Cel Shading

О реализации некоторых нефотореалистичных эффектов:

Начнем с одного из самых простых эффектов, а именно с Cel модели освещения. Обычно, в нефотореалистичной графике применяется специальная модель освещения, которая лучше передает эффект ручного рисования. В рисованой графике трудно точно отразить оттенки цветов, которые получает материал при освещении, в таком случае, обычно, большие области закрашиваются одним цветом.

Такого эффекта в шейдере можно добиться с помощью специальной маски цветов. Она может выглядеть, например, следующим образом:

(Синяя рамка не входит в маску, а отображается для наглядности)

Мы сможем использовать ее следующим образом:

Освещенность в каждой точке объекта измеряется от 0 до 1. Аналогично, координаты точки в маске принимают значения от 0 до 1 (в шейдере).

Таким образом, можно сопоставить яркости осщения некоторый цвет в текстуре с маской. Так, тусклое освещение соответствует самому черному (слева в маске) цвету, а наиболее яркое – белому (справа в маске).

Сначала разработаем простое приложение, которое будет рисовать чайник, освещенный по модели Фонга, чтобы потом можно было легко сравнить результат нефотореалистичного рендеринга с фотореалистичным.

Исходный код может выглядеть примерно так:

(Только метод Draw, остальной код в конце статьи)


protected
override
void Draw(GameTime gameTime)

{

GraphicsDevice.Clear(Color.Black);


// TODO: Add your drawing code here


Matrix world = Matrix.CreateRotationY((float)gameTime.TotalGameTime.TotalSeconds) * Matrix.CreateTranslation(-1.0f, 0, 0);


Matrix view = Matrix.CreateLookAt(new
Vector3(0, 1, 4), Vector3.Zero, Vector3.Up);


Matrix proj = Matrix.CreatePerspectiveFieldOfView(MathHelper.ToRadians(45), GraphicsDevice.Viewport.AspectRatio, 0.1f, 10);

effect.CurrentTechnique = effect.Techniques[«Phong»];

effect.Parameters[«World»].SetValue(world);

effect.Parameters[«View»].SetValue(view);

effect.Parameters[«Projection»].SetValue(proj);

effect.Parameters[«Eye»].SetValue(new
Vector3(0, 1, 4));

teapot.Draw(effect);

world = Matrix.CreateRotationY(-(float)gameTime.TotalGameTime.TotalSeconds) * Matrix.CreateTranslation(1.0f, 0, 0);

effect.CurrentTechnique = effect.Techniques[«Phong»];

effect.Parameters[«World»].SetValue(world);

effect.Parameters[«View»].SetValue(view);

effect.Parameters[«Projection»].SetValue(proj);

effect.Parameters[«Eye»].SetValue(new
Vector3(0, 1, 4));

teapot.Draw(effect);


base.Draw(gameTime);

}

Шейдер:

float4x4 World;

float4x4 View;

float4x4 Projection;

float4 AmbientColor = float4(0.1, 0.1, 0.1, 1);

float ka = 0;

float4 DiffuseColor = float4(0,0,1,1);

float kd = 0.7;

float4 SpecularColor = float4(1,0,0,1);

float ks = 1;

float SpecularPower = 8;

float3 LightPosition = float3(0,0.5,1);

float3 Eye;

float4 Color = float4(0,0,0.3,1);

// TODO: add effect parameters here.

struct VertexShaderInput

{

float4 Position : POSITION0;

float3 Normal : NORMAL;

// TODO: add input channels such as texture

// coordinates and vertex colors here.

};

struct VertexShaderOutput

{

float4 Position : POSITION0;

float3 WorldPosition : TEXCOORD0;

float3 Normal : TEXCOORD1;

// TODO: add vertex shader outputs such as colors and texture

// coordinates here. These values will automatically be interpolated

// over the triangle, and provided as input to your pixel shader.

