Introduction To Cartoon Shading 戴明仁

Introduction Cartoon-Shading （通稱為 Toon-Shading 或 Cel-Shading ）為近年來流行的 NPR （ Non-Photo-Realistic Rendering ）領域 裡相當熱門的研究，尤其在遊戲界裡的應 用層面也愈來愈廣，從早期 SEGA 公司的 Jet Set Radio ，到近期 Nintendo 公司的 Zelda ，都用到了 Toon- Shading 的技巧

Implementation 在 Sole Survivor 裡的 Toon-Shading 實做過 程中可分為 Inking 跟 Painting 兩個部份。

Painting 在漫畫或是卡通中，通常會使用色塊來表 現人物或物體表面的色彩，以表現出明暗 對比的感覺，我們在此以一維貼圖查表法 ( 1D Texture Lookup Table) 來達到這個目 的。

Painting 我們對於每一個三角形，當光源愈垂直射到此三角形上 時，其亮度愈大 ; 也就是說將此三角形的位置射到光源得 到一個 Light Vector ，和自己的 Normal 做內積（即兩向 量夾角的 cos 值），如果 = 0 表示光源平行於三角形（愈 暗）；如果 = 1 表示光源垂直於三角形（愈亮），我們因 此可用此概念，將做為一個一維貼圖的貼圖座標，當兩 向量內積值愈大時，我們給他愈明亮的 Shader 值。

Painting 然而遊戲在真正進行時，物體本身通常還會 有一張自己的貼圖，因此程式真正在實做 的時候，我們會給他一張如下圖的一維貼 圖 用來表示物體表面的陰暗度，然後在 Render 時，再以 Multitexture 的方式將物體原來的 貼圖跟此一維貼圖做混色，達到 Toon Shading 的效果。

Inking Inking 表示畫出場景中角色或物品的邊線， 使其看起來有漫畫家手繪的風格。這個步 驟的流程圖如下：

Inking-Proprocess 我們把物體的每個三角形的三個邊依序去 檢查並且插入到一個 Unique Edge List ，每 個 Edge 資訊存有兩端點的 index ，相鄰兩 個面的 index ，及他的 Edge 種類， Edge 種 類包括了 Silhouette 、 Crease Angle 和 Boundary 等。

Inking Silhouette 為物體的邊線，如圖示為一個只 畫 Silhouette 的物體： 為了要計算 Silhouette ，我們必需先紀錄好一個 Edge 相鄰兩個面 的 index ，以便於執行時期去求得其兩個面的 normal 值。

Inking Crease Angle 為一個物體的摺痕，我們可 自行定義當某個 Edge 的相鄰兩個三角形的 夾角大於某個角度時，此 Edge 即為 Crease 。 下圖為一畫了 Crease 的物體： 由於 Crease 為 View-Independent ， 因此我們可以在找出所有的 Edge 之後，再個別判斷其相鄰兩個面 的夾角是否大於某個 Threshold ， 若夾角過大即可歸類於 Crease Angle 。

Inking Boundary 我們定義為在不同 Material 之間 的 Edge 稱為 Boundary ，如下圖：

Inking-Runtime 在執行時期時，因 Silhouette 是 View- Dependent ，所以我們需由目前的視角， 來找出物體的 Silhouette ，流程圖如下：

Inking-Runtime 即若一個 Edge 相鄰兩個面一個為 Front Facing 另一個為 Back Facing ，此 Edge 即 為 Silhouette ，因為兩向量的內積值為其夾 角的 COS 值，因此我們可推出算式當 （ Face1Normal dot EyeVector ） X （ Face2Normal dot EyeVector) <= 0 時，此 Edge 即為 Silhouette 。