CN110648384A - 卡通风格化渲染方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种卡通风格化渲染方法，本发明通过使用3D建模工具软件，对人物脸部的部分法线进行调制，将调制结果输出后可以直接使用通用的卡通渲染技术进行渲染，达到更有立体感的卡通渲染效果。本发明根据卡通风格的绘画技法，定制化的调整模型脸部的法线朝向，实现在正面受光、侧面受光等环境下均能表现出绘画技法中人物脸部的明暗受光情况。

Description

卡通风格化渲染方法

技术领域

本发明涉及一种卡通风格化渲染方法。

背景技术

近年来非真实感渲染成为了计算机图形学领域研究的热点和难点，它利用计算机图形学技术来还原卡通风格，以及手绘风格的画面。非真实感物体渲染的难点在于，现有的大部分渲染算法以及模型制作工艺，都是基于物理世界仿真的结果，无法还原卡通风格绘画自有的夸张的效果和风格，尤其是人物的面部。卡通风格人物的脸部的绘制难点表现为：卡通风格的人物脸部，需要在正面受光的时候显得很平整，而在侧面受光的时候，需要阳面大部分被照亮，小部分处于背光面，阴面大部分处于背光面，小部分被照亮，且形体有一定的绘画技法上的考究，很难在图形渲染算法层面抽象出一套统一的方法来应对各种光照角度下的明暗效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种卡通风格化渲染方法。

为解决上述问题，本发明提供一种卡通风格化渲染方法，包括：

根据卡通绘制工艺分析确定脸部3D模型中待调整的部位分别是脸部的正脸区域、鼻子区域、颧骨区域；

在3D建模软件中，将人物3D模型中脸部的正脸区域、鼻子区域、颧骨区域的法线方向分别按不同的方式进行调整；

将法线方向调整后的人物3D模型进行卡通渲染。

进一步的，在上述方法中，在3D建模软件中，将人物3D模型中脸部的正脸区域、鼻子区域、颧骨区域的法线方向分别按不同的方式进行调整，包括：

将正脸区域的法线方向向脸部3D模型的正面方向进行偏移。

进一步的，在上述方法中，将正脸区域的法线的方向向脸部3D模型的正面方向进行偏移，包括：

设正脸区域的当前定点法线方向向量为N_v，偏移系数为r₁，则正脸区域的目标法线为：

N₁＝lerp(N_v，Vector3(0，-1，0)，r₁)。

进一步的，在上述方法中，将人物3D模型中脸部的正脸区域、鼻子区域、颧骨区域的法线方向分别按不同的方式进行调整，包括：

按鼻子区域中的两侧的三角形区域自身的侧边法线方向，确定鼻子区域的法线方向的偏移方式。

进一步的，在上述方法中，按鼻子区域中的两侧的三角形区域自身的侧边法线方向，确定鼻子区域的法线方向的偏移方式，包括：

鼻子区域中左侧的三角区域的法线N₂₁以及右侧的三角区域的法线N_2r，遵循以下公式：

N₂₁＝lerp(N_v，Vector3(1，0，0)，r_2l)；

N_2r＝lerp(N_v，Vector3(-1，0，0)，r_2r)；

其中，偏移系数分别为r₂₁、r_2r。

进一步的，在上述方法中，在3D建模软件中，将人物3D模型中脸部的正脸区域、鼻子区域、颧骨区域的法线方向分别按不同的方式进行调整，包括：

将颧骨区域的法线方向按颧骨区域自身反侧方向进行插值调节。

进一步的，在上述方法中，将颧骨区域的法线方向按颧骨区域自身反侧方向进行插值调节，包括：

颧骨区域中左侧的三角区域的法线N_3l以及右侧的三角区域的法线N_3r，遵循以下公式：

N_3l＝lerp(N_v，Vector3(-1，0，0)，r_3l)；

N_3r＝lerp(N_v，Vector3(1，0，0)，r_3r)；

其中，偏移系数分别为r_3l、r_3r。

与现有技术相比，本发明通过使用3D建模工具软件，对人物脸部的部分法线进行调制，将调制结果输出后可以直接使用通用的卡通渲染技术进行渲染，达到更有立体感的卡通渲染效果。本发明根据卡通风格的绘画技法，定制化的调整模型脸部的法线朝向，实现在正面受光、侧面受光等环境下均能表现出绘画技法中人物脸部的明暗受光情况。

附图说明

图1是本发明实施例的卡通风格化渲染方法的流程图；

图2是本发明实施例的脸部部位的示意图；

图3是本发明实施例的脸部正面改前的法线示意图；

图4是本发明实施例的脸部正面改后的法线示意图；

图5是本发明实施例的脸部侧面改前的法线示意图；

图6是本发明实施例的脸部侧面改后的法线示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1和2所示，本发明提供一种卡通风格化渲染方法，包括：

