卡通渲染
						文\申曉
    現在市面上流行的3D游戲畫面越來越炫目，不過也有一些為了營造一種特殊的效果而使用了卡通渲染技術，比如PC游戲中的《殺手XIII》，《忍者神龜》；PS2游戲中的《真紅之淚》，《犬夜叉》等等。這些游戲的畫面看上去很像漫畫，感覺比較有趣。下面就介紹一種簡單的實現方法。
    所謂用卡通渲染技術繪制的三維物體一般都有兩個明顯的特征，一個特征是物體表面覆蓋著大塊的單調顏色，而且光影變化比較劇烈；另一個特征是物體擁有粗重的邊緣效果。如果能自己控制光照和陰影，就可以達到目的。而DirectX 9.0 中的頂點渲染(Vertex Shaders)提供了這樣一個途徑，使我們可以實現自己的想法。
    頂點渲染與以前的T&L在渲染流程中處于二選一的地位，一段代碼最多只能有128條指令，而且不能有循環，判斷和跳轉指令，全是線性執行指令。每次只能有一個Shader程序是激活的，Vertex Shaders讓我們可以實時地控制模型的空間變換，光照處理以及像素渲染。
    那么現在先來解決第一個問題。我們可以用光線的亮度值作為物體的紋理坐標，這就產生一種帶狀紋理的效果，然后再調整相應的顏色即可。下面是渲染表面的Vertex Shaders代碼：

//v0 點位置
//v1 法向量
//c0 (0,0.5,1.0,2.0)
//c1-4 WV矩陣
//c5-9 WVP矩陣
//c9 光的顏色
//c10 光的方向

vs_2_0            
dcl_position v0  
dcl_normal   v1
dcl_texcoord v2
dcl_color    v3

def c0,0.0,0.5,1.0,2.0

m4x4 oPos,v0,c5 //變換點位置到WorldViewProj空間
m3x4 r1,v1,c1	//變換法向量到WorldView空間
dp3 r2,-r1,c10  //計算光照
max r2,r2,c0.x 
mov oT0.x,r2    //紋理坐標[r2,0.5]
mov oT0.y,c0.y  
mov oD0,c9      //設置光照

這段代碼先把每個點的坐標變換到相應的空間，然后使用一維的坐標來表示帶狀紋理的效果。最后設置材質的顏色并添加照明。程序中之所以選擇0.5作為水平方向上的紋理坐標，是為了避免一些邊緣采樣的問題。
    接著解決第二個問題。為了體現出粗重的邊緣效果，我們必須要找出所有的邊緣輪廓。一般的話，如果兩個面的朝向相反，那么它們的公共邊就是邊緣輪廓。法向量和視覺向量的點積越接近0，就離邊緣越近，然后把這些靠近邊緣的三角形渲染成黑色即可。為了控制卡通化的程度，可以設置一個閥值，然后使用alpha檢測來決定每個點的顏色。

vs_2_0                             
dcl_position v0
dcl_normal   v1
dcl_texcoord v2
dcl_color    v3

def c0,0.0,0.5,1.0,2.0

m4x4 oPos,v0,c5		 //變換點位置到WorldViewProj空間
m3x4 r0,v0,c1		 //變換點位置到WorldView空間
m3x4 r1,v1,c1		 //變換法向量到WorldView空間
nrm r2,r0		 //歸一化
dp3 r3.x,r2,-r1		 //計算點積
mad oD0.w,r3.x,c0.y,c0.y //設置alpha值
mov oD0.xyz,c0.x	 //設置漫射光

這段代碼先把每個點的坐標變換到相應的空間，然后計算點積，最后添加光照。另外還要在程序中使用alpha檢測來過濾像素，代碼如下所示：

m_pd3dDevice->SetRenderState(D3DRS_ALPHATESTENABLE,1);
m_pd3dDevice->SetRenderState(D3DRS_ALPHAFUNC,D3DCMP_GREATEREQUAL);
m_pd3dDevice->SetRenderState(D3DRS_ALPHAREF,200);

實際渲染要執行兩遍，第一遍繪制表面，第二遍繪制邊緣，這樣就基本達到了我們的目的。還要說明的一點是，因為Geforce FX系列以前的顯卡不是硬件支持VS2.0，所以必須在程序中設置成軟件模擬方式。就是在 d3dapp.cpp 的 Initialize3DEnvironment 中把 behaviorFlags 賦值為D3DCREATE_SOFTWARE_VERTEXPROCESSING即可，這樣才能看到效果。本文附帶的D3D9Cartoon例程是用DirectX 9 SDK開發的，這個開發包在微軟網站上有下載，大概有218MB，地址是http://download.microsoft.com/download/b/6/a/b6ab32f3-39e8-4096-9445-d38e6675de85/dx90bsdk.exe，安裝后再編譯此例程就可以運行了。D3D9Cartoon例程是在 VS.NET2002+WinXP 下面調試通過。

參考文獻：
Cartoon Rendering in DirectX 8.0 Using Vertex Shaders