Line-art Illustration of Dynamic and Specular Surfaces

1 Introduction Line-art illustrations are effective artistic tools for conveying shapes, shading, and materials of complex objects. A variety of techniques have been developed to illustrate static and opaque 3D objects in line-art styles [Winkenbach and Salesin 1994; Elber 1998; Hertzmann and Zorin 2000; Praun et al. 2001; Webb et al. 2002; Zander et al. 2004]. In such illustrations, principal directions provide essential information to control the orientations of line strokes [Girshick et al. 2000]. Previous real-time techniques for line-art illustrations [Praun et al. 2001; Webb et al. 2002] precompute and store the principal directions of the model and apply dynamic line strokes along the principal directions at run time. Combined with stroke textures for different intensities and scales, these techniques can effectively simulate line-art illustrations. When a line-art style is applied to an animation with dynamic 3D models, the geometric deformations can be more clearly perceived under line strokes than using traditional photorealistic shading (see Fig. 1). However, previous real-time techniques are not directly applicable to dynamic models due to the high computational cost of the principal direction estimation. Despite recent advances in discrete differential geometry [Rusinkiewicz 2004; Grinspun et al. 2006; Gatzke and Grimm 2006], real-time principal direction estimation on densely triangulated models is still an open problem. One possible solution is to use the new geometry shader (GS) in DirectX 10 [Blythe 2006]. However, the computational overhead using the GS still scales with the number of vertices and triangles in the model. Another challenging problem not addressed in previous approaches is applying line-art styles on specular (reflective and refractive) objects in a scene. Specular surfaces do not have their own images. Instead, they borrow their images from nearby opaque surfaces, where the reflections/refractions give vivid impressions of their shapes [Fleming et al. 2004; Weidenbacher et al. 2006]. The unique 3D shape distortions through reflections and refractions can be readily understood using line strokes, as shown in Figs. 10 and 11. However, to depict such distortions, the line strokes from the nearby opaque objects need to be propagated onto the specular surfaces. For curved mirrors or transmissive surfaces, this propagation is highly non-linear and does not have a closed-form solution except for the most trivial cases. In this paper, to apply line strokes to dynamically animated objects, we introduce a real-time principal direction estimation algorithm. Our method locally represents the surface normals about a point as rays and estimates the principal directions directly from the normal rays. Our method is based on the observation that the neighboring normal ray triplets are constrained to simultaneously pass through two slits (lines) corresponding to the principal directions [Yu et al. 2007a]. We provide explicit formulations to compute the slits and hence the principal directions. We then develop an image-space algorithm to estimate the principal directions on a GPU as well as to robustly handle degeneracies near umbilic, parabolic, and planar points. To illustrate reflections and refractions in a line-art style, we develop a novel stroke propagation algorithm using multiperspective projections. Our method models the local reflections and refractions as a special set of multiperspective cameras called the General Linear Camera (GLC) [Yu and McMillan 2005]. We then use the closed-form GLC projection equation to propagate the stroke directions from the nearby opaque objects onto specular surfaces. We demonstrate our algorithm with single reflections and double refractions although it can be extended to support triple-or-more bounces. Finally, we present an image-space stroke mapping algorithm to apply line stroke textures onto the target surfaces using the computed or propagated stroke directions. Our method is based on the triangle-based stroke mapping algorithm for real-time pencil rendering [Lee et al. 2006], which stores the stroke directions at the vertices of triangles. We extend their algorithm to handle per-pixelbased stroke directions. By combining and implementing the three algorithms on a GPU, we present a real-time rendering system to illustrate scenes with dynamic and specular 3D models in line-art styles. The specific contributions of this paper are: bull; A real-time line-art illustration system that supports dynamically animated and specular objects. bull; An image-space algorithm for real-time estimation of the principal directions via normal-ray differential geometry. bull; A real-time stroke direction propagation method for illustrating specular surfaces using line strokes. bull; A per-pixel-based method for mapping stroke textures onto a surface using the computed or propagated stroke directions.

2 Related Work Several automatic illustration systems have been proposed to render static scenes. Winkenbach and Salesin [1994] incorporated traditional pen-and-ink drawing principles to illustrate 3D polygonal models. Similar illustration systems have been developed to handle parametric surfaces [Winkenbach and Salesin 1996; Elber 1998]. Hertzmann and Zorin [2000] presented efficient algorithms to detect the silhouettes and to compute smooth direction fields on polygonal models. Lake et al. [2000] used horizontal and vertical directions for stroke orientation. Girshik et al. [2000] demonstrated that the use of principal directions in illustration can significantly enhance the userrsquo;s perception of shapes. Praun et al. [2001] proposed a real-time hatching technique that maps stroke textures using the principal directions. Webb et al. [2002] extended the technique for accurate control of hatching tones with graphics hardware. Lee et al. [2006] presented a real-time pencil rendering technique, whe

