通过挖取硬资源来提高卡通渲染的速度和图像质量.doc

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1、通过挖取硬件资源来提高卡通渲染的速度和图像质量翻译吴文杰　　FromGameRes摘要：我们研究的领域是非照片真实性渲染（NPR），主要集中在卡通风格渲染的可视化3D模型：几何图形由2至3种颜色上色，同时给出明确的轮廓线。许多NPR技术是十分耗时的，而我们的目标就是在不损失图像质量的条件下在主流的图像处理平台进行实时运算。我们还特别强调通过物体精确的三角形分割技术在两种卡通颜色之间实现平滑的过渡。那么如何快速的寻找过渡边和轮廓线就是新算法的主要课题了。由于轮廓线和光照效果是计算机视图的重要暗示信息，这个算法同样对那个领域有相当关注。1．介绍当前3D计算机图形技术正在

2、往2D动画方面寻找突破口。卡通式风格的渲染就是典型的被认为纯2D表现的例子。我们将演示如何运用充分的非照片真实性渲染算法来对3D场景进行渲染以及有效的创建动画。由于计算机图形硬件的发展，现在要实现同步运算是非常容易的事情了，不过我们还是想尽可能有效的利用硬件资源。这将会帮助我们达到另一个目标：最高的实时渲染速度。目前的图形硬件都为了可以实行Gouraud阴影Z－缓冲渲染任务而进行了优化，所以我们要展示如何将它有效的运用到非照片真实性渲染如卡通渲染中去。我们再次希望强调这篇文章的目标是在不普通硬件平台山实现实时卡通渲染。某些卡通式的效果可以通过颜色着色器或特殊的材质贴

3、图来实现，有时甚至是在高端的图形硬件上创建的。而我们在这篇文章中提出的解决方法对硬件的要求没有那么高。我们的技术在为不同表面制定颜色时会更加灵活，以及能够获得平滑的过渡边界而不是像运用着色器和贴图技术得到的楼梯似的或是模糊的边界。此外，我们引进一种新的算法来快速的确定所有的轮廓线。还有，这个算法同样可以确定不同颜色的边界。这篇文章将依次包括以下章节。第2节讨论该领域的相关研究，第3节则详细的展开我们渲染的过程，第4节给出一个确定轮廓线的不同算法，第5节展示一些我们的例子，而第6节给出全文的结论和我们将来的研究方向。2．相关研究PhilippeDecaudin是第一个

4、专题论述3D卡通渲染技术的人，在他的博士论文中深入浅出的描述特定问题的解决方法，但是在实时生成方面，A.Lake,C.Marshall,M.Harris,andM.Blackstein等人发表的“Stylizedrenderingtechniquesforscalablereal-time3danima-tion”一文中提出更快捷的实现方法，就是采用在一维材质中边计算边结合贴图的技术。我们使用类似于他们的办法来产生卡通式图像和动画，继而改进整个过程的速度同时提高图像的质量。要找到和渲染一个多边模型的轮廓线，有两类解决途径可以考虑。第一种通过若干不渲染步骤来不断包围压

5、缩图像的空间从而获得如体的外形（可以通过修改深度系数和鳞状多边形数）。这个基于图像的算法最大优点在于它可以适用于分散的多边形网而不用通过预先的处理，这样这些分散的多边形网络可以很好的协调运作即使有新的多边形要动态创建或在某动画帧中要单独取消。而存在的缺点是，由于需要多步渲染，整个过程被拖慢了，而且也不能自由的控制轮廓线，例如添加材质或在其上画一条平滑的曲线。因此，许多NPR研究学者采用了基于物体空间的方法来确定轮廓线。与基于图像空间的方法相比，这个新的方法的时间复杂性不再需要O(n)――n是输入模型的边数。但是，很多研究者仍然采用O(n)的方法――即使需要包括一个预

6、处理步骤――以便于处理更简单的数据结构。如果模型在动画的过程中是固定的而且同时给出相关联的信息，那么就有可能找出比O(n)更快的算法。L.Markosian,M.Kowalski,S.Trychin,L.Bourdev,D.Goldstein,andJ.Hughes在《Real-timenon-photorealisticrendering》中提到一种随机寻找能够快速大多数单不是全部轮廓线。B.Gooch,P.Sloan,A.Gooch,P.Shirley,andR.Riesen-feld在《Interactivetechnicalillustration》中则提出

7、一种基于高斯图去寻找模型边界的方法，时间复杂度为O(klogn)，共n条边界线，其中在一个时间单位为找出k条轮廓线。还有些学者使用圆锥形的2分查找树以便处理视角的问题。甚至还有需要在4D空间中转换同一个坐标系然后再投射回8个3D立方体，过程相当复杂。我们采用再4D中进行所有计算，把GOOch的算法运用一种更直接和优雅的方式表现出来使得它更适合于光线的计算。1．卡通式渲染为了获得典型的卡通式风格，需要使用一些特殊的表现方式。轮廓线，边界线，尖锐的折痕边都是以一种粗线的形式画出。还有，物体仅仅以少数颜色进行上色。可以跳到第5节看看相关的例子图像。3．1输入作为几何图