Tweakable Light and Shade for Cartoon Animation

Ken-ichi Anjyolowast; OLM Digital, Inc.

Shuhei Wemlerdagger; Silicon Studio Corp.

William BaxterDagger; OLM Digital, Inc.

Figure 1: Direct manipulation of stylized shading. Our algorithms allow the user to directly click-and-drag on shaded areas and highlights in real-time to achieve results like the above. The two leftmost images show the result of the user dragging the shaded area. The remaining images demonstrate the results of dragging operations on the highlight. Starting from the initial rounded shape in the second image, the highlight is first squared, then shrunk, split into four parts, and finally shifted to the right.

Abstract

Light and shade in the context of non-photorealistic imaging, such as digital cel animation, are semantic notations, rather than phys- ical phenomena. Therefore stylized light and shade should be in- tentionally animated instead of simulated. This paper proposes an intuitive, direct manipulation method for animating stylized light and shade in real-time. Our method provides intuitive click-and- drag operations for translating and deforming the shaded areas, in- cluding rotation, directional scaling, splitting, and squaring of high- lights, all without tedious parameter tuning. Our prototype system demonstrates the algorithms in our method, which are implemented along with a real-time cartoon shader on commodity graphics hard- ware. This system allows the interactive creation of stylized shad- ing keyframes for animations, illustrating the effectiveness of the proposed techniques.

CR Categories: I.3.3 [Computer Graphics]: Picture/Image Generation—Display Algorithms I.3.6 [Computer Graphics]: Methodology and Techniques—Interaction Techniques I.3.7 [Com- puter Graphics]: Animation

Introduction

Lighting or shadowing a 3D scene plays a crucial role in visual sto- rytelling, such as films, video games, and various digital content. Elaborate lighting control is often necessary to obtain the desired lighting for a scene. Many approaches to interactive lighting have been proposed and successfully applied to photorealistic scene ren- dering (see [Gershbein and Hanrahan 2000; Pellacini et al. 2002], for instance). However, in the case of non-photorealistic rendering, such as digital cel animation, light and shade are still very impor- tant, but their role is rather different from the photorealistic case.

lowast;e-mail: anjyo@olm.co.jp

dagger;e-mail: wemler@siliconstudio.co.jp

Dagger;e-mail: baxter@olm.co.jp

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NPAR 2006, Annecy, France, 05–07 June 2006.

copy; 2006 ACM 1-59593-357-3/06/0006 $5.00

Let us consider the cartoon-shaded area on a 3D object, which is usually prescribed by a thresholded Lambertian reflectance model. In making key-frame animations in practice, directors often demand that the shaded area be moved for artistic reasons, resulting in less “realistic” but more “dramatic” animations. Currently this means moving the light sources, sometimes even placing them in fictive positions, to achieve the desired result. What an animator really wants to do, however, is to create and animate the shaded area as desired, and not worry about the placement of light sources. More- over, in traditional cartoon animation, the shaded area is usually de- picted in a uniform-colored, abstract form, which offers a more flex- ible representation style than physics-based illumination. Likewise, the stylized highlights do not simply indicate the brightest area on a surface, but also imply surface roughness or material properties in an abstract form. For instance, shiny surfaces are often given multiple highlights to indicate mirror-like reflectance. The stylized highlights should symbolically convey various physical attributes of the objects being highlighted.

In this paper we consider how to create stylized light and shade in a production work-flow. Use of textures or light maps would be one way of making the symbolic, stylized highlight on a 3D ob- ject. In some cases, a designer could change the highlight shape by adjusting the light sources. These conventional approaches, how- ever, may require tedious and circuitous efforts to obtain a satisfac- tory result. We note that the stylized highlights must be deformable and much more flexible than photorealistic ones. For example, an- imators routinely make variations of the highlights on the same geometry and/or even under the same light, and then modify and animate the highlight, according to the situation. Therefore creat- ing stylized highlight animation requires a user-friendly animation tool, rather than a rendering or lighting tool. Even in making the cartoon-shaded area, the animatorrsquo;s focus is typically moving the shaded area, and moving the light is an indirect means of achieving that goal. Designers understandably prefer to manipulate objects directly, using the mouse or other devices, rather than manually adjusting parameter values, and there is a long history of research showing the benefits of s

