日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感

日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感

三維實(shí)時(shí)渲染算法的研究

樂大山龍曉苑汪國平北京大學(xué)機(jī)器感知與智能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

北京大學(xué)多媒體與人機(jī)交互實(shí)驗(yàn)室DEA2008日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!非真實(shí)感渲染將三維圖形渲染得具有特定的圖畫風(fēng)格使畫面更易于理解、表達(dá)更靈活能在形式上指定一種可展現(xiàn)繪畫作品的方式，并隨之編寫生成非真實(shí)感繪畫作品的計(jì)算機(jī)程序。——Non-PhotorealisticComputerGraphics,ThomasStrothotte日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!日式動(dòng)畫風(fēng)格日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!動(dòng)畫風(fēng)格的特征線條勾勒輪廓等寬單色明暗兩色調(diào)分界明顯陰影準(zhǔn)確與暗色同色調(diào)日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!算法實(shí)現(xiàn)描邊算法明暗算法陰影算法日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!背面線框算法算法：算法一共兩遍（2passes），遍正常渲染，第二遍使用線框模式進(jìn)行渲染，但在深度緩沖區(qū)中將其深度值加1。這種情況下，每條處于邊界的線框?qū)挾鹊囊话雽⒈伙@示出來。日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!擴(kuò)展模型算法日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!

背面線框算法、擴(kuò)展模型算法、傳統(tǒng)描邊算法和正常渲染對比(a)背面線框算法可以較為準(zhǔn)確地找到邊線，包括衣褶，且線段連冠；(b)擴(kuò)展模型算法邊線較粗，不連續(xù)和粗細(xì)不均使其具有手繪般的效果；(c)傳統(tǒng)描邊算法不能準(zhǔn)確地找到邊線；(d)正常渲染。日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!算法實(shí)現(xiàn)描邊算法明暗算法陰影算法日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!明暗算法將漫反射與鏡面反射的估算式代入該式：其中，L為光源向量，N為表面法向量，R為鏡面反射方向，V為觀察方向。日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!明暗算法增加色彩將上一步得到的離散化的明暗值與該圖素本應(yīng)有的色彩或紋理之間取平均（或進(jìn)行一次線性插值），即可得到最終的圖素色彩值。日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!陰影紋理算法(a)光源攝像機(jī)空間坐標(biāo)、世界坐標(biāo)與攝像機(jī)空間坐標(biāo)

(b)從光源攝像機(jī)生成的深度陰影圖紋理，灰度越亮表示該像素深度越小，越暗表示像素深度越大

(c)深度測試示例，A,B,C三個(gè)點(diǎn)在“深度陰影圖”中對應(yīng)了相同的坐標(biāo)，在深度陰影圖中，該坐標(biāo)保存的深度值為2；A的深度值為2，通過深度測試，渲染光照；B和C的深度值均大于2，不能通過深度測試，渲染陰影。DepthShadowMap(TextureShadows)日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!性能與優(yōu)化日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!優(yōu)化：LOD使用LOD技術(shù)，在模型距離較遠(yuǎn)時(shí)，縮減模型規(guī)模、關(guān)閉陰影或描邊算法。經(jīng)測試，采用上述LOD技術(shù)，當(dāng)模型縮小至約1/4時(shí)：在B計(jì)算機(jī)84fps220fps；在C計(jì)算機(jī)46fps122fps。返回日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!總結(jié)日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!感謝各位的聆聽，歡迎提問！DEMO演示DEMO下載地址：.yueds./projects/celshading/更多幻燈片：日本動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)規(guī)模明暗與陰影背面線框算法的問題算法局限：模型規(guī)約陰影算法的平滑處理陰影算法代碼段LOD優(yōu)化創(chuàng)新點(diǎn)傳統(tǒng)算法效果現(xiàn)有動(dòng)畫風(fēng)格游戲Idolmaster游戲日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!明暗與陰影返回日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!算法局限：模型規(guī)約模型應(yīng)該盡可能光滑在希望邊界/明暗分界線停留的位置制造硬邊可以考慮使用NURBS等曲面建模工具人物面部應(yīng)使用紋理來呈現(xiàn)便于通過紋理動(dòng)畫表現(xiàn)面部表情人物各部分紋理應(yīng)只使用色塊避免使用純黑色和純白色返回日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!陰影算法的代碼段//此代碼片斷位于像素著色器中float4depths=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;floatdarkness=(shadow>diffuse)?diffuse:shadow;//存在陰影的地方，不能產(chǎn)生高光floatlightness=(shadow>0.0f)?tex1D(specularRamp,specular).x*lighten:0;floatfinal=lightness–darkness;result=float4(tex2D(myTexture,uv).xyz+float3(final),1);返回日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!傳統(tǒng)算法效果AzureProduct,.,使用已獲同意。日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!XIII,

