CN101840585A

CN101840585A - 一种将三维对象渲染为二维图像的方法

Info

Publication number: CN101840585A
Application number: CN200910119801A
Authority: CN
Inventors: 乐大山
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-03-18
Filing date: 2009-03-18
Publication date: 2010-09-22

Abstract

本发明涉及一种将三维对象渲染为二维图像的方法：在使用显卡GPU着色器将三维对象实时渲染成类似人类手绘的二维风格图像时，分为以下三个步骤：先描边：用单色等宽的线条描出模型的边界和硬边；再进行光照渲染：用有明显界线的明暗色块来渲染模型；最后阴影渲染：借助深度阴影图技术(DepthShadow Map)实现阴影，并与光照渲染的结果加以混合。

Description

一种将三维对象渲染为二维图像的方法

技术领域

本发明涉及一种基于显示适配器GPU着色器的非真实感三维对象实时渲染方法。使用此方法渲染的三维对象所达到的二维图像最终效果有以下特点：用黑色等宽的线条勾勒对象，用明暗色块表现光照情况，具有动画风格的阴影。

背景技术

以往的卡通动画都是利用人工手绘的方式一张一张的呈现出来，而随着计算机性能的进步，开始可以利用三维绘图的方式来制作二维的对象或场景，目前这种方式在许多卡通动画以及电影当中经常被利用。简而言之，就是将原本三维对象仿真或渲染成类似人类手绘的二维风格图像。

日本动画的画风较为含蓄、严谨、精致，深受全球观众的喜爱，同时也是各国动画业者竞相模仿的一种风格。使用计算机图形学技术模仿日本动画风格进行实时绘制，可以应用于游戏等人机交互领域，提高产品的艺术感染力和市场竞争力。现已存在不少动画风格渲染的技术，但都存在一些不足。《Cartoon-Looking Rendering of 3D-Scenes》(作者：PhilippeDecaudin，1996年6月发表于“Research Report INRIA”第2919期)是最早论述卡通渲染技术的文章，这篇文章提出的基本框架至今仍未改变，但由于当时技术条件所限，作者采用的描边是图像处理技术的方法，并不适于实时渲染。《Dot3 Cel Shading》(作者：RonBarbosa，2004年11月发表于“ShaderX3：Advanced Rendering with DirectX and OpenGL”)和《Cel-Shading》(作者：Sami“MENTAL”Hamlaoui，发表于http://www.gamedev.net/reference/programming/features/celshading/)这两篇文章都从实时渲染的角度给出了解决方案，但没有实现阴影。《卡通高光的风格化算法及其实现》(作者：苏延辉、韦欢、费广正、石民勇，2006年6月发表于《中国计算机图形学进展2006》)一文针对动画风格中的高光修正进行了深入研究，但主要针对非实时渲染。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：在使用显示适配器GPU着色器将三维对象实时渲染成类似人类手绘的二维风格图像时，勾边不连贯；不支持阴影，手绘艺术感不强，转换效率不高，占用CPU资源高。

为解决上述技术问题，使用背面线框的方法实现对三维对象等宽线条描边；在动画风格渲染中应用了阴影技术，并且使用求最小值的方式进行混合。

本发明采用技术方案的基本构思是：在使用显示适配器GPU着色器将三维对象实时渲染成类似人类手绘的二维风格图像时，分为以下三个步骤：先描边：用单色等宽的线条描出模型的边界和硬边；再进行光照渲染：用有明显界线的明暗色块来渲染模型；最后阴影渲染：借助深度阴影图技术(Depth Shadow Map)实现阴影，并与光照渲染的结果加以混合。

本发明使用背面线框算法能够连贯等宽地勾边，阴影技术并与明暗效果混合，使人物在侧光下更生动，能产生艺术化的效果，而且可以较好地利用显示适配器硬件提供的特性，提高了CPU性能。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明中背面线框方法的示意图。

图2为本发明中光照渲染方法的效果图。

具体实施方式

1.描边

在DirectX或OpenGL线框模式下，使用等宽线条绘制三维对象多边形的边。结合线框模式和硬件剔除功能，可以较容易地勾勒出三维对象的二维图像特征，这种方法称为背面线框方法。

背面线框方法一共两遍，第一遍正常绘制，第二遍进行描边。在第二遍绘制时进行如下设置：先启用线框模式；然后启用硬件剔除功能，剔除面向摄像机的表面，只保留背向摄像机的表面；再将所有顶点的颜色设置为黑色或指定的描边颜色；最后设置线宽为2像素或以上，设置深度偏移量为+1。

