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網(wǎng)易TA帶你走近卡通渲染（上）

網(wǎng)易TA大咖帶你走近卡通渲染（下）

下面我就圍繞著這個(gè)渲染，來(lái)講解一下相關(guān)的Trick?？ㄍń巧€原中存在的幾個(gè)問(wèn)題，首先是對(duì)傳統(tǒng)的卡通角色來(lái)說(shuō)，剪輯起高度二分的交界邊緣是靈魂，但是在3 d 的光照中平滑并且銳利的陰影邊界在制作中是非常難以還原的，第二個(gè)問(wèn)題就是在不同視角下卡通角色的外形會(huì)有不同的夸張與形變，這種特征是非常難以還原的，并且卡通渲染也會(huì)有很多不物理的表現(xiàn)，比如一直存在的高光和暗的陰影，最后一點(diǎn)就是色彩了，高飽和度的純凈的色彩是卡通渲染的特征，但是因?yàn)橛胁煌O(shè)備之間 HDR 與 IODR 的轉(zhuǎn)換,其中會(huì)使用到 tone mapping，這就會(huì)導(dǎo)致卡通渲染的色彩問(wèn)題。這些問(wèn)題都需要各種各樣的Trick來(lái)解決。

那么我們首先來(lái)講面部上的處理，對(duì)面部主要是陰影修正的問(wèn)題，節(jié)時(shí)的光照是沒有面部陰影修正這些問(wèn)題的，物理的應(yīng)用表現(xiàn)是符合我們?nèi)粘５牧?xí)慣的，但是在強(qiáng)調(diào)邊緣刻畫的二分光影上，不做干預(yù)的面部陰影形態(tài)就會(huì)過(guò)于顯得凌亂，就像左圖這樣，這對(duì)于高度概括的卡通表現(xiàn)來(lái)說(shuō)是非常違和的，糾正方式主要有對(duì)法線和拓?fù)涞男拚途嚯x場(chǎng)記錄光照的方式。

首先是法線修正，包括貼法線，這種方式主要使用求包括體或者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的包括體法線去映射到面部法線上，就像左圖這樣，使面部顯示出對(duì)應(yīng)包括體法線的陰影，這種方式的操作比較簡(jiǎn)單，效果也簡(jiǎn)單就是包括體的陰影。

那么更進(jìn)一步，把模型拓?fù)湟哺某蓪?duì)應(yīng)陰影拓?fù)?，在這個(gè)基礎(chǔ)上再調(diào)整法線，就可以得到拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的陰影形狀了，這也是《罪惡裝備》中分享的方法，是應(yīng)用比較廣泛的修正方式。這種方式的缺點(diǎn)就是，雖然可以調(diào)整出理想的形狀，但是法線調(diào)整是非常繁瑣的和耗時(shí)的，并且這種方式會(huì)導(dǎo)致陰影的跳變，就像右圖這樣，陰影會(huì)在兩個(gè)形態(tài)之間快速的切換。

然后就是使用距離場(chǎng)的方式，這種方式將繪制的光照儲(chǔ)存到距離場(chǎng)中，之后根據(jù)光源方向取出距離場(chǎng)中對(duì)應(yīng)的陰影形狀，通過(guò)這種方式，我們可以方便的自定義，陰影變化的過(guò)渡，不過(guò)為了保證陰影邊緣信息的準(zhǔn)確，這張圖需要的精度就是比較高的，并且由于缺少光照外軸的變化，它只能有一個(gè)單方向的光照信息，利用多張 SDF混合可以解決這個(gè)問(wèn)題，不過(guò)這樣制作就比較繁瑣了，具體的計(jì)算已經(jīng)有很多文章講解了，這里就不再贅述。

面部還有一個(gè)小特征就是，暗部的鼻尖補(bǔ)光，對(duì)于鼻尖的高光來(lái)說(shuō)，一般是為了暗部的面部不至于過(guò)平，所以才加上的，對(duì)鼻尖進(jìn)行補(bǔ)光的方式，我們可以使用一張 mask 來(lái)標(biāo)記鼻尖的位置，然后同時(shí)呢我們也可以復(fù)用這前面所說(shuō)的SDF的思路，去給這個(gè)鼻尖高光加入動(dòng)態(tài)的效果，圖中就是SDF的鼻尖高光，可以在這里看到他的效果。

然后來(lái)說(shuō)一下頭發(fā)，對(duì)于頭發(fā)來(lái)說(shuō)，重要的表現(xiàn)就是陰影和高光了，陰影比較簡(jiǎn)單一般是繪制陰影貼圖，然后配合光照計(jì)算來(lái)表達(dá)，主要來(lái)說(shuō)一下高光，首先頭發(fā)是具有各向異性的，各向異性就是物體微觀表面，各個(gè)方向的粗糙程度不同，然后它是一種宏觀表現(xiàn)，右邊的兩個(gè)金屬球，是左邊是GGS高光，右邊的是各向異性的GGS高光，可以很清楚的看出各項(xiàng)異性高光的特征，所以頭發(fā)顯示出來(lái)的高光，就是環(huán)狀的高光，而不是半點(diǎn)狀的高光，這一點(diǎn)很多動(dòng)畫中也會(huì)有體現(xiàn)，還原的話，主要是通過(guò)增加各向異性或者直接畫到貼圖上用 uv 采用的方式。