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可调整的光和阴影为卡通动画

亚诺姆数字公司

Shuhei Wemlerdagger;硅工作室公司

沃姆数字公司

图1:直接操作风格化阴影。我们的算法允许用户直接点击和拖动阴影区域和实时高亮显示，以实现上述结果。最左边的两张图片显示了用户拖动阴影区域的结果。其余的图像显示了在高亮显示上拖动操作的结果。从第二幅图中最初的圆形开始，高亮部分先平方，然后缩小，分成四个部分，最后向右移动。

摘要

在数字cel动画等非真实感成像环境中，明暗是语义符号，而不是物理现象。因此，风格化的光影应该是动态的，而不是模拟的。本文提出了一种直观、直观的实时处理风格化光影的方法。我们的方法提供了直观的点击-拖动操作来平移和变形阴影区域，包括旋转、方向缩放、分割和高光的平方，所有这些都不需要繁琐的参数调整。我们的原型系统演示了该方法的算法，并在商品图形硬件上实现了一个实时动画着色器。该系统允许交互式创建程式化的动画关键帧，说明了所提技术的有效性。

CR分类:I.3.3[计算机图形学]:图片/图像生成-显示算法I.3.6[计算机图形学]:方法学和技术-交互技术I.3.7[计算机图形学]:动画

介绍

在电影、电子游戏和各种数字内容等视觉叙事中，3D场景的灯光或阴影扮演着至关重要的角色。为了获得一个场景所需的照明，精细的灯光控制常常是必要的。许多交互式照明的方法已经被提出并成功地应用于逼真的场景绘制(见Gershbein和Hanrahan 2000;例如，Pellacini等人2002)。然而，在非真实感渲染的情况下，如数码cel动画，明暗仍然是非常重要的，但他们的作用是相当不同的真实感情况。

lowast;电子邮件:anjyo@olm.co.jp

dagger;电子邮件:wemler@siliconstudio.co.jp

Dagger;电子邮件:baxter@olm.co.jp

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NPAR 2006, Annecy，法国，2006年6月05-07日。

copy;2006 ACM 1-59593-357-3/06/0006 $5.00

让我们考虑三维物体上的卡通阴影区域，这通常是由阈值化的朗伯反射模型规定的。在制作关键帧动画的实践中，由于艺术原因，导演往往要求将阴影区域移动，导致动画的“真实感”降低，而“戏剧性”增加。目前，这意味着移动光源，有时甚至把它们放在虚构的位置，以达到预期的效果。然而，动画师真正想做的是根据需要创建和动画阴影区域，而不是担心光源的位置。更重要的是，在传统的卡通动画中，阴影区域通常采用统一颜色的抽象形式，这比基于物理的照明提供了更灵活的表示风格。同样地，程式化的高光不仅表示表面上最亮的区域，还以抽象的形式表示表面粗糙度或材料特性。例如，有光泽的表面通常会有多个高光来表示镜面反射。样式化的高亮显示应该象征性地传达被高亮显示对象的各种物理属性。

在本文中，我们考虑如何在生产流程中创建程式化的明暗。使用纹理或光贴图将是一种方法，使符号，程式化的突出显示在三维物体上。在某些情况下，设计师可以通过调整光源来改变高光的形状。这些传统的方法，无论如何，可能需要乏味和迂回的努力才能获得满意的结果。我们注意到风格化的高光必须是可变形的，而且比真实感的高光要灵活得多。例如，模仿者通常在相同的几何图形和/或甚至在相同的光线下对高光进行变化，然后根据情况修改高光并使其具有动画效果。因此，创建程式化的高亮动画需要一个用户友好的动画工具，而不是渲染或照明工具。即使在制作卡通阴影区域时，动画师的焦点通常也是移动阴影区域，而移动光线是实现这一目标的一种间接方法。可以理解的是，设计师更喜欢直接操作对象，使用鼠标或其他设备，而不是手动调整参数值，而且长期以来的研究表明，这种直接操作方法的好处(如[Schneiderman 1983])。

本文提出了一种直观的方法，通过对卡通阴影表面的直接操作，让用户实时创建和编辑风格化的明暗。图1显示了用我们的方法得到的几个简单结果。我们的系统由两项主要技术组成。第一种方法允许用户直接拖动阴影区域来移动阴影边界。在这种情况下，算法是自动的