};

VertexShaderOutput VertexShaderFunctionPhong(VertexShaderInput input)

{

VertexShaderOutput output;

float4 worldPosition = mul(input.Position, World);

float4 viewPosition = mul(worldPosition, View);

float3 worldNormal = normalize(mul(input.Normal, World));

output.Position = mul(viewPosition, Projection);

output.WorldPosition = worldPosition;

output.Normal = worldNormal;

// TODO: add your vertex shader code here.

return output;

}

float4 PixelShaderFunctionPhong(VertexShaderOutput input) : COLOR0

{

// TODO: add your pixel shader code here.

float3 worldPosition = input.WorldPosition;

float3 worldNormal = normalize(input.Normal);

float4 Ambient = ka * AmbientColor;

float3 lightDirection = normalize(LightPosition — worldPosition);

float4 Diffuse = kd * max(0, dot(worldNormal, lightDirection)) * DiffuseColor;

float3 eyeDirection = normalize(Eye — worldPosition);

float3 reflectedLight = normalize(reflect(-lightDirection, worldNormal));

float4 Specular = ks * pow(max(0, dot(eyeDirection, reflectedLight)), SpecularPower) * SpecularColor;

return Color + Ambient + Diffuse + Specular;

}

technique Phong

{

pass Pass1

{

// TODO: set renderstates here.

VertexShader = compile vs_1_1 VertexShaderFunctionPhong();

PixelShader = compile ps_2_0 PixelShaderFunctionPhong();

}

}

Чайники имеют собственный цвет (темно синий). Для лучшего визуального эффекта коэффициент рассеянного света (ka) установлен равным 0, то есть рассеяный свет не используется.

Диффузный свет имеет синий цвет, а заркальный (Specular) – красный. Таким образом, блики имеют фиолетовый цвет (при смешивании синего и красного).

Источник света помещен между чайниками, слегка приподнят и придвинут к наблюдателю.

Теперь перейдем к созданию нефотореалистичного эффекта. Для начала я буду отображать только диффузную составляющую.

Идея в том, чтобы получать цвет из текстуры маски, соответствующий освещенности. В следующем фрагменте кода значение освещенности для диффузной компоненты используется в качестве х-координаты для текстурного сэмплера.

float2 pos= float2(0,0);

pos.x = Diffuse;

float4 dColor = tex2D(LigthMaskSampler, pos) * DiffuseColor;

Исходный код:


protected
override
void Draw(GameTime gameTime)

{

GraphicsDevice.Clear(Color.Black);


// TODO: Add your drawing code here


Matrix world = Matrix.CreateRotationY((float)gameTime.TotalGameTime.TotalSeconds) * Matrix.CreateTranslation(-1.0f, 0, 0);


Matrix view = Matrix.CreateLookAt(new
Vector3(0, 1, 4), Vector3.Zero, Vector3.Up);


Matrix proj = Matrix.CreatePerspectiveFieldOfView(MathHelper.ToRadians(45), GraphicsDevice.Viewport.AspectRatio, 0.1f, 10);

effect.CurrentTechnique = effect.Techniques[«Phong»];

effect.Parameters[«World»].SetValue(world);

effect.Parameters[«View»].SetValue(view);

effect.Parameters[«Projection»].SetValue(proj);

effect.Parameters[«Eye»].SetValue(new
Vector3(0, 1, 4));

effect.Parameters[«LightMask»].SetValue(lightMask);

teapot.Draw(effect);

world = Matrix.CreateRotationY(-(float)gameTime.TotalGameTime.TotalSeconds) * Matrix.CreateTranslation(1.0f, 0, 0);

effect.CurrentTechnique = effect.Techniques[«NPR»];

effect.Parameters[«World»].SetValue(world);

effect.Parameters[«View»].SetValue(view);

effect.Parameters[«Projection»].SetValue(proj);

effect.Parameters[«Eye»].SetValue(new
Vector3(0, 1, 4));

effect.Parameters[«LightMask»].SetValue(lightMask);

teapot.Draw(effect);


base.Draw(gameTime);

