卡通渲染技术是非真实感渲染技术的一种,其目的是通过计算机自动生成传统卡通风格的模型与场景的绘制效果。卡通渲染技术用明显的轮廓和不变的颜色来构造一个具有鲜明卡通视觉效果的虚拟世界,与其他渲染效果相比,这种效果更让人感到亲切。卡通渲染技术在动漫、电影里都有大量的应用,此外,国外已经出现了将卡通渲染技术应用到游戏中,生成卡通风格的3D场景,以获得貌似卡通渲染的独特视觉效果的游戏产业发展趋势。而我国在数字娱乐方面的研究与国外相比还比较落后,只有浙江大学等几所高校从事包括卡通渲染在内的非真实感渲染技术研究。出于我个人多年形成的对卡通、动漫、电子游戏的浓厚兴趣,我选择了卡通渲染技术的研究作为毕业课题。我希望能够抛砖引玉,作为一个小小的火种,带动更多的人对我国数字娱乐产业发展的思考、探索和研究。本文首先介绍了卡通的来源和发展历程,接着,概述了卡通渲染技术的起源、研究现状、应用和关键技术,还将卡通渲染与其他非真实感渲染做了直观地比较。之后,本文分章节研究了卡通渲染技术涉及的几项关键技术:轮廓线检测、轮廓线绘制、着色器编程、卡通着色。可编程的图形流水线是在固定功能图形流水线的基础上,在几何处理阶段增加了可编程的变换和光照模块,即顶点着色器;以及在光栅化阶段增加了可编程的纹理、滤波和混合模块,即像素着色器。通过编写自己的顶点着色器和像素着色器程序,就可以完成甚至超越固定功能模块的工作。轮廓线是卡通风格绘制的基础,二三维卡通画在表现模型的时候,通常用轮廓线来勾勒形状,并用粗线来表现模型的重要特征。本文给出了包括卡通渲染在内的非真实感渲染领域中轮廓线的定义及分类,并用数学的语言,梳理了包括物体轮廓线、折痕、暗示轮廓线在内的多种轮廓线的数学描述。在轮廓线数学描述的基础上,综合运用数学知识,把轮廓线的数学描述转换成候选的线形生成算法,实现了针对三维模型的轮廓线实时提取和绘制,并给出实验结果。卡通着色是计算卡通风格的光照并由此决定像素颜色的过程,只不过这种着色有些特殊,效果不同于传统的真实感光照模型。本文从简单光照模型和几种经典明暗处理模型出发,对纯灰色着色、黑白色渐变着色、冷暖色对比等着色方法进行了实验,并直观地给出实验结果,探讨了适合卡通渲染的卡通着色方法。最后,本文对目前的工作进行了总结,并提出了改进的方向以及将来的工作。