计算光源的新位置，以便在阴影区域中实现所需的更改。第二种技术使用简单的向量场转换，允许对强光进行灵活的操作，包括平移、旋转、缩放、分裂和平方。本质上，用户可以将样式化的高亮显示视为可变形的对象。我们的演示系统建立在实时动画渲染器的基础上，运行在可编程图形集成电路硬件上。我们描述了该接口在我们的系统中如何有效地工作，并提供了几个实时动画实例。提出的方法改进了在[Anjyo and Hiramitsu 2003]中创建程式化亮点的非交互式技术。前面的技术只处理程式化的高亮显示，而不处理阴影，并且要求用户手动调整几个参数来实现所需的高亮显示。我们在这里展示的直接操作框架不仅可以编辑风格化的强光，还可以编辑阴影区域。此外，编辑过程是交互式预先形成的，不向用户公开任何参数，这与以前的工作相比大大减轻了用户的负担。

相关工作

有许多研究工作与我们的方法有关。本文简要回顾了近年来在生成非真实感图像的背景下，光与影的设计和交互渲染的几种方法。

在第一类中，[Barzel 1997]展示了计算机电影摄影的各种照明技术，强调了照明的重要性，不是为了逼真，而是为了创造令人印象深刻和印象深刻的场景。[Johnston 2002]提出了一种将3DCG的外观赋予手绘角色的光照方法。关于阴影，[Petrovic et al. 2000]开发了一种使用3D模型进行cel ani信息生成阴影哑光的半自动方法。[Pellacini et al. 2002]提出了一种用于阴影设计的用户界面，允许用户直接在场景的表面上转换阴影区域。最近，[Anjyo and Hiramitsu 2003]提出了一种程序化的高光设计方法，但对模型的参数进行调优需要大量的试验和误差。在交互渲染这一范畴，也有许多创新的研究工作被开发出来(见Gooch和Gooch 2001)。特别是[Lake et al. 2000]提出了几种实时算法来模拟各种卡通风格。[Kalnins et al. 2002]提出了一种“所见即所得”(WYSIWYG)系统，用于直接在三维物体上绘制笔画。

在本文中，我们提出了一种直观、直接的操作方法来突出和阴影三维对象的动画风格，没有显式光源控制。我们的方法是[an - jyo and Hiramitsu 2003]的扩展，其中一个程式化的突出显示可以通过参数化操作进行编辑。我们的扩展使我们能够使风格化的高亮和阴影区域在某种意义上“可调整”

图2:调整阴影区域。将散射强度从pa转移到pb意味着改变方向光。

我们还假设单位曲面法向量N = N(p)是p的一个局部光滑函数。我们使用三元(du, dv, N)作为pisin;M的三维邻域的一个局部坐标系。

使阴影区域可调整

在制作2D-3D混合数字cel动画时，我们认为光源是一个点光源或方向光源。我们将首先考虑有方向光源的漫射项所定义的阴影区域。注意，在本文中，“阴影区域”指的是由朗伯提阴影确定的具有相似强度的表面部分，而不是从一个物体投射到另一个物体上的阴影。具体来说,对于给定数字delta;1delta;2,hellip;hellip;,delta;m(1 =delta;0 lt;delta;1 lt;delta;2 lt;。lt;delta;m)阴影区域Di被定义为Di: = p Mdelta;i 1 Ld, N (p) lt;delta;i i = 1, 2,。， m(通常为m = 2,3)，其中Ld为光的方向，表示内积(点积)。然后为每个阴影区域分配统一的颜色。如果想要移动阴影区域，光源通常必须移动。这应该在每一个关键帧创建一个关键帧动画的光的位置，这可能需要一个动画师进行大量的尝试和错误，以获得预期的结果。

(hellip;)

{isin; |minus;le;( ) }

minus;

因此，我们希望用拖动阴影区域本身来替换更改光源。我们实现这一目标的基本思想是推导出一个算法，将给定点pa的强度移动到另一个点pb上，都在M上，这两个点是用一个指向设备指定的。这需要找到一个新的光的方向

