日式动画风格非真实感三维实时渲染算法的研究new

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1、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北京100871摘要本文首先从绘画技法的角度对日式动画风格进行了分析，然后以分析结论为目标设计了一种基于GPU着色器的非真实感三维实时渲染算法。使用此算法渲染的3D场景所达到的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。此算法充分利用GPU的性能，因此非常适合在游戏、展示软件等实时渲染应用程序中应用。关键词日式动画风格非真实感渲染图形处理单元赛璐珞着色法AnApproachtoAnim

2、e-styleNon-photorealistic3DRenderingYueDashan,LongXiaoyuan,WangGuopingHCI&Multimedialaboratory,PekingUniversity,Beijing100871KeyLaboratoryofMachinePerception(MinisterofEducation),PekingUniversity,Beijing100871AbstractThisarticleanalyzedthedrawingstylesofJapaneseanimes,andthenprese

3、ntedaShader-basedNPR3Dreal-timerenderingalgorithmthatimplementsthesestyles.The3Dscenesrenderedbythismethodhavethefollowingfeatures:outliningtheedgeswithconstantthicknesslines,shadingtheobjectswithsharpcolorsandanime-styleshadows.ThisalgorithmtakesadvantagesofGPUshaders,andisapplic

4、abletoreal-timerenderingapplications,suchasgamesanddemos.Keywords:Anime-Style,Non-photorealisticRendering,GPU,Cel-Shading11引言日式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[8]。使用计算机图形学技术模仿日式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，但对于日式动画风格渲染这一特定目标，都存在一些不足。“Carto

5、on-LookingRenderingof3D-Scenes”[1]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，作者采用的描边算法是图像处理技术的方法，并不适于实时渲染。“Dot3CelShading”[2]和“Cel-Shading”[3]这两篇文章都从实时渲染的角度给出了解决方案，但都属于欧美动画风格，也没有实现阴影。“卡通高光的风格化算法及其实现”[9]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。在目前发行的商业游戏中，多数卡通渲染均为欧美动画风格，如Ubisoft的《XIII》及T

6、reyarch的《终极蜘蛛侠》；日本NAMCO公司开发的Xbox360游戏《idolm@ster》和《薄雾传说》是日式动画风格游戏的代表，但这两款游戏均无PC平台版本，同时其渲染技术也未公开。本文将首先分析日式动画风格的特征，然后针对这些特征介绍一种借助硬件着色器（Shader）的非真实感实时渲染技术。本文所介绍的技术适合实时绘制，效果可达到日本NAMCO公司在其游戏中所实现的那种动画风格渲染技术的水平。2日式动画风格的特征分析这里我所提到的“日式动画”，指的是以日本主流动画片为代表的二维手绘彩色动画片，如《灌篮高手》、《火影忍者》、《名侦探柯南》等。日本

7、著名动画制作人尾泽直志将日式动画风格的特征归纳为线条、色块和人物造型三类[7]，如图2-1。线条是日本动画中勾勒对象边界的主要工具。线条宽窄一致，使用同种颜色，仅出现在物体轮廓或者物体的硬折痕处。日本动画使用色块来表示明暗。所有表面仅被划分为明、暗两种状态，之间有明确的明暗分界线。在日本动画中，暗色块是由背向光源的区域和被其它物体遮挡产生的阴影共同构成的。在头发或金属物体表面上有时也会存在高光。2日式动画人物的造型化充分体现了日本设计师对唯美的执着。动画人物的比例都比较理想化，手脚修长，面部圆润、皮肤光滑，大眼睛、小鼻子。美少女造型身高可达到九个头，腿长经

8、常会达到身高的1/2。服装与饰物款式时尚，但色彩简单，多数服饰都是