ShadeSketch论文简介：为线稿添加“平涂式阴影”（简易光照效果）
版权声明：禁止转载。（更新时间：2021-02-06） | 个人笔记，仅供参考。
目录
1. 基本信息
2. 问题概述
3. 方法简介
4. 生成阴影效果示例
5. 应用：结合阴影和底色图层
1. 基本信息
论文标题：Learning to Shadow Hand-drawn Sketches
基于深度学习方法，为手绘线稿添加“平涂式阴影”（一种简易的光照效果，即：赛璐璐风格2D动画的阴影效果）
发表时间：2020年2月
研究领域：计算机图形学，非真实感渲染（Non-Photorealistic Rendering，NPR），图像翻译（Image-to-Image Translation），深度学习，生成式对抗网络（GAN）
2. 问题概述
“厚涂式光照效果”包含大量颜色渐变、镜面反射和阴影效果，非常类似于3D模型的渲染结果。而“平涂式阴影”是其简化版本，仅在底色层的基础上叠加一层单色阴影。“平涂式阴影”常见于“赛璐璐风格的2D动画”（Cel Animation）中。这是因为流畅的动画一般需要达到每秒约24帧，其中每一帧的绘制工作都需要耗费大量时间。使用“平涂式阴影”代替“厚涂式光照效果”，能在保留光照效果的同时，节省大量人力成本。
动画电影《龙猫》中的“平涂式阴影”
问题：“平涂式阴影”需要根据物体的3D模型进行生成和绘制 [ref-1]。（当然，对于胸有成竹的专业画家而言，不需要3D模型。）那么，在没有对应3D模型的情况下，算法如何为平面线稿自动添加“平涂式阴影”？
3. 方法简介
GAN网络结构
4. 生成阴影效果示例
（1）光照方向编号说明：光照方向编号方法如下图立方体所示，靠右边的编号1~3表示3个平面，靠左边的编号1~8表示每个平面上具体的8个位置。光照方向的编码格式为“xy0”，其中x取1~8，y取1~3，0用于占位无意义。另外有两个特殊方向，“001”代表正前方，“002”代表正后方。
光照方向-立方体示意图
（2）静态阴影效果：
本文方法为线稿添加的阴影效果
（3）光源移动效果：
【GIF】光源移动效果（光源在210-230方向之间移动）
（4）为连续动画帧添加阴影效果：
【GIF】为连续动画帧添加阴影效果
5. 应用：结合阴影和底色图层
问题：如何为自动上色结果（由Style2Paints/PaintsChainer等软件生成）添加“平涂式阴影效果”？
操作步骤如下：
（1）使用ShadeSketch为线稿添加阴影。
（2）使用PhotoShop / Paint.Net（免费）/GIMP（免费）等图像编辑软件打开Style2Paints生成的上色结果，其所在图层记为“上色图层”。
（3）在上色图层之上，新建一个图层（阴影图层），在该图层中导入添加ShadeSketch生成的阴影结果。
（4）将阴影图层的“图层混合”属性设为“正片叠底”（Multiply，也译为“相乘”）。
“正片叠底”的计算公式为，对于R、G、B每个颜色通道：
其中：RGB颜色值∈[0,255]，
∈[0,1]。
（5）（可选）选中阴影图层，PS菜单-图像-调整-亮度/对比度，调节阴影图层的“亮度”，以调整阴影的强度。
图层混合：为自动上色结果添加“平涂式阴影”
（光照方向为810）
基于数学算法的论文：
（1）会议版本：
论文标题：2D Shading for Cel Animation
用于赛璐璐动画的2D阴影半自动生成算法（基于数学算法）
发表会议：Proceedings of the Joint Symposium on Computational Aesthetics and Sketch-Based Interfaces and Modeling and Non-Photorealistic Animation and Rendering. 2018
研究领域：计算机图形学，赛璐璐风格动画（Cel Animation），基于图像的渲染（Image-based rendering）
论文链接：（1）ResearchGate（2）ACM | 项目主页：链接 | 代码：暂未公布
（2）期刊改进版本：
论文标题：2DToonShade: A stroke based toon shading system
发表期刊：Computers & Graphics: X (2019) （已更名为：Graphics and Visual Computing）
论文链接：（1）ResearchGate（2）Elsevier
算法为连续动画帧添加2D阴影效果，后3帧的阴影为全自动添加
(Original drawing by Matis Hudon, used under CC BY.)
概述：论文提出了一个半自动的2D阴影（平涂式阴影）生成算法。用户设置好光源的位置和方向之后，再逐个选出待添加阴影的封闭区域。（只需选出大致区域，如脸部，不需要指出阴影的精确位置。）然后算法根据与光源的距离和夹角，自动在这些区域的适当位置添加适当大小的阴影。（与上文深度学习方法的区别在于，该算法无法自动确定需添加阴影的区域。）当更改光源位置时，所有阴影的位置和大小会随之改变。另外，对于连续的动画帧，当完成第一帧的阴影添加之后，算法能自动为后续的帧添加阴影。
阴影生成算法示意图（最终生成了月芽形的阴影）
相关论文：
论文标题：Blur Algorithms for Cartoon Animation
用于卡通动画的模糊算法（能够为“平涂式阴影”添加模糊效果，使过渡更加自然）（基于数学算法）
发表会议：SIGGRAPH Asia 2018 Posters
作者：（来自著名动画公司OLM Digital, Inc.）
论文链接：ACM
软件：作者已将算法制作为一个免费工具OLM Blur（After Effects插件），详见OLM Digital R&D\Technology\Tools。
对比：为平涂式阴影添加“模糊效果”（脸部和头发上的阴影）
效果对比。（a）原图，（b）高斯模糊（红色与蓝色交界处出现穿越线条的颜色泄漏），（c）OLM Blur（没有颜色泄漏）
参考资料：
[ref-1] 绘画教程-手把手教你画阴影-知乎专栏
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