令(Ld, N(pa)) = (Lnew, N(pb))。图2解释了我们的

我们可以通过在屏幕上点击和拖动op-来实时转换它们 d d

d

erations。

可调整的光和影

本文的主要贡献是一组简单的算法，使交互设计程式化的高光和阴影

实现这一点的算法。我们用L(pa)表示Ld在pa处的局部坐标表示。同样，Lnew在pb处的局部表示形式为L(pb)。然后我们简单地将L(pb)等同于L(pa)，即， pb的切线空间中的新光应该与pa的切线空间中的光具有相同的局部坐标。下一个Lnew是由L(pb)推导出来的，通过将它从pb的切空间转换回世界坐标系统。调整的算法

阴影区域只是由这个获取Lnew的过程组成

d

区域通过拖动操作而不考虑灯光

从L

d

d通过直接的拖拽操作。如

消息来源。本节解释这些算法的本质。

设M为要进行文体描述的三维对象。我们假设p M处的切空间由du(p)和dv(p)张成，其中单位向量du和dv是局部定义的光滑函数

isin;

视频演示开始1，“操作示例”，从pa拖拽到pb的结果可以顺利实时显示。

这些视频可以在http://www.cavie-x.net/shade/上找到。

使突出Tweakable

继续使用与阴影区域相同的原理，我们开发了一种直接操作方法来创建和动画样式化的突出部分。为此，我们首先遵循[Anjyo and Hiramitsu 2003]的向量场方法。目前，假设M是单个参数化的patch。我们从一个任意放置的光向量L开始，它决定了m上的初始高亮(s)

前一节。利用pisin;M处的局部切空间，我们可以

方程英尺(H (pB)) = kH (pA)的未知数,alpha;,

beta;和k。通过比较每个组件这些向量,我们有:

中心 alpha; = kHuA,

HvB beta; = kHvA, (3)

HNB = kHNA。

该方程组易于求解，结果在新的领域:

Ωt(ε):= {pisin;M | (N (p),英国《金融时报》^ (H (p))) gt; 1minus;ε}。 (4)

写一个任意向量场的表达式，{H(p)}pisin;M:

H(p) = Hu(p)du Hv(p)dv HN (p)N。

我们考虑以下地区M,对于一个给定的ε(0 lt;εlt; 1.0)和向量场(p)} {H pisin;M:

Ω(ε):= {pisin;M | (N (p), H ^ (p)) gt; 1minus;ε}, (1)

circ;表明正常化,H ^ (p): = H (p) /ǁHǁ(p)。我们将引用的内积值N (p), H ^ (p)的因素在p H。让H0 (p): = (L V) / L V是一半的向量,其中L是光矢量和V是向量指向眼睛从p。如果H (p) = H0 (p),然后模拟金属材质模型[模拟金属1977]说Ω(ε)(1)将会是一个圆形突出像左边的苹果上的白色区域如图1所示。我们定义Ω(ε)在本文突出区域,在阴影的过程中,我们给Ω(ε)统一的突出显示颜色(通常为白色)。相关联的

ǁ ǁ

( )

在典型的用法,我们点击一个pA突出Ω(ε),即，其贡献因子接近1.0,pB是我们希望高亮显示的点。因此强调(1)是由英国《金融时报》的翻译成为Ωt(ε)(4),而转移的因素pAΩ(ε)的pBΩt(ε)。所需参数alpha;和beta;的英国《金融时报》从两个指定点自动确定。

上述算法涉及指定两个点可以被视为等同于改变光源,如果我们假设L f = 2 ^ t (H)、V f ^ t (H)诉我们推广这个想法为了重新手动参数设置与拖动操作的所有其他突出转换表1中。在解释广义算法之前，我们先介绍(3)的另一个“近似”解，下一节将有效地使用它。(3)的近似解为:

( ) minus;

中心 alpha; =华,

(1)中的向量场H(p) pm称为高亮向量

{ }isin;

字段。

HvB

beta; = HvA

(5)

一般的高亮区域由高亮向量场定义，高亮向量场是应用于半向量场的函数变换的合成结果:旋转、平移、方向缩放、分割和平方。每个向量场变换对应于高亮区域上的一个操作。例如，高亮向量场的平移表示高亮区域的平移。根据定义高亮的这个公式，我们提出了一种直接操作高亮区域的算法，无需对函数转换参数进行cir- cucuy调优。为了实现这一点，我们还引入了向量场变换的另一种定义，如下一节所述。

这意味着alpha;和beta;获得独立于彼此。当然,如果两个点pA

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