}

Шейдер (только новая техника):

VertexShaderOutput VertexShaderFunction(VertexShaderInput input)

{

VertexShaderOutput output;

float4 worldPosition = mul(input.Position, World);

float4 viewPosition = mul(worldPosition, View);

float3 worldNormal = normalize(mul(input.Normal, World));

output.Position = mul(viewPosition, Projection);

output.WorldPosition = worldPosition;

output.Normal = worldNormal;

// TODO: add your vertex shader code here.

return output;

}

float4 PixelShaderFunction(VertexShaderOutput input) : COLOR0

{

// TODO: add your pixel shader code here.

float3 worldPosition = input.WorldPosition;

float3 worldNormal = normalize(input.Normal);

float4 Ambient = ka * AmbientColor;

float3 lightDirection = normalize(LightPosition — worldPosition);

float Diffuse = kd * max(0, dot(worldNormal, lightDirection));

float3 eyeDirection = normalize(Eye — worldPosition);

float3 reflectedLight = normalize(reflect(-lightDirection, worldNormal));

float2 pos= float2(0,0);

pos.x = Diffuse;

float4 dColor = tex2D(LigthMaskSampler, pos) * DiffuseColor;

return Color + Ambient + dColor + sColor ;

}

technique NPR

{

pass Pass1

{

// TODO: set renderstates here.

VertexShader = compile vs_1_1 VertexShaderFunction();

PixelShader = compile ps_2_0 PixelShaderFunction();

}

}

Обратите внимание на то, что, несмотря на то, что маска содержала три различных цвета, правый чайник окрашен только в два цвета. Дело в том, что яркость диффузного света недостаточна для охвата всех цветов маски.

Для эксперимента можно изменить параметры шейдера, например, таким образом.

float kd = 0.9;

Теперь добавим зеркальную составляющую света:

float4 PixelShaderFunction(VertexShaderOutput input) : COLOR0

{

// TODO: add your pixel shader code here.

float3 worldPosition = input.WorldPosition;

float3 worldNormal = normalize(input.Normal);

float4 Ambient = ka * AmbientColor;

float3 lightDirection = normalize(LightPosition — worldPosition);

float Diffuse = kd * max(0, dot(worldNormal, lightDirection));

float3 eyeDirection = normalize(Eye — worldPosition);

float3 reflectedLight = normalize(reflect(-lightDirection, worldNormal));

float Specular = ks * pow(max(0, dot(eyeDirection, reflectedLight)), SpecularPower);

float2 pos= float2(0,0);

pos.x = Diffuse;

float4 dColor = tex2D(LigthMaskSampler, pos) * DiffuseColor;

pos.x = Specular;

float4 sColor = tex2D(LigthMaskSampler, pos) * SpecularColor;

return Color + Ambient + dColor + sColor ;

}

Полный исходный код:

using System;

using System.Collections.Generic;

using System.Linq;

using Microsoft.Xna.Framework;

using Microsoft.Xna.Framework.Audio;

using Microsoft.Xna.Framework.Content;

using Microsoft.Xna.Framework.GamerServices;

using Microsoft.Xna.Framework.Graphics;

using Microsoft.Xna.Framework.Input;

using Microsoft.Xna.Framework.Media;

using Microsoft.Xna.Framework.Net;

using Microsoft.Xna.Framework.Storage;

using Primitives3D;

namespace NPR_1

{


///
<summary>


/// This is the main type for your game


///
</summary>


public
class
Game1 : Microsoft.Xna.Framework.Game

{


GraphicsDeviceManager graphics;


SpriteBatch spriteBatch;


TeapotPrimitive teapot;


Effect effect;


Texture2D lightMask;


public Game1()

{

graphics = new
GraphicsDeviceManager(this);

Content.RootDirectory = «Content»;

}


///
<summary>


/// Allows the game to perform any initialization it needs to before starting to run.