?Ubisoft,2003日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!Idolm@ster,

?Namco,2003返回日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀日本動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)全球市場份額62%日本以外國家模仿日式風(fēng)格的動(dòng)漫作品所占的市場份額19%日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁!算法實(shí)現(xiàn)描邊算法明暗算法陰影算法日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁!描邊算法目標(biāo)：找出輪廓、單色等寬傳統(tǒng)算法背面線框算法擴(kuò)展模型算法日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁!傳統(tǒng)算法缺點(diǎn)明顯：除非模型面足夠均勻且足夠細(xì)分，否則描邊粗細(xì)及連續(xù)性無法保證。日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁!背面線框算法日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁!擴(kuò)展模型算法算法：此算法也是兩遍，遍在渲染時(shí)先使用GPU的VertexShader將模型中的每一個(gè)頂點(diǎn)沿法向方向移動(dòng)一定比例，使整個(gè)模型“加粗”，然后將剔除模式（cullmode）設(shè)置為正面剔除，即剔除面向攝像機(jī)的表面，僅保留背向攝像機(jī)的表面。最后用黑色渲染此模型。第二遍正常渲染。這樣，遍渲染出來的黑色背面就被留在了模型的外面。日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁!日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁!線框算法的效果比傳統(tǒng)算法的效果更好。日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁!明暗算法在局部光照模型中，物體表面反射光強(qiáng)度為：環(huán)境光漫反射光鏡面反射光基色塊（原色）陰影色塊（變暗）高光色塊（變亮）日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁!明暗算法目標(biāo)：產(chǎn)生明顯分界的明暗色塊二值化技術(shù)：一維紋理映射日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第36頁!算法實(shí)現(xiàn)描邊算法明暗算法陰影算法日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第37頁!日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第38頁!算法綜合1.從光源角度生成深度圖2.渲染明暗與陰影3.渲染邊界日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第39頁!性能共有約56000個(gè)多邊形，在啟用陰影、4倍硬件反混淆、1024x768分辨率、色深32位的情況下進(jìn)行測試。編號CPU內(nèi)存顯卡平均幀速率AAMDAthlon643000+1.0GBNVIDIAGeForce8500GT136fpsBIntelCoreDuo1.8GHz2.0GBNVIDIAGeForce8400M84fpsCIntelP41.86GHz1.0GBATIMOBILITYX30046fpsDIntelP43.0GHz1.0GBNVIDIAGeForce5200FX13fpsEIntelP43.0GHz1.0GBIntel82915G5fpsFIntelP41.7GHz512MBATI7500(無法運(yùn)行)日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第40頁!優(yōu)化：陰影對各像素點(diǎn)求其在陰影深度圖中的梯度，從而避免“波浪效果”；生成深度陰影圖時(shí)將畫面“聚焦”于顯示區(qū)域，并使用PCF過濾器，使陰影分辨率大大提高，從而減少“鋸齒效果”。日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第41頁!總結(jié)有針對性地模擬了日本動(dòng)畫片的技法風(fēng)格，產(chǎn)生藝術(shù)化的效果；引入陰影技術(shù)并與現(xiàn)有的明暗渲染效果加以混合是本文的創(chuàng)新點(diǎn)；較好地利用顯卡GPU性能，將CPU時(shí)間節(jié)約出來留作他用；本技術(shù)非常適合在游戲、展示軟件等實(shí)時(shí)渲染應(yīng)用程序中應(yīng)用。日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第42頁!日本動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)規(guī)模其2003年市場規(guī)模折合美元19億，人民幣136億。我國2003年動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)(含游戲)市場規(guī)模人民幣93.2億元。數(shù)據(jù)來源：“JapanAnimationIndustryTrend”，JetroJapanEconomicMonthly，June2005返回日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第43頁!背面線框算法：問題DirectX中線框粗細(xì)只能為固定1像素不能調(diào)整，進(jìn)而被顯示出來的線框的粗細(xì)僅為0.5像素，因此可能發(fā)生閃爍。解決方案：啟用“硬件反混淆”軟件繪制寬度大于1像素的線框模型距離很遠(yuǎn)時(shí)，會(huì)被所有邊線遮擋返回日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第44頁!陰影算法的平滑處理我們可以使用PCF（PercentageCloserFiltering）模板過濾器來減少陰影紋理中的“鋸齒”返回日式動(dòng)畫風(fēng)格非真實(shí)感共50頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第45頁!創(chuàng)新點(diǎn)改進(jìn)了描邊算法，使其支持連續(xù)的等寬單色線勾邊，還給出了一種更夸張個(gè)勾邊算法；實(shí)現(xiàn)了自陰影，并與明暗算法整合；實(shí)現(xiàn)“日式動(dòng)畫風(fēng)格”的所有主要風(fēng)格