如图1中，1为原始模型；2为线框模式绘制；3为第一遍正常绘制模型(硬件背面剔除)；4为线框模式、正面剔除、2像素线宽、深度偏移量+1的模式绘制模型；5为两遍绘制的结果；6为从摄像机角度看，模型有了边线。

在默认情况下，线框模式是以1像素宽度的细线进行绘制的，但由于边线和与它邻接的正表面的边是重合的，实际上只有线框宽度的1/2会被显示出来，因此须将线宽设置为2像素或以上。设置深度偏移量可以保证在深度缓冲区中线框均比正面更“深”一些。这样可防止三维对象距离摄像机较远时发生深度冲突(Z-fighting)。

这一方法能够有效地找到边线，对于向内折的硬折痕，也可以勾画出来。勾边线条粗细一致，且不会因对象的远近而发生变化。

2.光照渲染

光照渲染用具有明显分界线的色块来抽象地反映三维对象光照情况，使渲染生成的二维图像具有平面绘画的色彩效果。

反射光强度连续变化是造成光滑表面色彩连续变化的原因，因此要将其进行二值离散化处理，可以利用纹理映射机制实现从连续值到二值的映射。首先我们建立一个16像素宽的一维纹理，即“漫反射光照纹理”，该纹理的左侧用0(黑色)填充，右侧用1(白色)填充，其分界位置决定了二值化的阈值。

实现明暗色块光照模型时，开始绘制前，我们要将原始颜色(基色)纹理、漫反射光照纹理和高光纹理载入，分别作为第0至2层纹理。模型的顶点数据中应该已经包含了基色纹理(第0层)的纹理坐标信息。在正常绘制的遍中，进行以下操作：

(1)为显示适配器GPU中的顶点着色器(Vertex Shader)设置如下程序：先计算出该顶点的漫反射强度与镜面反射强度，再用它们作为第1层和第2层纹理的坐标。

(2)为显示适配器GPU中的像素着色器(Pixel Shader)设置如下程序：首先，将每像素的反射光强度数值当作上述纹理的纹理坐标；然后，通过图素查询，得到了反射光强度二值化后的值；最后，将这个值与该像素的原始颜色(基色)混合，就得到了基色与暗色两个色块。

图2中，1A、1B只使用基色渲染，2A、2B使用传统光照模型渲染，3A、3B使用明暗色块光照模型渲染。

对于三维对象存在高光的光泽表面，高光的处理方法与阴影基本相同。不同的是阴影色是将基色变暗，而高光是将基色变亮。另外，由于三维对象高光面积应该较小，其二值化的阈值也应更高。

3.阴影渲染

先获得三维对象的“深度阴影图(Depth Shadow Map)”及阴影，然后以取最小值的方式将阴影与之前获得的明暗进行混合。

具体方法是：先创建一个新纹理，称其为“深度阴影图”纹理，它用来保存深度信息。然后在正常绘制之前增加一遍，这一遍从光源角度进行绘制，任务是将光源摄像机空间中的深度信息绘制到“深度阴影图”纹理中。具体进行的操作为：

(1)为显示适配器GPU中的顶点着色器(Vertex Shader)设置如下程序：将顶点的空间坐标映射到光源摄像机坐标系，并将顶点的深度信息以纹理坐标的形式保存到顶点数据结构中；

(2)为显示适配器GPU中的像素着色器(Pixel Shader)设置如下程序：将纹理坐标(即该点深度)作为颜色绘制到“深度阴影图”纹理中。

在绘制接收阴影的对象时，要进行如下操作：

(1)为显示适配器GPU中的顶点着色器(Vertex Shader)设置如下程序：先进行光照渲染涉及的顶点着色器程序，然后将“深度阴影图”纹理坐标映射到对象的每个顶点上。

(2)为显示适配器GPU中的像素着色器(Pixel Shader)设置如下程序：首先，进行光照渲染的像素着色器程序中的二值化运算，得到反射光强度二值化后的值；然后，对每个像素进行一次深度测试，通过测试则将测试结果记为1(白色)，测试失败则将测试结果记为0(黑色)。最后，将反射光强度二值化后的值与深度测试的测试结果取最小值，用该值与该像素的原始颜色(基色)混合，就得到了基色与含有阴影的暗色两个色块。

Claims

1.一种将三维对象渲染为二维图像的方法，其特征在于：

A.描边：用单色等宽的线条描出三维对象的边界和硬边；

B.光照渲染：用有明显界线的明暗色块来渲染三维对象；

C.阴影渲染：借助深度阴影图实现阴影，并将所述阴影与光照渲染的结果加以混合。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述方法是基于显示适配器GPU着色器的。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述A步骤是使用背面线框的方法实现对三维对象等宽线条描边。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述C步骤是使用求最小值的方式进行混合。