/// This is where it can query for any required services and load any non-graphic


/// related content. Calling base.Initialize will enumerate through any components


/// and initialize them as well.


///
</summary>


protected
override
void Initialize()

{


// TODO: Add your initialization logic here

teapot = new
TeapotPrimitive(GraphicsDevice);


base.Initialize();

}


///
<summary>


/// LoadContent will be called once per game and is the place to load


/// all of your content.


///
</summary>


protected
override
void LoadContent()

{


// Create a new SpriteBatch, which can be used to draw textures.

spriteBatch = new
SpriteBatch(GraphicsDevice);


// TODO: use this.Content to load your game content here

effect = Content.Load<Effect>(«light»);

lightMask = Content.Load<Texture2D>(«lightMask»);

}


///
<summary>


/// UnloadContent will be called once per game and is the place to unload


/// all content.


///
</summary>


protected
override
void UnloadContent()

{


// TODO: Unload any non ContentManager content here

}


///
<summary>


/// Allows the game to run logic such as updating the world,


/// checking for collisions, gathering input, and playing audio.


///
</summary>


///
<param name=»gameTime»>Provides a snapshot of timing values.</param>


protected
override
void Update(GameTime gameTime)

{


// Allows the game to exit


if (GamePad.GetState(PlayerIndex.One).Buttons.Back == ButtonState.Pressed)


this.Exit();


// TODO: Add your update logic here


base.Update(gameTime);

}


///
<summary>


/// This is called when the game should draw itself.


///
</summary>


///
<param name=»gameTime»>Provides a snapshot of timing values.</param>


protected
override
void Draw(GameTime gameTime)

{

GraphicsDevice.Clear(Color.Black);


// TODO: Add your drawing code here


Matrix world = Matrix.CreateRotationY((float)gameTime.TotalGameTime.TotalSeconds) * Matrix.CreateTranslation(-1.0f, 0, 0);


Matrix view = Matrix.CreateLookAt(new
Vector3(0, 1, 4), Vector3.Zero, Vector3.Up);


Matrix proj = Matrix.CreatePerspectiveFieldOfView(MathHelper.ToRadians(45), GraphicsDevice.Viewport.AspectRatio, 0.1f, 10);

effect.CurrentTechnique = effect.Techniques[«Phong»];

effect.Parameters[«World»].SetValue(world);

effect.Parameters[«View»].SetValue(view);

effect.Parameters[«Projection»].SetValue(proj);

effect.Parameters[«Eye»].SetValue(new
Vector3(0, 1, 4));

effect.Parameters[«LightMask»].SetValue(lightMask);

teapot.Draw(effect);

world = Matrix.CreateRotationY(-(float)gameTime.TotalGameTime.TotalSeconds) * Matrix.CreateTranslation(1.0f, 0, 0);

effect.CurrentTechnique = effect.Techniques[«NPR»];

effect.Parameters[«World»].SetValue(world);

effect.Parameters[«View»].SetValue(view);

effect.Parameters[«Projection»].SetValue(proj);

effect.Parameters[«Eye»].SetValue(new
Vector3(0, 1, 4));

effect.Parameters[«LightMask»].SetValue(lightMask);

teapot.Draw(effect);


base.Draw(gameTime);

}

}

}

Шейдер:

float4x4 World;

float4x4 View;

float4x4 Projection;

float4 AmbientColor = float4(0.1, 0.1, 0.1, 1);

float ka = 0;

float4 DiffuseColor = float4(0,0,1,1);

float kd = 0.7;

float4 SpecularColor = float4(1,0,0,1);

float ks = 1;

float SpecularPower = 8;

float3 LightPosition = float3(0,0.5,1);

float3 Eye;

texture LightMask;

sampler LigthMaskSampler=sampler_state

{

texture = <LightMask>;

};

float4 Color = float4(0,0,0.3,1);

// TODO: add effect parameters here.

struct VertexShaderInput

{

float4 Position : POSITION0;

float3 Normal : NORMAL;

// TODO: add input channels such as texture

// coordinates and vertex colors here.

