openGL CG07 – Toon Shader

这篇教程将介绍一种卡通渲染(Toon Shader)的方法，卡通渲染属于non photorealistic rendering或简称NPR中的一种。卡通渲染一个物体看起来的效果就像卡通绘画一般，这里介绍一种简单的渲染卡通效果的方法。和一般光照渲染不同的是，卡通效果渲染的物体像素之间颜色过渡是一种阶梯函数形式的，而一般的光照渲染的物体颜色过渡则是平滑的连续函数形式。Fig1比较了卡通渲染和一般基于像素渲染的茶壶，可以明显地看出茶壶颜色过渡的差别。

要实现Toon Shading的效果，可在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，Fig2中显示出不同部分不同的漫反射强度值，不同的漫反射值分别指定了不同的像素颜色。

Fig2 NdotL值分布

现在只要在fragment shader里计算漫反射NdotL的值，然后判断，所以修改教程03中fragment shader里部分代码即可。

  
  
  
  
float3 N = normalize(normal);
float3 L = normalize(LightPosition - Position);
float NdotL = max(dot(N,L),0);

float3 color;

if( NdotL<0.5)    color = float3(0.3,0.3,0.3);
else if(NdotL>=0.5 && NdotL<0.85)    color = diffuseColor;
else if(NdotL>=0.85)    color = specularColor;
 

在上面代码中，color就是最后fragment shader的输出颜色。可以看到shader代码很简单，但是使用这些代码渲染出来的物体是没有轮廓的，就像Fig1图(c)中渲染的茶壶一样。为了给茶壶添加轮廓，还要考虑观察向量V和法线N的关系。将V和N进行点乘，如果这个值比较小，比如0.2，我们就可以认为观察到的物体的边缘(Fig3)。

Fig3 法线N和观察向量V

在Fig3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。现在刚才的shader里只需要增加一点代码。

   
   
   
   
float3 N = normalize(normal);
float3 L = normalize(LightPosition - Position);
float3 V = normalize(eyePosition - P);
float NdotL = max(dot(N,L),0);
float NdotV = max(dot(N,V),0);

float3 color;

if( NdotL<0.5)    color = float3(0.3,0.3,0.3);
else if(NdotL>=0.5 && NdotL<0.85)    color = diffuseColor;
else if(NdotL>=0.85)    color = specularColor;

if(NdotV<0.2)    color = float3(0,0,0);
 

 

代码中最后比较了NdotV的大小，如果小于0.2，那么我们认为这个像素在我们所见范围的边缘处，那么直接将该像素的颜色设置为黑色，这样就能实现Fig1中，图(b)的效果了。

虽然这种Toon shading的方法很简单，但是也有不足的地方。如果构成物体的多边形之间的棱角很分明，比如正方体，那么采用这种方法的话，会出现物体闪烁的情况，因为在物体边缘的地方法线变化很大。