[发明专利]一种将三维对象渲染为二维图像的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于显示适配器GPU着色器的非真实感三维对象实时渲染方法。使用此方法渲染的三维对象所达到的二维图像最终效果有以下特点：用黑色等宽的线条勾勒对象，用明暗色块表现光照情况，具有动画风格的阴影。

背景技术

以往的卡通动画都是利用人工手绘的方式一张一张的呈现出来，而随着计算机性能的进步，开始可以利用三维绘图的方式来制作二维的对象或场景，目前这种方式在许多卡通动画以及电影当中经常被利用。简而言之，就是将原本三维对象仿真或渲染成类似人类手绘的二维风格图像。

日本动画的画风较为含蓄、严谨、精致，深受全球观众的喜爱，同时也是各国动画业者竞相模仿的一种风格。使用计算机图形学技术模仿日本动画风格进行实时绘制，可以应用于游戏等人机交互领域，提高产品的艺术感染力和市场竞争力。现已存在不少动画风格渲染的技术，但都存在一些不足。《Cartoon-Looking Rendering of 3D-Scenes》(作者：PhilippeDecaudin，1996年6月发表于“Research Report INRIA”第2919期)是最早论述卡通渲染技术的文章，这篇文章提出的基本框架至今仍未改变，但由于当时技术条件所限，作者采用的描边是图像处理技术的方法，并不适于实时渲染。《Dot3 Cel Shading》(作者：RonBarbosa，2004年11月发表于“ShaderX3：Advanced Rendering with DirectX and OpenGL”)和《Cel-Shading》(作者：Sami“MENTAL”Hamlaoui，发表于http://www.gamedev.net/reference/programming/features/celshading/)这两篇文章都从实时渲染的角度给出了解决方案，但没有实现阴影。《卡通高光的风格化算法及其实现》(作者：苏延辉、韦欢、费广正、石民勇，2006年6月发表于《中国计算机图形学进展2006》)一文针对动画风格中的高光修正进行了深入研究，但主要针对非实时渲染。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：在使用显示适配器GPU着色器将三维对象实时渲染成类似人类手绘的二维风格图像时，勾边不连贯；不支持阴影，手绘艺术感不强，转换效率不高，占用CPU资源高。

为解决上述技术问题，使用背面线框的方法实现对三维对象等宽线条描边；在动画风格渲染中应用了阴影技术，并且使用求最小值的方式进行混合。

本发明采用技术方案的基本构思是：在使用显示适配器GPU着色器将三维对象实时渲染成类似人类手绘的二维风格图像时，分为以下三个步骤：先描边：用单色等宽的线条描出模型的边界和硬边；再进行光照渲染：用有明显界线的明暗色块来渲染模型；最后阴影渲染：借助深度阴影图技术(Depth Shadow Map)实现阴影，并与光照渲染的结果加以混合。

本发明使用背面线框算法能够连贯等宽地勾边，阴影技术并与明暗效果混合，使人物在侧光下更生动，能产生艺术化的效果，而且可以较好地利用显示适配器硬件提供的特性，提高了CPU性能。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明中背面线框方法的示意图。

图2为本发明中光照渲染方法的效果图。

具体实施方式

1.描边

在DirectX或OpenGL线框模式下，使用等宽线条绘制三维对象多边形的边。结合线框模式和硬件剔除功能，可以较容易地勾勒出三维对象的二维图像特征，这种方法称为背面线框方法。

背面线框方法一共两遍，第一遍正常绘制，第二遍进行描边。在第二遍绘制时进行如下设置：先启用线框模式；然后启用硬件剔除功能，剔除面向摄像机的表面，只保留背向摄像机的表面；再将所有顶点的颜色设置为黑色或指定的描边颜色；最后设置线宽为2像素或以上，设置深度偏移量为+1。

如图1中，1为原始模型；2为线框模式绘制；3为第一遍正常绘制模型(硬件背面剔除)；4为线框模式、正面剔除、2像素线宽、深度偏移量+1的模式绘制模型；5为两遍绘制的结果；6为从摄像机角度看，模型有了边线。

在默认情况下，线框模式是以1像素宽度的细线进行绘制的，但由于边线和与它邻接的正表面的边是重合的，实际上只有线框宽度的1/2会被显示出来，因此须将线宽设置为2像素或以上。设置深度偏移量可以保证在深度缓冲区中线框均比正面更“深”一些。这样可防止三维对象距离摄像机较远时发生深度冲突(Z-fighting)。