РЕГУЛЯРНЫЕ И СТОХАСТИЧЕСКИЕ ПАТТЕРНЫ В POST-PROCESS HALFTONE SHADING ТРЁХМЕРНЫХ СЦЕН: ОБЗОР И ПРАКТИЧЕСКОЕ СРАВНЕНИЕ

REGULAR AND STOCHASTIC PATTERNS IN POST-PROCESS HALFTONE SHADING OF 3D SCENES: REVIEW AND PRACTICAL COMPARISON

Mishkin Vsevolod Igorevich

Student, Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education "ITMO University", Russia, St. Petersburg

Аннотация. В статье рассматривается полутоновое затенение трёхмерных сцен в режиме постобработки. Сравниваются регулярные и стохастические паттерны: точечная сетка, линейная штриховка, белый шум, R2-последовательность с малым расхождением и синий шум. Оценка проводится по читаемости формы и характеру визуальных артефактов: муару, зернистости, случайным скоплениям и повторению маски. Показано, что регулярные паттерны лучше передают печатную эстетику, а стохастические уменьшают периодические артефакты. Наиболее сбалансированный результат в статичном кадре показал синий шум.

Abstract. The paper considers post-processing halftone shading for 3D scenes. Regular and stochastic patterns are compared: dot grids, line hatching, white noise, the R2 low-discrepancy sequence, and blue noise. The evaluation is based on shape readability and visual artifacts, including moiré, graininess, random clustering, and mask repetition. The results show that regular patterns better reproduce a printed aesthetic, while stochastic patterns reduce periodic artifacts. Blue noise provides the most balanced result in a static frame.

Ключевые слова: компьютерная графика, нефотореалистичный рендеринг, полутоновое затенение, постобработка, точечная сетка, белый шум, синий шум, последовательность с малым расхождением.

Keywords: computer graphics, non-photorealistic rendering, halftone shading, post-processing, dot grid, white noise, blue noise, low-discrepancy sequence.

Введение

В компьютерной графике методы нефотореалистичного рендеринга используются для стилизации изображения под комикс, печатную графику, техническую иллюстрацию или рисованную анимацию. В отличие от фотореалистичного рендеринга, они делают акцент не на физической точности, а на выразительной передаче формы, материала и деталей сцены [5].

Одним из таких методов является полутоновое затенение, при котором плавное затенение заменяется дискретным паттерном: точками, линиями, ячейками или пороговыми масками. В рендеринге в реальном времени этот подход может использоваться как простой примитив стилизованного затенения [1].

Выбор паттерна является основной проблемой полутонового затенения в режиме постобработки. Регулярные структуры дают узнаваемый печатный эффект, но могут вызывать муар, лестничный эффект и скольжение паттерна при движении камеры. Стохастические паттерны уменьшают периодичность, однако усиливают зернистость и могут снижать временную стабильность. Маски синего шума позволяют уменьшить заметность низкочастотных артефактов за счёт переноса ошибки в высокочастотную область [2].

Цель работы — реализовать несколько вариантов полутонового затенения в режиме постобработки и сравнить их по читаемости формы и характеру визуальных артефактов.

Рассматриваемые паттерны

В работе используется единая схема построения полутонового затенения. Для каждого пикселя цветового буфера вычисляется яркость

,                                                 (1)

где  — нормированные значения цветовых каналов, а   — яркость пикселя. Коэффициенты соответствуют стандарту Rec. 601 [4]. Далее полученная по формуле (1) яркость сравнивается с пороговым значением  , зависящим от экранных координат пикселя. Если , пиксель затемняется, иначе сохраняется исходный цвет. Все рассматриваемые методы отличаются способом формирования пороговой функции .

К регулярным паттернам относятся точечная сетка и линейная штриховка. Для точечной сетки  строится по ячейкам экрана, внутри которых формируются точки разного радиуса. В тёмных областях точки крупнее, в светлых — меньше. Метод даёт узнаваемый печатный эффект, но может вызывать муар, лестничный эффект и скольжение сетки.

В линейной штриховке  задаёт набор параллельных линий, толщина которых зависит от яркости: тёмные участки получают более плотную штриховку, светлые — более разреженную. Метод даёт выразительный графический эффект, но чувствителен к разрешению, масштабу изображения и направлению линий.

К стохастическим паттернам относятся белый шум, R2-последовательность с малым расхождением и синий шум. Для белого шума  задаётся псевдослучайным порогом для каждого пикселя. Это убирает регулярную сетку и снижает риск муара, но создаёт заметную зернистость и случайные скопления.

Для R2-последовательности  формируется как более равномерный псевдослучайный порог, чем при белом шуме, без использования текстурной маски. Такой вариант уменьшает случайные скопления точек.

Для синего шума  берётся из заранее подготовленной пороговой маски. По сравнению с белым шумом он даёт более равномерную стохастическую структуру и меньше заметных низкочастотных пятен. Основные ограничения связаны с размером маски, повторением текстуры и тем, что обычная двумерная маска синего шума не решает проблему временной стабильности при движении камеры.

Основные особенности каждого паттерна сведены в таблицу 1.

Таблица 1.

Краткая характеристика рассматриваемых паттернов

Методика сравнения

Во всех режимах сохранялись одинаковые условия сравнения: сцена, положение камеры, освещение и параметры постобработки.

Сравнение выполнялось по читаемости формы и характеру визуальных артефактов. Читаемость формы показывает, насколько хорошо паттерн сохраняет объём, силуэт и мелкие детали объекта. К визуальным артефактам относятся муар, лестничный эффект, зернистость, случайные скопления и повторение маски. Визуальное сравнение представлено на рисунке 1.

Рисунок 1. Сравнение режимов полутонового затенения. В первом ряду слева направо: исходный рендер, точечная сетка, линейная штриховка. Во втором ряду: белый шум, R2-последовательность с малым расхождением, синий шум

Регулярная точечная сетка создаёт наиболее узнаваемый печатный эффект, однако её структура заметна по всему изображению и может скрывать мелкие детали сцены. Линейный паттерн формирует выразительную штриховку, но сильнее влияет на восприятие формы объекта.

Белый шум устраняет регулярную сетку, однако создаёт заметную зернистость. В сравнении с ним паттерн R2 обеспечивает более равномерное распределение точек и выглядит чище.

Синий шум демонстрирует наиболее сбалансированный результат среди стохастических методов: он не создаёт выраженной сетки и сохраняет детали лучше, чем белый шум.

В целом регулярные паттерны лучше передают печатную эстетику, тогда как стохастические уменьшают периодичность и визуальные артефакты. Среди рассмотренных стохастических вариантов наиболее качественный результат показал синий шум.

Таблица 2.

Сравнение визуальных свойств реализованных паттернов

Заключение

Проведённое сравнение показывает, что выбор паттерна полутонового затенения зависит от требуемого визуального эффекта. Регулярные паттерны лучше передают классическую печатную эстетику, но чувствительны к муару, лестничному эффекту и движению камеры. Белый шум снижает периодичность изображения, однако создаёт заметную зернистость. R2 может использоваться как вычислительно простой компромисс между регулярной структурой и случайным шумом. Маска синего шума обеспечивает более равномерное распределение ошибки и лучшее качество статичного кадра, но при малом размере может давать повторение текстуры.