基于图像空间的3D数字动画线条渲染方法

2022-12-21张帅

成都工业学院学报 2022年4期

张帅

(滁州学院美术与设计学院，安徽滁州 239000)

3D数字动画具有强大的表现力，几乎可以实现所有想要达到的效果[1]。3D数字动画的普及在根本上改变了制作动画的流程、提升了制作动画的效率、降低了制作动画的成本，因此具备明显的优势[2]。在3D数字动画的制作中，线条渲染是一个重要步骤，通过线条渲染才能达到3D数字动画技术驱动、虚实结合的艺术风格。线条渲染的实际成本会达到总成本的1/3，线条渲染设备的实际成本占固定资产的1/2，足见其重要性[3]。对3D数字动画线条渲染方法的研究，国外的技术已经发展得较为成熟。国内对3D数字动画线条渲染方法的研究相对起步较晚，但随着2D技术逐渐被其取代，线条渲染系统与软件等相关技术也成为了研究热点。王威[4]提出了一种基于数字技术的三维动画图像纹理实时渲染方法。孔素然等[5]提出一种三维动画图像纹理实时渲染系统设计方法。在渲染窗口像素大小为800×600～1 000×600时，利用以上方法进行渲染存在渲染帧速率较低的问题，因此，本文提出一种基于图像空间的3D数字动画线条渲染方法。通过累加环境光、镜面反射光以及漫反射光模型，构建局部光照模型并形成阴影体算法绘制线条软阴影；再对渲染流水线实施编程处理，使用户能够对线条渲染进行自定义，实现3D数字动画线条渲染，以期提高渲染帧速率，使硬性线条渲染效果更好。

1 图像空间的建立及3D数字动画线条渲染方法的实现

1.1 构建局部光照模型

通过累加环境光、镜面反射光和漫反射光[6]构建局部光照模型。镜面反射光与漫反射光的原理如图1所示[7]，其中：N为顶点法线；L为入射光反方向；θ为顶点法线与入射光反方向的夹角；R为反射光方向；V为观察视点；θ″为反射光方向与观察视点的夹角[8]。环境光则主要用于对真实感进行渲染。

(a)漫反射光的原理

将环境光、镜面反射光和漫反射光的参数相加，获取局部光照模型的参数，构建局部光照模型[9]，完成图像空间的建立，为后续线条软阴影的绘制奠定基础。

1.2 绘制线条软阴影

基于图像空间，通过阴影体算法对线条软阴影进行初步绘制，具体步骤为：1)首先对线条阴影体进行绘制，也就是通过网格边测试对线条阴影体的实际轮廓进行构造[10]。2)对动画场景中线条的各像素点是否在线条阴影体中进行判断，也就是对阴影进行判定[11]。

其阴影体算法的实现主要是利用OpenGL，具体过程如图2所示。

图2 阴影体算法具体实现过程

接着在初步绘制结果的基础上实施绘制加工，获取满意效果的软阴影，加工方式为模糊阴影图，使其生硬的边缘变得更加柔软，模拟出线条阴影半影区与本影区平滑过渡的渲染效果[12]。采用的模糊算法是膨胀腐蚀算法，其中膨胀操作是对一个结构子进行定义，比较阴影图各像素与结构子中心，遍历后取结构子与阴影图的轨迹并集[13]；腐蚀操作是对一个结构子进行定义，在比较阴影图各像素与结构子中心时，当结构子中心以外的部分不完全落在线条阴影图中，则在原阴影图内删除对比像素[14]。多次交替执行腐蚀操作与膨胀操作，对半影区的实际范围进行精准的计算[15]，以获取更加满意效果的软阴影，使阴影半影区与本影区平滑过渡的渲染效果更佳。最后需对线条渲染进行处理，以实现3D数字动画线条渲染。

1.3 线条渲染

该部分主要是对渲染流水线实施可编程处理，将渲染流水线中的一些功能函数通过可编程方式来实现，使用户能够对部分线条渲染过程进行自定义，对渲染流水线的线条渲染功能进行灵活处理，实现3D数字动画线条渲染的目的[16]。其中渲染流水线中包含多个阶段：光栅化运算、片段纹理着色和映射、图元光栅化和装配、顶点变换，具体操作内容如表1所示[17]。