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动态和镜面的线条艺术插图

1介绍

线条艺术插图是传达复杂对象的形状，阴影和材料的有效的艺术工具。已经开发了各种技术来演示线条艺术风格的静态和不透明3D对象[Winkenbach and Salesin 1994; Elber 1998; Hertzmann和Zorin 2000; Praun等人2001; Webb等人2002; Zander等人2004年]。在这样的例证中，主要方向提供了控制线条行向方向的基本信息[Girshick et al。 2000。以前的线条艺术插图的实时技术[Praun et al。 2001; Webb等人2002]预先计算并存储模型的主要方向，并在运行时沿主要方向应用动态线条。结合不同强度和尺度的笔触纹理，这些技术可以有效地模拟线条插图。当使用动态3D模型将线条风格应用于动画时，与使用传统照片级阴影（参见图1）相比，线条笔触可以更清晰地感知到几何变形。然而，由于主方向估计的高计算成本，以前的实时技术并不直接适用于动态模型。尽管离散微分几何的最新进展[Rusinkiewicz 2004; Grinspun等人2006; Gatzke和Grimm 2006]，密集三角模型的实时主方向估计仍然是一个开放的问题。一个可能的解决方案是在DirectX 10中使用新的几何着色器（GS）[Blythe 2006]。然而，使用GS的计算开销仍然与模型中的顶点和三角形的数量一起缩放。在以前的方法中没有解决的另一个具有挑战性的问题是在场景中的镜面（反射和折射）对象上应用线条艺术风格。镜面没有自己的图像。相反，他们从附近的不透明表面借用他们的图像，其中反射/折射给他们形状的生动印象[Fleming et al。 2004; Weidenbacher等人2006]。通过反射和折射的独特的3D形状的变形可以使用线笔画容易地理解，如图1和2所示。然而，为了描绘这种扭曲，来自附近的不透明物体的线笔划需要传播到镜面上。对于曲面镜或透射表面，这种传播是非常非线性的，除了最简单的情况之外，不具有闭合形式的解决方案。在本文中，为了将行划线应用于动态动画对象，我们引入了实时主方向估计算法。我们的方法在本地表示关于一个点作为射线的表面法线，并直接从正常射线估计主方向。我们的方法是基于观察到邻近的正常光线三重态被约束以同时通过对应于主方向的两条狭缝（线）[Yu et al。 2007年a]。我们提供明确的配方来计算狭缝，从而计算主要方向。然后，我们开发一种图像空间算法来估计GPU上的主要方向，以及鲁棒地处理脐带，抛物线和平面点附近的退化。为了说明线条风格的反射和折射，我们开发了一种使用多目标投影的新颖的中风传播算法。我们的方法将局部反射和折射模型作为一组特殊的多用途相机，称为通用线性相机（GLC）[Yu和McMillan 2005]。然后，我们使用闭式GLC投影方程将来自附近不透明物体的行程方向传播到镜面上。我们用单反射和双折射证明我们的算法，尽管它可以扩展到支持三次或更多次的反弹。最后，我们提出一种图像空间笔画映射算法，使用计算或传播的笔划方向将线笔纹贴图应用到目标曲面上。我们的方法是基于用于实时铅笔渲染的基于三角形的笔画映射算法[Lee et al。 2006]，其存储三角形顶点的笔触方向。我们扩展其算法来处理每像素的行程方向。通过在GPU上组合和实现三种算法，我们提出了一种实时渲染系统，以线条艺术风格来描绘动态和镜面3D模型的场景。本文的具体贡献是：bull;实时线艺术插图系统，支持动态动画和镜面对象。 bull;用于通过正常光线差分几何实时估计主方向的图像空间算法。 bull;实时行程方向传播方法，用于使用行画来描述镜面。 bull;基于像素的方法，用于使用计算或传播的笔划方向将笔触纹理映射到曲面上。

