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Fringe Lights：在 Glimpse 中实现彩色半影边缘（Colored Penumbra）

12.03.2024 • ADUCG RESEARCH

原文：https://animallogic.com/technology/publications/fringe-lights/
PDF：https://animallogic.com/wp-content/uploads/2024/12/Fringe-Lights_-Colored-Penumbra-in-Glimpse.pdf
DOI：https://doi.org/10.1145/3681758.3697998

Figure 1

图 1：Netflix《Leo》中的一帧，使用 Glimpse 的 Fringe Lights 生成彩色半影边缘。在光源采样时最多额外追踪一条阴影射线，即可为半影区域着色，而不会影响场景中其余的照明。© 2023 Netflix US, LLC. All Rights Reserved.

摘要（Abstract）

风格化渲染（stylized rendering）近年来的流行，使得我们需要新的方法帮助艺术家快速实现目标画风。尽管部分效果可以在合成（compositing）阶段添加到渲染帧上，但这往往意味着需要在制作流程末端进行大量人工处理，并且让前序环节无法直观看到最终成片的影响。

本文介绍了我们在制作级路径追踪器 Glimpse 中实现 Fringe Lights（用于 Netflix《Leo》）。Fringe Lights 允许灯光艺术家轻松修改半影（penumbra）的外观，同时保持完全受光（unoccluded）与完全阴影（fully shadowed）区域不变。通过在光源采样阶段最多额外追踪一条阴影射线，即可估计两者之间的柔和过渡区域，并以极小的计算开销实现独立的半影照明/着色。我们扩展了光源采样与求值流程，使其能够区分三种着色区域并相应调整光照贡献。该方法为艺术家提供了可直观调控半影风格的自由度，并能在制作流程每个阶段提供直接的视觉反馈。

CCS Concepts

  • Computing methodologies → Non-photorealistic rendering; Ray tracing.

关键词（Keywords）

非真实感渲染（Non-photorealistic rendering），阴影风格化（shadow stylization），光线追踪（ray tracing）

引用信息（ACM Reference Format）

Emanuel Schrade, Basile Fraboni, and Thibault Vergne. 2024. Fringe Lights: Colored Penumbra in Glimpse. In SIGGRAPH Asia 2024 Technical Communications (SA Technical Communications ’24), December 03–06, 2024, Tokyo, Japan. ACM, New York, NY, USA, 4 pages. https://doi.org/10.1145/3681758.3697998

控制半影的视觉外观能够帮助艺术家影响 CG 图像的照明风格，并通过额外的视觉线索增强观众对虚拟环境的沉浸感。在现实世界中，阴影外观会受到多种因素影响，例如：附近表面的间接反射光、色散/体散射（chromatic volumetric scattering），以及包括次表面散射（subsurface scattering）在内的体积/材质效应。

此外，人类视觉系统会在空间与时间维度上对注视点附近的颜色产生适应——观察者会对附近区域以及之前看到的颜色进行“自适应”。该现象被称为（局部/时间）色度适应（chromatic adaptation）或颜色恒常性（color constancy）[Foster 2011]。在我们的语境下，即使阴影边缘本身是无彩色的，观众也可能在感知上“看到”边缘被周围颜色染色。

在非真实感（NPR）语境下，艺术家往往希望夸张这种效果，以传达特定的氛围。因此出现了多种工作流，用于实现常见的“彩色阴影边缘（colored shadow fringes）”效果：

  • 合成阶段用阴影遮罩着色：最直接，但会让制作流程早期环节无法预览最终影响，也常带来额外的手工工作量。
  • Blender 插件的接收面材质法：通过计算着色点到遮挡物的距离来调整颜色，利用“半影尺寸与遮挡物距离相关”的经验相关性。但该方法因为绑定在接收材质上：难以限定到某一盏灯、难以在不同灯之间独立控制；且一旦光源大小/位置变化导致半影宽度变化，所有接收材质参数都需要更新，在制作中不现实。
  • 额外添加“只照半影”的补光 [Brejon 2020, Chapter 7]：主光负责整体照明；次级、较弱且带颜色的光专门照射主光遮挡区域。对于面光（area light），次级光可以是主光的放大版本，用以覆盖主光半影的一部分。缺点是：次级光在其影响范围内也会照亮非半影区域，导致效果幅度受限；并且多盏有色光之间的相互作用往往不直观 [Hasenfratz et al. 2003]，艺术家难以稳定控制。
  • 早期“双色 light map”尝试（见图 2）：把光源贴图分成两块颜色区域，动机是“半影区域只看到光源的一部分”，因此把那部分染色即可染色半影。该方法将“主光+次级光”合并到单一光源中：light map 的内圈代表一个“更小”的光源（更小半影），外圈代表照亮阴影区域的有色光。为了避免场景整体照明发生偏色，完全可见时的光贡献需要保持中性，导致 fringe 颜色与强度选择受限（light map 必须积分为白色）。这种归一化会引入不希望出现的互补色染色伪影（例如选黄色 fringe 时出现蓝/紫伪影，见图 2）。
Figure 2