現(xiàn)來(lái)說(shuō)各項(xiàng)異性，頭發(fā)上使用最廣泛的模型是 kk 模型，kk最初在1989年發(fā)表，ATS是在ShaderGraph和 gdc 中分享了一個(gè)，Hair Redia的Shading，然后這里面使用了 kk 來(lái)計(jì)算光照，頭發(fā)的高光，這也是各種資料中最常見的方式，k k 最核心的計(jì)算就是將Blinn-Fhong中 n，dot h 的法線 n 改為了切線，t 將切線加入到了光線的計(jì)算中，然后從而得到各向異性的環(huán)狀高光，圖片下面的代碼就是 kk 的各向異性計(jì)算，這里就不詳細(xì)講解了。值得注意的是，圖片中的切線方向是沿發(fā)絲方向的，而一般制作時(shí)切線方向通常是垂直于發(fā)絲的，所以這里，通常是使用副切線來(lái)計(jì)算的。

因?yàn)?kk 發(fā)表時(shí)實(shí)在是太久了，所以03年的時(shí)候，就有了一個(gè)Marschner模型提出，在下面的圖中左邊的是 kk 模型，啊在下面的圖中左邊的是 kk 模型，中間的是Marschner模型，右邊的是真實(shí)頭發(fā)，可以看出這個(gè)模型會(huì)更加物理。

這個(gè)模型描述了光在頭發(fā)中的，傳播的主要路徑，分別是反射的光路R，先透射再反射再透射的光路TRT，透射在透射的光路TT，不過(guò)這里不細(xì)講這個(gè)模型，講這三條光路的主要原因是，他們貢獻(xiàn)了頭發(fā)高光的主要特征，分別是主要鏡面反射高光，次要鏡面反射高光和透光，主要鏡面反射高光和次要鏡面反射高光，就是卡通頭發(fā)中經(jīng)常使用到了兩層高光，疊加計(jì)算方式的來(lái)源。

ok 那么使用，上述各向異性計(jì)算，我們就可以，獲得圍繞頭發(fā)一圈的環(huán)狀高光了，之后再加上遮罩和擾動(dòng)，便是常見的各向異性高光表現(xiàn)了，這里我提亮了第一層的高光強(qiáng)度，讓高光明顯了一點(diǎn)，另外在 kk 的計(jì)算中，有一個(gè)smooth step 函數(shù)，其中的 a 可以控制單向的漸變過(guò)渡，這樣就可以獲得左圖這種，一軟一硬得過(guò)渡變化了。

不過(guò)在這其中還有一個(gè)問(wèn)題，那就是切線修正的問(wèn)題，各向異性的計(jì)算是依賴于切線的，但是沒有經(jīng)過(guò)處理的切線，計(jì)算出來(lái)高光會(huì)非?；靵y，就像右圖一樣，統(tǒng)一切線的方向才能，計(jì)算出像左圖一樣整潔的高光形態(tài)。

對(duì)于切線的修正，主要有兩種方式，一個(gè)是打直 uv，另外一個(gè)是繪制FlowMap，因?yàn)榍芯€的方式是和uv 的 u 軸有關(guān)的，所以打直 uv 以統(tǒng)一切線方向是最常見的方式，另外也有使用Houdini，Krita之類的軟件來(lái)手動(dòng)繪制，或者生成FlowMap，來(lái)指定切線方向的方式，而且如果頭發(fā)是一個(gè)類似于球體的形狀，也可以虛擬一個(gè)球心，然后通過(guò)計(jì)算確定切線的方向。

好講完了將會(huì)麻煩的各向異性高光，那么把高光畫到貼圖上，然后直接貼到模型上的方式也十分常見，不過(guò)因?yàn)槔L制的高光沒有動(dòng)態(tài)反饋，會(huì)比較死板，所以很多方案中也會(huì)加入相對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)變化，比如《藍(lán)色協(xié)議》中就是先畫高光，然后通過(guò)預(yù)先烘培的貼圖，去計(jì)算出來(lái)高光的重心，之后再根據(jù)視角去縮放高光的大小，《櫻花大戰(zhàn)》中是把 uv 排列整齊，然后把高光貼圖貼上去，通過(guò)高光貼圖的上下移動(dòng)，來(lái)表現(xiàn)動(dòng)態(tài)的變化，總之頭發(fā)高光最重要的兩點(diǎn)，就是好看的形狀和動(dòng)態(tài)的反饋。