步骤S1，根据卡通绘制工艺分析确定脸部3D模型中待调整的部位分别是脸部的正脸区域1、鼻子区域2、颧骨区域3；

在此，本阶段是工艺分析阶段，将人物3D模型的脸部分为了三个区域，参考图2。脸部被分为了正脸1、鼻子2、颧骨3三个部分；其中正脸1占面部绝大部分面积，为图中灰色斜线部区域；鼻子2为图2中的中心区域的两个白色的三角形部分；颧骨3为图2中的标黑的两个倒三角形，位于眼眶下方，这些部位是根据卡通绘画技法精炼出来的三个区域，是该工艺的核心所在；

步骤S2，在3D建模软件中，将人物3D模型中脸部的正脸区域1、鼻子区域2、颧骨区域3的法线方向分别按不同的方式进行调整；

在此，本阶段是实际操作阶段，可以在建模软件3dsMax中进行操作，使用脚本化工具，或者手动编辑模型法线；

步骤S3，将法线方向调整后的人物3D模型进行卡通渲染。

在此，卡通风格的人物面部渲染技术，现有技术的缺点在于：为了实现正面受光时光感更平整，往往会统一的调制模型面部的法线方向，或者在渲染程序中固定脸部模型的法线方向。这样的做法无法解决侧光情况下卡通风格的一些特殊的明暗变化。

本发明通过使用3D建模工具软件，对人物脸部的部分法线进行调制，将调制结果输出后可以直接使用通用的卡通渲染技术进行渲染，达到更有立体感的卡通渲染效果。本发明根据卡通风格的绘画技法，定制化的调整模型脸部的法线朝向，实现在正面受光、侧面受光等环境下均能表现出绘画技法中人物脸部的明暗受光情况，具有更强的立体性。

本发明的卡通风格化渲染方法一实施例中，在3D建模软件中，将人物3D 模型中脸部的正脸区域1、鼻子区域2、颧骨区域3的法线方向分别按不同的方式进行调整，包括：

将正脸区域1的法线方向向脸部3D模型的正面方向进行偏移。

在此，针对人物3D模型面部的正脸区域1，将正脸区域1的法线的方向向脸部3D模型的正面方向进行偏移。

本发明的卡通风格化渲染方法一实施例中，将正脸区域1的法线的方向向脸部3D模型的正面方向进行偏移，包括：

设正脸区域1的当前顶点法线方向向量为N_v，偏移系数为r₁，则正脸区域 1的目标法线为：

N₁＝lerp(N_v，Vector3(0，-1，0)，r₁)。

(其表示将正脸区域1的法线的方向向脸部3D模型的正面方向进行偏移，每个符号代表的中文意思：

N_v，脸区域1的当前顶点法线方向向量；

r₁，偏移系数；

N1正脸区域1的目标法线为Vector3(0，-1，0))

本发明的卡通风格化渲染方法一实施例中，将人物3D模型中脸部的正脸区域1、鼻子区域2、颧骨区域3的法线方向分别按不同的方式进行调整，包括：

按鼻子区域2中的两侧的三角形区域自身的侧边法线方向，确定鼻子区域2的法线方向的偏移方式。

在此，针对鼻子区域2的法线方向进行调节。为了让鼻子的受光更具有方向性，需要针对鼻子2的两侧的三角形区域根据每侧三角形区域自身的侧边法线方向进行调节。

本发明的卡通风格化渲染方法一实施例中，按鼻子区域2中的两侧的三角形区域自身的侧边法线方向，确定鼻子区域2的法线方向的偏移方式，包括：

设脸区域2的当前顶点法线方向向量为N_v，正脸区域2的目标法线为 Vector3(1，0，0))，则鼻子区域中左侧的三角区域的法线N_2l以及右侧的三角区域的法线N_2r分别为：

N_2l＝lerp(N_v，Vector3(1，0，0)，r_2l)；

N_2r＝lerp(N_v，Vector3(-1，0，0)，r_2r)

(其表示为将区域2的法线的方向向脸部3D模型的进行偏移，公式的符号与上述类似，下述符号代表的中文意思：

r_2l、r_2r，偏移系数；

l和r分别代表左半部分和右半部分)

