非真实感渲染设计

2019-10-21

图形学渲染风格主要分为真实感渲染和非真实感渲染两大类。真实感渲染目的在于渲染出相片级别的画面真实感,而非真实感渲染的目的更加的多样,主要在于模拟艺术化的绘制风格,呈现出手绘的效果。常见的非真实渲染技术包括卡通渲染、油画渲染、像素感渲染、铅笔画、素描画、蜡笔画和水墨画等类型。其中,应用最广和研究最多的绘制类型就是卡通渲染。
卡通渲染
卡通渲染是非真实感渲染领域应用最广的渲染技术,在游戏和影视领域非常的常见。卡通渲染在影视领域的主要代表作有《你的名字》;而游戏领域的代表作就非常多了,其中最出名的有Okami、崩坏3、塞尔达传说和军团要塞2等作品。下图是游戏Okami和塞尔达传说的实时卡通渲染画面。
 
卡通渲染风格
卡通渲染在游戏领域主要分为美式卡通风格和日式卡通风格两种。其中美式卡通色彩上比较连续,不会出现明显的色块分界线,主要代表作有军团要塞2;而日式卡通在着色方面会有明显的色块,色块的分界线清晰,主要代表作有崩坏3。从这些图片我们可以发现卡通渲染和真实感渲染有很多的不同,其中最大的不同在于描边处理和艺术化着色。
描边
描边几乎是所有非真实感渲染都需要实现的效果,只不过不同的渲染风格有不同的描边细节。在Real-Time Rendering一书中将描边技术分为了以下五大类:基于法线和视角的描边、过程式的几何描边、基于图片处理的描边、基于轮廓线检测的描边和混合以上几种描边方法。其中,使用的最多的是基于法线和视角的描边、过程式几何描边两种方法。
1、基于法线和视角的描边
 这种描边算法主要是使用视角方向和法线方向的点积结果float vdotn = dot(viewDir, normal来获取轮廓线的信息。通过观察我们容易发现,位于边缘的像素点与视角的夹角接近90°,而越远离边缘的像素点与视线的夹角越小。该描边方法既可以通过一个阈值参数_EdgeThred来控制轮廓线宽度,也可以通过一维纹理图来控制。该方法其实相当于使用一个环境贴图来处理物体的表面。基于法线和视角的描边最大的优点就是简单、容易实现,只需要一个Pass就可以得到描边效果;缺点也非常的明显,从下图中我们可以明显看到描边的线条粗细差别很大,不容易控制,有较大的局限性。
 
法线和视角的关系

基于法线和视角描边得到的效果

描边的线条粗细不一
过程式几何描边
过程式几何描边需要使用两个Pass来进行描边处理。在第一个Pass中只渲染背面的面片,用来实现描边的效果;然后第二个Pass中对模型进行正常的渲染。在第一个Pass进行描边处理时,我们利用顶点着色器将物体本身沿法线方向进行一定的扩展,得到一个比原来模型略大一些的模型来实现物体的轮廓可见的效果,这种方法一般被称为Shell method或者Halo method;除了这种方法外,还有Z-bias的描边方法,就是将顶点的Z值沿法线方向移动一个固定距离来实现描边,这种方法比较不可控,实现的效果较Shell method差很多。如果我们想实现轮廓宽度不一样的效果,可以利用顶点颜色来控制描边的细节,例如利用A通道来控制线条的粗细。
 
过程式几何描边的过程

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