2相关工作

已经提出了几种自动插图系统来渲染静态场景。 Winkenbach和Salesin [1994]引入了传统的笔墨原理来说明3D多边形模型。已经开发了类似的示例系统来处理参数表面[Winkenbach and Salesin 1996; Elber 1998]。 Hertzmann和Zorin [2000]提出了有效的算法来检测剪影并计算多边形模型上的平滑方向场。湖等[2000]使用水平和垂直方向进行笔触取向。 Girshik et al。 [2000]证明，使用主要方向在插图中可以显着增强用户对形状的看法。 Praun等人[2001]提出了一种使用主要方向映射笔触纹理的实时孵化技术。 Webb等人[2002]扩展了使用图形硬件精确控制孵化色调的技术。 Lee et al。 [2006]提出了一种实时铅笔渲染技术，其中主要方向映射到图像空间进行笔画绘图。然而，这些系统使用离线算法来估计主要方向，因此不直接适用于动态网格的实时图示。最近，已经提出了用于渲染特殊类型的动态表面的插图技术。 Snavely等人[2006]提出了一种对2.5-D视频（带深度信息的视频）进行风格化的技术。 Schimidt et al。 [2007]提出了一种基于交互式草图的建模系统，其中在交互式建模过程中使用线条草图和上墨效果。相比之下，我们的系统可以提供一般动态曲面的线条插图。为了估计采样3D模型的主要方向，已经进行了深入研究，使用各种技术近似第二个基本形式，从有限差异[Rusinkiewicz 2004; Taubin 1995]，多项式拟合[Cazals and Pouget 2003; Goldfeather和Interrante 2004]，以及Voronoi细胞[Meyer et al。 2003; Cohen-Steiner和Morvan 2003]。对于具有法线的图像，Bartesaghi et al。 [2005]和Toler-Franklin等人[2007]使用法线的导数近似了图像空间中的第二个基本形式。最近，Yu et al。 [2007a]提出了基于正常光线分析的不同的曲率估计方法。他们的方法将表面法线建模为射线，并从正常射线估计下面的网格表面的焦点表面。然后可以使用焦面来导出主曲率值[Yu et al。 2007年b]。在本文中，我们将普通光线曲率估计值实时地近似于主方向。我们的新方法与古典曲率方向估计方法相比具有几个优点。首先，它不需要计算第一和第二基本形式，并且更容易在GPU上实现。第二，通过将位置和法线均匀地视为光线，我们不需要考虑大多数图像空间方法所需的缩短效果。最后，我们的方法可以强大地处理靠近脐带，抛物线和平面点的退化。已经开发了图像空间技术来将线笔划应用于3D模型。对于实时铅笔渲染，Lee et al。 [2006]提出了一种图像空间技术，可以使用存储在三角形顶点的主方向来绘制笔触纹理。 Breslav et al。 [2007]提出了当2D纹理映射到3D模型时使用动态2D图案来维持时间相干性。然而，该映射是独立于下面的3D几何结构来确定的，因此，它们的方法可能会破坏通过行程的结构和运动传达形状的能力。在本文中，为了描绘具有线笔纹纹理的物体形状和变形，我们采用Lee等人的技术[2006]并将其扩展为处理存储在图像像素处的笔触方向，而不是三角形顶点。虽然大多数现有的线插图系统仅处理不透明对象作为绘图动机，但已经提出了几种方法来使用非真实感渲染技术来示出全局照明。 Saito和Takahashi [1990]应用简单的边缘增强来更有效地说明光线跟踪场景。 Leister [1994]使用光线跟踪来获得阴影样式的阴影效果。 Diepstraten和Ertl [2004]引入了一个用于说明镜面反射和透射表面的遮阳技术。最近，Weidenbacher等[2006]已经表明，镜像对象的粗略草图能够改善反射表面和反射对象的感知。我们的方法不同于这些方法，因为我们直接传播笔画阴影/实时光线追踪0°180°场景漫射表面可见屏幕镜面上可见的镜面上的漫反射表面可见镜面对象

3系统概述

显示了我们的实时插图系统的渲染流水线。在我们的系统中，每个计算都在图像空间中进行;我们估计，传播和渲染每个像素的笔画。我们首先用实时渲染方法生成强度图。对于漫反射面，我们使用Phong阴影和方差阴影贴图[Donnelly and Lauritzen 2006]。为了渲染镜面，我们使用Umenhoffer [2007]提出的实时光线跟踪。为了获得图像空间中的笔画方向图，我们分别估计和传播对应于漫反射和镜面的像素的主方向。对于漫反射面，我们首先渲染几何的位置和法线，并将其组合为普通光线。随后的像素着色器使用正常光线估计每个像素的主方向（第4节）。对于镜面，我们首先生成包含相邻漫反射物体估计主方向的分层距离图[Umenhoffer 2007]。在镜面上的每个像素上，我们跟踪反射/折射光线到达最终的不透明物体，并从分层距离图中取出相应的主方向。在轨迹期间，我们还将交点和出射光线存储在镜面上。我们从出射光线形成GLC，并使用GLC投影将获取的主方向传播到镜面上的像素上（第5节）。对于笔画映射，在预处理中已经生成了与各种强度对应的笔迹纹理。强度和笔画方向图由我们的图像空间笔划绘图着色器使用，以生成场景的线条图。像素的强度用于选择笔触纹理，笔画方向确定着色器中纹理的方向（第6节）。

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