图 2：传统 light map（左）用于添加蓝色阴影边缘时，会因为归一化在画面中引入黄色（互补色）伪影（中）。我们的 Fringe Lights 不会产生该伪影（右）。

上述 light map 方法启发了我们将 shadow fringes 集成到 Glimpse 中的实现：不仅避免了颜色伪影（图 2 右），还能把彩色半影输出到独立 light group 以便合成阶段进一步调整。与我们相似的两种做法分别出现在 Pixar《Luca》的相关博客 [Pedersen and Sisson 2023] 与 Max Liani 的演示中，但两者均未公开技术细节。

2 Glimpse 中的 Fringe Lights（Fringe lights in Glimpse）

本节介绍我们与 USD 管线兼容的 Fringe Lights，并给出一种用于采样该类光源的随机（stochastic）算法。我们的实现受到“把一盏灯拆成两盏灯”这一思想启发：定义一个外层（outer）光源控制彩色 fringe 区域的覆盖范围，以及一个内层（inner）光源用于判定“非彩色阴影”的边界。

2.1 Fringe 区域与缩放系数 m

Fringe 区域通过可配置缩放系数 $m$ 控制，用于定义外层光相对内层光的参数尺度：

  • 对于面光（area light），缩放系数作用于半径： $$r_o = r_i \cdot m$$
  • 对于平行光（distant light）与聚光灯（spot light），缩放系数作用于发射角： $$\theta_o = \theta_i \cdot m$$

调节 $m$ 会改变（无彩）半影区域与（彩色）fringe 区域的重叠关系：

  • $m = 1$：fringe 覆盖范围与半影相同。
  • $m > 1$：fringe 影响范围大于半影，彩色边缘会进一步“侵入”到核心阴影（core shadow）内部。
  • $m < 1$：fringe 影响范围小于半影。但由于 fringe 范围更小，整体亮度梯度可能看起来不真实（见图 5）。

我们不强制限制 $m \ge 1$，但在制作中 $m \ge 1$ 通常更有用。

2.2 采样 Fringe Lights：最多两条阴影射线

图 3 展示了我们对 fringe 面光的随机采样流程，并在算法 1 中总结。核心思想是把光源拆成橙色（outer）与青色（inner）两部分；对于每次采样：

  1. 先像普通面光一样在 outer 光上采样一个随机位置 $s_o$，从着色点 $x$ 向 $s_o$ 追踪第一条阴影射线。
  2. 如果 $s_o$ 被遮挡（情况 a），则认为点 $x$ 完全处于阴影中，直接返回 0（无需第二条射线）。
  3. 若 $s_o$ 可见，则再在 inner 光上采样 $s_i$ 并追踪第二条阴影射线：
    • 若 $s_i$ 被遮挡（情况 b），则认为 $x$ 处于“部分可见”的半影/过渡区，返回 fringe 颜色贡献。
    • 若 $s_i$ 也可见（情况 c），则认为 $x$ 完全受光，返回 常规光颜色贡献。

备注（可选变体）：情况 (c) 也可以被当作“阴影”，即把常规光颜色设为 0，这样即可得到 fringe-only light：只照亮 fringe 区域而不照亮完全受光区域。我们也可以（如果需要）改变核心阴影区域颜色，但那与本文方法正交；本文只影响半影区域。

Figure 3

图 3：采样 Fringe Lights 时最多追踪两条阴影射线：outer 样本被遮挡（a）则直接返回 0；outer 可见则采样 inner 并追踪第二条射线，inner 被遮挡（b）返回 fringe 颜色；两者都可见（c）返回常规光颜色，或在 fringe-only 模式下返回 0。

Algorithm 1: Fringe area light sampling（Fringe 面光采样）
s_o ← sampleRandomPos(r_o)
if visible(x, s_o) then
  s_i ← sampleRandomPos(r_i)
  if not visible(x, s_i) then
    return evalFringe(x, s_o)
  else
    return evalLight(x, s_o)
return zero

2.3 方向光与聚光灯：采样方向而非位置

平行光与聚光灯的 fringe 采样与面光类似，但需要相对于发射角采样方向而非位置，见算法 2。

Algorithm 2: Fringe directional light sampling（Fringe 方向光采样）
ω_o ← sampleRandomDir(θ_o)
if visible(x, ω_o) then
  ω_i ← sampleRandomDir(θ_i)
  if not visible(x, ω_i) then
    return evalFringe(x, ω_o)
  else
    return evalLight(x, ω_o)
return zero

2.4 USD 集成与工作流（Integration of fringe lights）

Fringe Lights 可以通过自定义 light API schema 的少量参数轻松集成到 USD 管线中。

支持“同时包含 fringe 与常规光颜色”的通用 fringe light，需要 4 个附加参数：

  • 是否启用 fringe 的布尔开关
  • 缩放系数 $m$（控制 fringe 大小）
  • fringe 颜色
  • fringe 强度

如果只需要 fringe-only（用于把 fully-lit 与 fringe 输出到不同 light group / AOV 以便后期调节），则只需 2 个附加参数：