本发明的卡通风格化渲染方法一实施例中，将人物3D模型中脸部的正脸区域1、鼻子区域2、颧骨区域3的法线方向分别按不同的方式进行调整，包括：

将颧骨区域3的法线方向按颧骨区域3自身反侧方向进行插值调节。

在此，最后调节颧骨三角区域3的的法线方向。颧骨区域3的法线方法整体是朝向正方向的。这个时候需要反常规的操作，将颧骨三角区的法线方向按自身反侧方向进行插值调节。

本发明的卡通风格化渲染方法一实施例中，将颧骨区域3的法线方向按颧骨区域3自身反侧方向进行插值调节，包括：

颧骨区域3中左侧的三角区域的法线N_3l以及右侧的三角区域的法线N_3r，遵循以下公式：

N_3l＝lerp(N_v，Vector3(-1，0，0)，r_3l)；

N_3r＝lerp(N_v，Vector3(1，0，0)，r_3r)；

其中，偏移系数分别为r_3l、r_3r。

在此，以上调节系数，r₁、r₂₁、r_2r、r_3l、r_3r，均可以根据实际情况动态调整。

在3D建模软件中完成法线方向的调整后，即可投入渲染。渲染技术采用常规的卡通渲染技术，即使用Cel-Shading即可。当光源处于模型正面时，因模型顶点整体偏向正方向，保证面部受光的平整性；当光源逐渐向侧方向运动时，因为鼻子的法线更偏向自身的侧方向，背光面更快的显示出阴面效果；颧骨的部分的法线因为更偏向自身侧方向的反方向，故向光面的颧骨会先出现阴面效果，而周围的面部正常受光呈阳面状态；而背光面的颧骨部分会反而保留阳面，周围的面部正常受光呈阴面状态。上述区间的明暗对比即卡通绘画用于表现人物面部受光时的技法。根据需求调节系数r₁、r_2l、r_2r、r_3l、 r_3r即可实现所需的卡通效果。

具体地说，当光源处于模型正面时，因模型顶点整体偏向正方向，保证面部受光的平整性，越平整r₁越大，反之越小；当光源逐渐向侧方向运动时，因为鼻子的法线更偏向自身的侧方向，背光面更快的显示出阴面效果，这个阴面效果出现得越剧烈，则r_2l、r_2r越大，反之越小；颧骨的部分的法线因为更偏向自身侧方向的反方向，故向光面的颧骨会先出现阴面效果，而周围的面部正常受光呈阳面状态；而背光面的颧骨部分会反而保留阳面，周围的面部正常受光呈阴面状态。这个反差效果越大，r_3l、r_3r越大，反之越小，这种设计，便得卡通风格化渲染的效果非常好，并且便得动画更具有立体性和多样性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种卡通风格化渲染方法，其特征在于，包括：

根据卡通绘制工艺分析确定脸部3D模型中待调整的部位分别是脸部的正脸区域、鼻子区域、颧骨区域；

在3D建模软件中，将人物3D模型中脸部的正脸区域、鼻子区域、颧骨区域的法线方向分别按不同的方式进行调整；

将法线方向调整后的人物3D模型进行卡通渲染。

2.如权利要求1所述的卡通风格化渲染方法，其特征在于，在3D建模软件中，将人物3D模型中脸部的正脸区域、鼻子区域、颧骨区域的法线方向分别按不同的方式进行调整，包括：

将正脸区域的法线方向向脸部3D模型的正面方向进行偏移。

3.如权利要求2所述的卡通风格化渲染方法，其特征在于，将正脸区域的法线的方向向脸部3D模型的正面方向进行偏移，包括：

设正脸区域的当前定点法线方向向量为N_v，偏移系数为r₁，则正脸区域的目标法线为：

N₁＝lerp(N_v，Vector3(0，-1，0)，r₁)。

4.如权利要求3所述的卡通风格化渲染方法，其特征在于，将人物3D模型中脸部的正脸区域、鼻子区域、颧骨区域的法线方向分别按不同的方式进行调整，包括：

按鼻子区域中的两侧的三角形区域自身的侧边法线方向，确定鼻子区域的法线方向的偏移方式。

5.如权利要求4所述的卡通风格化渲染方法，其特征在于，按鼻子区域中的两侧的三角形区域自身的侧边法线方向，确定鼻子区域的法线方向的偏移方式，包括：

鼻子区域中左侧的三角区域的法线N_2l以及右侧的三角区域的法线N_2r，遵循以下公式：

N_2l＝lerp(N_v，Vector3(1，0，0)，r_2l)；

N_2r＝lerp(N_v，Vector3(-1，0，0)，r_2r)；

其中，偏移系数分别为r_2l、r_2r。

6.如权利要求3所述的卡通风格化渲染方法，其特征在于，在3D建模软件中，将人物3D模型中脸部的正脸区域、鼻子区域、颧骨区域的法线方向分别按不同的方式进行调整，包括：

将颧骨区域的法线方向按颧骨区域自身反侧方向进行插值调节。

7.如权利要求6所述的卡通风格化渲染方法，其特征在于，将颧骨区域的法线方向按颧骨区域自身反侧方向进行插值调节，包括：

颧骨区域中左侧的三角区域的法线N_3l以及右侧的三角区域的法线N_3r，遵循以下公式：

N_3l＝lerp(N_v，Vector3(-1，0，0)，r_3l)；

N_3r＝lerp(N_v，Vector3(1，0，0)，r_3r)；

其中，偏移系数分别为r_3l、r_3r。

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