大家好，我是阿赵，这里再做一个MaxScript的应用例子：通过修改模型法线，来解决卡通角色脸部光影问题。
一、卡通角色脸部问题
制作过卡通角色渲染的人，一般都会遇到脸部光影不对的问题。如上面两张图所示，在灯光旋转到某一个角度时，脸部上总会出现一些奇怪的形状，非常难看，失去了二次元的美感。
出现这个问题的原因是，我们的光照模型，一般是通过法线方向和灯光方向做点乘，然后求出需要出现影子的部分。一般身体之类的大面积的部分，这么算起来的效果还算不错。但由于脸部比较特殊，他的面积不大，但里面的形状变化非常多，导致了如果使用脸部模型的法线直接计算阴影，会导致了某些部位出现我们不想要的过于真实的影子。
很多人都在研究解决这个问题的方法。我自己一般有2种方法可以解决：
1.由于是法线出现的问题，所以可以通过修改脸部法线来规避这个问题
2.类似于游戏《原神》的处理方式，脸部不直接计算法线阴影，而是通过阈值图来控制影子。
这篇文章主要介绍的是第一种，处理法线的方法。
第二种方法其实我在很久之前就已经实现了，包括生成阈值图的工具我也自己写了，等以后有时间再整理一下给大家介绍。
二、分析脸部法线
首先，把这个脸部的模型导入到3DsMax里面，看看脸部法线的分布情况：
可以看出来，脸部的法线非常多，也非常的乱。正式因为脸部模型的复杂度这么高，所以直接点乘出来的结果，有些部位会比较的乱。
那么应该怎样去处理顶点法线才能得到一个比较好的表现呢？
之前看过一些做卡通渲染格斗游戏的大厂，他们是针对镜头去调整顶点法线的。这种做法是和他们的游戏类型有关系的，格斗游戏的角色分别站在屏幕的左右两边，他们对着玩家的角度一般是比较的固定，所以美术人员可以通过镜头参数，去调整灯光的角度，还有模型法线的方向，来达到一个他们认为比较理想的光影效果。
但这种方式首先很难操作，需要调整的模型法线数量也很多，我感觉是很难应用于一般的制作流程的。
我这里有一种比较简单的处理脸部法线的方法。得到的结果不一定非常的真实，但对于二次元风格的模型，效果应该还算比较不错的。
首先，我假设如果脸上面的顶点法线不是像一开始看的脸部法线那样是小范围内变化很多的，而是比较均匀的往外发散的，那么在光线照射的时候，脸部的阴影应该是平滑的过渡的，而不是局部突变的
然后，可以找一些比较平滑的物体，作为拾取法线的样本，让脸部的法线趋向于样本。比如，我们可以用一个球形来作为样本，把球的法线映射到脸部法线上，这样应该能达到我们的目的。
三、通过顶点法线映射修改脸部法线
网上也有介绍这种映射方式的文章，我看还有提供了源码的。不过看评论说那个脚本在运行的时候很容易把3Dsmax搞崩溃，所以我也没有下载来试用。
从理论上分析，那个脚本的做法是把脸部的所有点找到，然后再通过遍历，找到和脸部的某个点最近的球面上的一个点，然后复制这个点的法线到脸部的点上面。
这个做法理论上是可行的，但估计只能用于脸和球的面数都非常低的情况下。如果脸和球的面数高，顶点比较多的情况下，两层循环的计算，假设脸部一千个顶点，球也一千个顶点，这里单纯是求出离哪个顶点最近，就要计算100万次了。做遍历对比的时候，估计直接就卡住或者崩溃了。
为了避免这种情况，我换了一种方式来做。我的方法很简单，通过球的中心点和脸部模型的顶点，反求出一条从球外面到圆心的射线，这条射线会穿过模型的顶点，并和球参数一个交点。
理论上说，只要求出这个交点在球上面的法线方向，就可以赋给顶点了。但实际上好像没有找到方法可以随便在球上面找一个点都能直接求导相交点的法线，如果用射线的交点方向，那个只是反射角度而已，并不是球面的法线方向。如果想精准的求出点属于哪个面，还是要遍历所有顶点。于是我又取巧了，我直接就拿交点和圆心求出一个向量，由于球是圆的，球的圆心到达球上面的每一个点的方向，肯定是该点的法线方向。
这样做了之后，计算就变得非常的快了，就算脸部模型有上几千面，也只是需要算几千次就能得到结果。
不过这样做也是有缺点的，只能用于球形的计算，如果想改成用圆柱体来映射手脚或者身体的法线，这个方法就行不通了，还要另外想办法。
下面来看看MaxScript的代码：
global selectMaskObj
global selectCheckObj
global pickMaskObj
global pickCheckObj
global pickCenterObj
global checkNormalFun
global CheckNormalInitData
fn pickMaskObj =
(
local selObjs = getcurrentSelection()
if selObjs == undefined or selObjs.count == 0 then
(
selectMaskObj = undefined
)
else
(
selectMaskObj = selObjs[1]
)
CheckNormalInitData()
)
fn pickCheckObj =
(
local selObjs = getcurrentSelection()
if selObjs == undefined or selObjs.count == 0 then
(
selectCheckObj = undefined
)
else
(
selectCheckObj = selObjs[1]
)
CheckNormalInitData()
)
fn checkNormalFun =
(
if selectMaskObj == undefined or selectCheckObj == undefined then
(
print selectMaskObj
print selectCheckObj
return 0
)
local vertNum = selectCheckObj.numverts
print vertNum
local center = selectMaskObj.pos
print center