  • 把灯转为 fringe light 的布尔开关
  • 缩放系数 $m$

这样我们就可以复用同一盏灯已定义的颜色与强度来作为 fringe 的颜色与强度来源（避免额外冗余参数）。

Figure 4

图 4：Fringe Lights 在渲染器里与普通光源一致，但只照亮“部分阴影”的区域；同样支持 light linking / shadow linking。图中：一盏面光照亮全场景，另外两盏 fringe light（同尺寸与强度，$m=1$）通过 shadow linking 分别为两侧 logo 产生蓝色与橙色 fringe。

2.5 局限性（Limitations）

目前实现的局限包括：

  • 暂不支持在穹顶/环境光（dome/environment light）上生成彩色 fringe，因为不易为该类光源定义“缩放”的合理方式。
  • 在 Netflix《Leo》的制作中，我们大量使用 fringe-only lights，这意味着灯光 rig 中需要两盏灯：一盏主光（关闭 fringe）+ 一盏 fringe-only light（只出 fringe），从而带来小幅的渲染开销。
  • 一种替代方案是让 fringe light 自动把 fringe 与常规光分离到两个不同 AOV 中，但这需要改变工作流（从 light groups 转向 AOV 配置）并要求渲染器支持额外输出通道配置。

3 结果与讨论（Results and Discussion）

把 Fringe Lights 集成到渲染器后，灯光艺术家可以在预览/最终渲染中直接获得反馈，从而塑造风格化半影的外观。由于 Fringe Lights 在渲染器内与普通光源一致，它们可以与其他光照一起渲染，不需要额外的单独渲染 pass。并且通过把贡献写入独立 light group（或 AOV），可以在合成中进一步处理。艺术家可以对几何体做 light/shadow linking 来限定 fringe 影响对象，并为每一盏 fringe 定义颜色，使 fully-lit 区域与 core shadow 保持不变（见图 4）。缩放系数 $m$ 可用于调节彩色 fringe 的大小（见图 5）。

Table 1：每采样开销评估（Markdown 表）

表 1 评估了 fringe lights 在制作场景（图 1）与简单场景（图 5(c)）中的“每样本”时间开销。作为参照，给出了未使用 fringe 的渲染时间（左列），并对比：

  • 合并 fringe light：把一盏普通灯直接改为 fringe light（中列）
  • 主光 + fringe-only 两盏灯：同时存在普通主光与 fringe-only lights（右列）
场景无 Fringe（No fringe）合并 Fringe Light（No primary）主光 + Fringe-only（All lights）
Figure 1（制作场景）2705.1 ms2940.2 ms（+8.7%）2943.2 ms（+8.8%）
Figure 5(c)（简单场景）117.4 ms118.9 ms（+1.3%）130.9 ms（+11.5%）

从表 1 可见：在简单场景中，把普通灯改为 fringe light 仅增加约 1.3% 开销；而额外添加 fringe-only light 会让渲染时间增加 11.5%（灯数量翻倍且阴影射线数量近似增至三倍，而材质求值与主射线相交成本很低）。在制作场景中，由于几何复杂，额外阴影射线更昂贵，因此把太阳光替换为 fringe light 会增加约 8.7% 开销；但同时使用“主光 + fringe-only”带来的额外开销在该案例中几乎可忽略。

Figure 5

图 5：缩放系数 $m$ 用于调节 fringe 的范围。inner 光源的可见性用于切换 fringe 光贡献，因此 fringe 始终受 inner 光源阴影边界的限制。(a)-(c) 为 fringe light 与同位置、同亮度的常规光叠加效果；(d) 显示隔离后的 fringe-only 结果。注意：当 $m<1$ 时 fringe 只覆盖半影的一部分，亮度梯度可能不真实。

4 结论（Conclusion）

我们提出了一种新的随机算法，用于在制作级渲染器 Glimpse 中集成彩色阴影 fringe。将该算法集成到光源采样与求值环节后，艺术家可以在不影响场景其余照明的前提下，便捷地改变半影的外观。与基于着色器或合成的方案相比，我们的方法更鲁棒，且不需要额外的手工处理；灯光艺术家只需为光源定义所需的半影风格即可。我们展示了该技术在制作中的工作流、可调参数以及可实现的视觉效果，并在近期项目中验证了其实用性。

致谢（Acknowledgments）

Figure 6

图 6：在 Netflix《Leo》中，彩色 Fringe Lights 被用于大多数日景镜头，包括室外（上）与室内（下）。© 2023 Netflix US, LLC. All Rights Reserved.

我们感谢 Zane Smedley 对制作资源的帮助，以及 Steve Agland 与 Rodrigo Janz 对制作素材的支持。我们也感谢 Animal Logic 的同事们审阅本文早期版本并在项目期间给予支持。

参考文献（References）

本文采用 Creative Commons BY-NC-ND 4.0 协议进行授权。

BY-NC-ND: 署名-非商业性使用-禁止演绎

LICENSE
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