};

struct VertexShaderOutput

{

float4 Position : POSITION0;

float3 WorldPosition : TEXCOORD0;

float3 Normal : TEXCOORD1;

// TODO: add vertex shader outputs such as colors and texture

// coordinates here. These values will automatically be interpolated

// over the triangle, and provided as input to your pixel shader.

};

VertexShaderOutput VertexShaderFunctionPhong(VertexShaderInput input)

{

VertexShaderOutput output;

float4 worldPosition = mul(input.Position, World);

float4 viewPosition = mul(worldPosition, View);

float3 worldNormal = normalize(mul(input.Normal, World));

output.Position = mul(viewPosition, Projection);

output.WorldPosition = worldPosition;

output.Normal = worldNormal;

// TODO: add your vertex shader code here.

return output;

}

float4 PixelShaderFunctionPhong(VertexShaderOutput input) : COLOR0

{

// TODO: add your pixel shader code here.

float3 worldPosition = input.WorldPosition;

float3 worldNormal = normalize(input.Normal);

float4 Ambient = ka * AmbientColor;

float3 lightDirection = normalize(LightPosition — worldPosition);

float4 Diffuse = kd * max(0, dot(worldNormal, lightDirection)) * DiffuseColor;

float3 eyeDirection = normalize(Eye — worldPosition);

float3 reflectedLight = normalize(reflect(-lightDirection, worldNormal));

float4 Specular = ks * pow(max(0, dot(eyeDirection, reflectedLight)), SpecularPower) * SpecularColor;

return Color + Ambient + Diffuse + Specular;

}

VertexShaderOutput VertexShaderFunction(VertexShaderInput input)

{

VertexShaderOutput output;

float4 worldPosition = mul(input.Position, World);

float4 viewPosition = mul(worldPosition, View);

float3 worldNormal = normalize(mul(input.Normal, World));

output.Position = mul(viewPosition, Projection);

output.WorldPosition = worldPosition;

output.Normal = worldNormal;

// TODO: add your vertex shader code here.

return output;

}

float4 PixelShaderFunction(VertexShaderOutput input) : COLOR0

{

// TODO: add your pixel shader code here.

float3 worldPosition = input.WorldPosition;

float3 worldNormal = normalize(input.Normal);

float4 Ambient = ka * AmbientColor;

float3 lightDirection = normalize(LightPosition — worldPosition);

float Diffuse = kd * max(0, dot(worldNormal, lightDirection));

float3 eyeDirection = normalize(Eye — worldPosition);

float3 reflectedLight = normalize(reflect(-lightDirection, worldNormal));

float Specular = ks * pow(max(0, dot(eyeDirection, reflectedLight)), SpecularPower);

float2 pos= float2(0,0);

pos.x = Diffuse;

float4 dColor = tex2D(LigthMaskSampler, pos) * DiffuseColor;

pos.x = Specular;

float4 sColor = tex2D(LigthMaskSampler, pos) * SpecularColor;

// для экспериметов можно что-нибудь раскомментировать

//dColor = 0;

//Ambient = 0;

//sColor = 0;

return Color + Ambient + dColor + sColor ;

}

technique Phong

{

pass Pass1

{

// TODO: set renderstates here.

VertexShader = compile vs_1_1 VertexShaderFunctionPhong();

PixelShader = compile ps_2_0 PixelShaderFunctionPhong();

}

}

technique NPR

{

pass Pass1

{

// TODO: set renderstates here.

VertexShader = compile vs_1_1 VertexShaderFunction();

PixelShader = compile ps_2_0 PixelShaderFunction();

}

}

Реклама
Запись опубликована в рубрике Uncategorized с метками , , , , . Добавьте в закладки постоянную ссылку.

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход / Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход / Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход / Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход / Изменить )

Connecting to %s