运用3D技术生成二维手绘风格角色动画技术研究

（1.南昌大学科学技术学院人文学科部；2.南昌大学科学技术学院数字媒体研究所，江西 南昌330029）

中图分类号：TP391.41文献标识码：A文章编号：1003-2738（2011）12-0288-01

摘要：我们在这篇论文当中描述了一个可以自动生成卡通风格动画角色着色技术，我们的方法需要我们制定shader，并使其根据模型形体自动辨别边界并进行着色处理。我们解决了具体的问题包括 卡通模型技术，法线贴图技术以及动态光影生成技术，结果直观而简单。

关键词：日式动画风格；非真实感渲染；赛璐珞着色法

一、概述

由于传统的手工上色耗费大量的时间以及成本，数字化的无纸动画上色也仅仅是将制作过程变成手工计算机上色，仍然需要耗费大量的人工时间以及成本。对于这种情况我们希望能够出现一种技术可以减少这种劳动密集型的上色修型作业，提高效率，同时进一步改善并统一动画图形品质，减少项目的运作风险。

文介绍了一种卡通动画渲染技术，使得上色过程自动化，如图1左边我们对角色进行数字化建模的过程，运用我们的算法使得三维角色拥有和二维角色近乎一样的视觉特征。

图1：从我们使用数字动画软件对二维角色进行数字模型化，我们运用抽象的渲染风格技术进行渲染，会让人联想到是卡通手绘的角色

在该技术研究中我们采用较为成熟的日式卡通风格，来作为衡量我们技术实用性，通过我们制定shader以及数字模型来生成日式卡通二维效果，同时我们还可以访问以及修改shader的参数，例如颜色，高光特性，对比关系，等参数控制最终的渲染结果。同时我们改进相关的流程使得流程高效易用，并能很好的适用于实际的商业动画项目中。

二、相关工作

1.建立角色模型。

我们通过建立三维几何体描述需要生成图形的造型形象。对我们来说具体使用哪一种建模方法并不重要，因为渲染算法本身是通用的，运用不同的算法我们可以计算真实感图形以及非真实感图形的计算。我们知道我们一般所制作的数字模型都是依据真实的光照标准来制作的。这种数学模型称为光照模型，这种模型可以用描述物体表面光强度的物理公式推导出来。给予计算机生成的图形最基本的真实性。但是三维数字卡通形象都是以非真实效果存在的，这就需要我们按照卡通渲染算法对光照模型的进行适当修改，已满足最终渲染效果的需要。所谓卡通渲染的基本元素，就是“轮廓线和较统一的着色”。依据卡通图形的基本特征我们将从着色以和勾线这两方面来解决问题。

2.着色处理

给三维角色着色处理，需要我们考虑两个方面。一个是物体本身的颜色纹理，二是环境光照情况。而且对于日式卡通渲染图形来说，重点是在颜色光与影的变化，对纹理的要求比较少见。因此，对于我们卡通角色着色的讨论主要集在光照颜色和阴影颜色上。通常情况，当光线照在物体上的时候，物体的颜色会依据光照强度的衰减出现平滑的明暗变化，这会让物体看起来更为真实，而我们卡通渲染则需要离散这种光照，使得光与影能够明显的区分出来，且参数可以随意控制光和影的色值，简单的做法就是给光照强度限制范围 也就是我们常说的非线性光照（如图3 B），非线性光照是卡通渲染的重要特征。

图3

A真实光照中平滑的光影过度层次

B卡通渲染当中离散光照过度层次

非线性光照使图像区别于真实感图像所存在平滑过渡效果，这会让我们很容易想到的一种解决方法是直接采用纹理贴图，但是这种静纹理贴图局限性比较多，如不能够根据光照变化而产生变化，在很多地方会限制效果的发挥，大部分时候需要光影动态计算方式，使得整体画面视觉效果统一。

3.勾线

运用3d技术来为三维角色生成理想的轮廓线，是我们研究的重点，基本的要求是用黑色像素沿着物体的轮廓和边缘进行填色

当视角点改变时，轮廓线也跟随改变正确的渲染和计算。

下面是我提出的模拟手绘渲染边线的解决办法。

我们处理的思路是：采用取样像素级法线信息，将颜色信息和法线信息分别输出到两个渲染目标纹理。再获得了法线和颜色的渲染目标纹理后，利用这2个纹理做处理：判断临近的像素的法线的方向是否差别很多，如果很大，就是具有轮廓的地方，用黑色填充，否则作为颜色处理，对于颜色信息，就是正常渲染模型，法线信息就是计算三维物体在摄像机下空间坐标XYZ，并使用三元属性RGB颜色值表示，由于法线信息是三元浮点信息，而图形渲染格式则可拥有4个通道，所以多出来的一个通道可以记录其他信息，如模型id号，根据id号不一致情况 这样可以检测是否处是外轮廓。

等然后在这个物体上进行轮廓描边，渲染出较为理想的轮廓线。用这种方法渲染的最终效果是只有边线的模型图，独立的渲染边缘线好处就是可以独立的处理这些边缘线效果，我们可以按照自己预期的艺术效果，对渲染出的轮廓线进行手工二次修改或修正。

运用这种方法的优点在于：一是运用计算机批量生成动画线稿的基础上进行修改，这比用传统手绘动画的方法效率高得多，不需要太多的勾线人员，省时省力，节约成本和大量的制作时间；二是与全3D动画相比，技术要求门槛比较低，即使在渲染中出现错误也可以快速修正过来。三是这种方法易于修改 可以更具需求制作如水墨线， 水彩 ，油画等勾边效果。

4.其他处理。

所研究的这种渲染方法还可以做进一步延伸：通过限制制作normal map贴图来提升角色细节，使得模型面数大大降低，

通过用最少的点、线、面建模提高运行效率。渲染出明确、清晰的轮廓线和阴影线，以便于进行2D 手绘填色，或对边缘轮廓线添加手绘贴图材质，直接渲染出有手绘效果的线条。与手绘相比，由渲染贴图生成的线条或用绘图板在图形软件中绘制的线条缺少了个性化的特点。运用后期来处理来勾线提艺术家自由发挥的空间。

三、结论

我们已提出了二维风格渲染方法，这些都源运用不同的算法控制技术，使得模型能够产生色彩边界，强调形状以及边界，使得能够表现各类非真实效果 。 我们通过这种方法模拟，使用程序化的三维渲染技术与传统手工动画角色视觉表现几乎一致，与传统手绘角色同样具有表现力。我们的方法的主要优点是：该技术易于使用并可很好的整合在动画制作流程当中，成本相对于传统动画方法低廉很多，即使刚成立的小型动画工作室也可以利用这种方法快速的制作出高品质二维动画出来。运用这种方法和技术，充分利用计算机的资源，减少劳动密集型的传统动画作业方式，提升效率降低动画项目的风险和运营成本。虽然该技术仍然还有一定的局限性，需要制作人员针对不同镜头和不同情况做细致的参数调整，虽然这些参数需要被手动设定，但也意味着为制作人员提供了更多的控制。尽管有些限制，我们的方法和流程会产生人信服程二维卡通角色。

本课题系南昌大学科学技术学院科研立项项目。

参考文献:

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