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ASTERXOR / 探索新知

三维物体怎样变得像漫画

把平滑明暗换成几个选定色阶,表面便讲出另一种视觉故事。

球面被分为四块金蓝明暗区域。
数学定义的球面,使用四级着色规则,不是实物照片。
探索新知ASTERXOR / LEON LEUNG

一个完全圆润的球,为什么会像被人画上阴影?

光滑物体通常从亮到暗逐渐过渡。风格化渲染可以把连续范围压成几块平涂区域。几何仍然圆润,呈现方式却有意作出取舍。解析球面让我们分开观察形状、照明计算和图形选择。

明暗色带,是呈现方式的选择。
SURFACE NORMALS

球面上的每一点,都有朝向

球面每个可见点的表面法线都朝外,告诉照明模型表面面向哪里。我们直接用方程生成前半球,没有网格、纹理绘制或角色模型。轮廓为圆形是几何决定的,不是着色滤镜把它找出来的。

光用一个方向表示,它与向量−0.5、0.6、0.8成比例并归一化。点积比较法线与光的方向,对齐时值高,转开时值低。负值被截为零,因为这个简单漫反射项不会照亮背向光的一侧。

连续漫反射与映射为四个色阶的同一球面。
FIG 01连续漫反射与映射为四个色阶的同一球面。
THE BASE MODEL

平滑着色提供起点

连续图使用截为非负的点积,也就是类似朗伯漫反射的着色项。这是简化的方向光计算,不是完整物理渲染。我们省去相互反射、投射阴影、镜面高光、纹理和曝光,让表面朝向与显示渐变的关系更容易观察。

调色板把数值映射为本文的藏蓝、蓝和金色。这些颜色是视觉编码,而非实测材质反射率。低值表示选定漫反射项较小,不能据此断言真实涂漆球在房间里被灯照时会是什么样。

0.2、0.5、0.8的阈值产生四个固定输出级别。
FIG 020.2、0.5、0.8的阈值产生四个固定输出级别。
THE QUANTIZER

四个色阶,代替连续范围

风格化版本在0.2、0.5和0.8设置阈值。低于第一阈值变为0.12,之后两段变成0.38和0.66,最亮一段为1。脚本确认可见球面恰有四种输出级别。每个区域共用一个数值,尽管底下的法线仍在连续变化。

传递图像楼梯:水平部分解释平涂区域,跳跃部分解释清晰分界。这是一种艺术映射,并不是只要边界更精确,就会趋向真实光照的近似。移动阈值,就是设计哪些表面方向应当共用一个色阶。

改变光的水平朝向,让色带在不变的几何上移动。
FIG 03改变光的水平朝向,让色带在不变的几何上移动。
MOVING LIGHT

物体不动,光会移动边界

三幅比较球使用相同形状和阈值,仅改变光的水平朝向。不同法线跨过阈值,色带便在表面移动。即使灯光平滑移动,某块区域仍可突然从一种色阶跳到另一种。这种突变本就写在量化规则里。

动画中,小幅运动跨过阈值,可能让边界闪动或跳变,在细小结构或粗像素处尤其明显。柔化边界、调整着色规则或考虑时间稳定性,可能有助于具体设计,但都会改变外观。静态图展示突变来源,没有测试动画技术。

LINE WORK

描边,是另一项独立选择

漫画式渲染常包含深色轮廓、墨线、简化纹理或精心放置的高光。这些与漫反射分带是不同选择。插图中的细轮廓沿已知球面边界绘制,并不是对任意三维场景运行通用边缘检测。

成熟风格可能结合几何、材质规则和手工作画,让角色从多个角度都清晰可读。仅有四个色阶,不会自动复制绘画的线条质量、构图和选择性细节。这个练习分离出一个有用成分,而不是把整套风格当成一个开关。

SELECTIVE DETAIL

简化,也能保住关键线索

球仍然显得弯曲,因为轮廓和色块排列携带形态信息。去掉中间色阶,不等于去掉所有形状线索。它把线索重新组织为更大的图形组,可能符合某种美学,也可能让小尺寸主体更易辨认。

有用的问题是图像需要保留哪些区别。技术检查或许需要连续着色或其他诊断,角色插画则可能受益于刻意分组。没有一种永远更好。比较说明,只要计算到颜色的映射改变,同一几何就能给出不同的视觉解释。

继续阅读

PBRT: Diffuse reflection ↗Khronos: GLSL step threshold ↗

原始资料与延伸阅读。

留一个想法带走

物体依然圆润,图像只是选择了更图形化的解释。