Real-Time Rendering (5) - 非真实性渲染（Non-Photorealistic Rendering）

提要

       真实性渲染追求的是像照片那样的渲染效果，NPR也叫艺术渲染，则有着很多的目的，一种目地就是将模型渲染成技术插图，只有需要的部分才会呈现。一张闪亮的法拉利渲染效果图在向客户销售汽车的时候会很有用，但对于修理汽车引擎的工程师，一副线稿才是更有意义。

        另一个NPR的应用领域是模拟绘画效果，比如铅笔，水彩等。这是一个巨大的领域，要获得特别的笔触也会涉及到大量的算法。

卡通渲染 Toon Shading

         不同的字体会给人以不同的感受，不同的渲染风格也会给人以不同的情感。Cel/Toon Shading 是NPR最常用的一种，他的名字源于Cartoon，有很强的梦幻感和童年感：最简单的方式，粗线条和色块了表示物体，通过简化和忽略季节增加场景的识别读。

          Toon Shading的风格很早就用于将3D模型融入到2D卡通动画中，还有很多游戏也用到了这个效果，比如武士3，波斯王子。 

        

        实现Toon Shading的方式有很多，在没有光照的情况下，只要通过量化纹理值就可以了。如果要进行光照着色的话，有两种方法：1.用单色填充多边形；2.用two-Toon，分别填充光照和阴影区域。可以敬爱那个光照计算的结果对应到调色板上，这种算法就和光照模型相关了。而模型的边缘通常渲染成黑色，突出卡通的效果。

        具体的着色方法是在Fragment shader中测试每个像素漫反射diffuse中的NdotL值，让漫反射形成一个阶梯函数，不同的NdotL区域对应不同的颜色。

         
 轮廓线检测 Silhouette Edge Rendering

          轮廓线的提取是NPR中关键的部分，有很多方式，可分为基于 Surface Angle，Procedual geometry,图像过程，向量边缘检测或者混合使用。这里主要提两种：Surface Angle  和 图像过程。

.Surface Angle Silhouetting

          这种方法主要利用了物体表面法向量n和观察向量v 的点积。如果点积接近0，那个这个就是物体的边缘。

 

        在上图中，P1和P2代表相机坐在位置，S是物体表面上一点，N是点S的法线。当我们在点P1观察物体的时候，S点很明显不能看成物体的轮廓，这个时候N和V1的点积值比较大，而在P2点观察的时候，S点左边的部分几乎是看不到的，这个时候N和V2的点积值很小，接近0，于是可以把S看成是物体的轮廓。

       方法非常简单，但这中技术只能对一些模型奏效，对于边缘变化比较大的物体，比如一个cube，这种算法是无能为力的。还有一个缺点是这种方法绘制出来的轮廓线宽度是不均的，因为依据的是物体表面的曲率。还有当某个多边形接近边缘的时候，可能整个多边形就全绘制成黑色了，这不是我们想要的。

. 图像过程  Silhouetting by image processing

         这个算法完全是基于图像的。

         首先分别渲染出场景的深度图像和法线图像

之后对法线和深度纹理使用查找边缘滤镜（例如索贝尔算子），可以生成边缘纹理。位于边缘的像素纹理为黑色，其他的为白色：

最后，边缘纹理和颜色纹理结合起来，生成最终渲染图：

            这种算法有很多好处：它处理了场景中全部物体，模型也不一定要完全封闭，因为这完全是基于图像的。不过在图像处理方面还是会有点小复杂。

其他风格 Other Styles

        上图实现的是铅笔画的效果。原理是用不同的纹理来代替原图中的不同灰度的物体。可以用纹理的不同通道来存储。比如,6幅不同的灰度图可以存在2个纹理中。这样多纹理通道可以选择合适的通道进行显示。通过pixel shader, 其显示不会浪费资源。

参考

非真实渲染（一）-  http://blog.csdn.net/bugrunner/article/details/5435078

openGL CG 系列教程07 – Toon Shader - http://blog.csdn.net/zhangci226/article/details/5596151

卡通渲染 - http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8D%A1%E9%80%9A%E6%B8%B2%E6%9F%93

Real time rendering 3rd