (shadow 0.0f) ? tex1D(specularRamp,specular).x * lighten : 0; float final = lightness darkness; result = float4(tex2D(myTexture, uv).xyz + float3(final), 1); 返回 创新点 改进了描边算法，使其支持连续的等宽单 色线勾边，还给出了一种更夸张个勾边算 法； 实现了自阴影，并与明暗算法整合； 实现“日式动画风格”的所有主要风格要素 ； 主要算法全部用GPU Shader语言实现； 性能好，适合