local vRota = selectCheckObj.rotation
local rayNormalList = #()
--local i = 617
for i in 1 to vertNum do
(
local vertPos = polyop.getvert selectCheckObj i
local dir1 = vertPos - center
dir1 = normalize dir1
local outPoint = center + dir1*100
local dir2 = center - outPoint
local tempRay = Ray outPoint dir2
local hitPoint = intersectRay selectMaskObj tempRay
if hitPoint != undefined then
(
local norVal = normalize (hitPoint.pos - center)
norVal = norVal * vRota
rayNormalList[i] = norVal
)
)
select selectCheckObj
local needAddMod = true
if selectCheckObj.modifiers.count == 0 then
(
needAddMod = true
)
else
(
for i in 1 to selectCheckObj.modifiers.count do
(
if selectCheckObj.modifiers[i].name == "Edit Normals" then
(
needAddMod = false
break
)
)
)
if needAddMod == true then
modPanel.addModToSelection (Edit_Normals()) ui:on
local modN = selectCheckObj.Edit_Normals
for i in 1 to vertNum do
(
if rayNormalList[i] != undefined then
(
local tempVertList = #{i}
local normalIdList = #{}
modN.ConvertVertexSelection &tempVertList &normalIdList
for j in normalIdList do
(
modN.SetNormal j rayNormalList[i]
)
)
)
)
rollout CheckNormalWin "Untitled" width:241 height:300
(
label 'lbl1' "select mask" pos:[29,12] width:150 height:31 align:#left
button 'pickMaskBtn' "pick mask" pos:[45,34] width:133 height:29 align:#left
button 'pickObjBtn' "pick obj" pos:[45,100] width:134 height:34 align:#left
button 'createNormalBtn' "change normal" pos:[43,235] width:134 height:34 align:#left
label 'lbl2' "select obj" pos:[27,73] width:150 height:31 align:#left
on pickMaskBtn pressed do
(
pickMaskObj()
)
on pickObjBtn pressed do
(
pickCheckObj()
)
on createNormalBtn pressed do
(
checkNormalFun()
)
)
fn CheckNormalInitData =
(
print selectMaskObj
if selectMaskObj == undefined then
CheckNormalWin.lbl1.text = "pick mask"
else
CheckNormalWin.lbl1.text = selectMaskObj.name
if selectCheckObj == undefined then
CheckNormalWin.lbl2.text = "pick obj"
else
CheckNormalWin.lbl2.text = selectCheckObj.name
)
createDialog CheckNormalWin
CheckNormalInitData()
运行脚本，会打开一个界面，拾取了作为mask的圆球，拾取作为obj的脸部模型，然后点击change normal，就会进行法线映射的计算。
最终计算完的脸部法线会是这个样子的。
接下来把新生成法线的脸部模型，导入到unity引擎，和之前的脸部摆在一起，用同一个shader，在同样的灯光环境下，对比一下效果：
通过对比可以明显的看出，新生成的脸部模型，在光影的表现上，会比没修改之前的脸更平滑，更有二次元的感觉
四、总结
我的这个方法，优点很明显，计算很快，很容易实现。
当然缺点也很明显，因为为了省计算，用了球形中心到边缘的方向作为法线方向，没有真正拾取映射模型的实际法线方向，所以只能用球形来做映射。
但很多时候，我们并不想用圆球来做映射，而是做一个相对比较简单的模型，让法线比较可控的情况下映射到真实模型上面。所以我这个方法也许就不太行了。
不过作为一个抛砖引玉的方法，我感觉还是不错的。要实际获取映射表面的点，其实我感觉也是可以的，可以仍然用射线来找到交点，但在拾取表面法线的时候，通过一定的手段快速检索点所属的平面，然后拾取模型的点的法线，这样实际应用的时候计算会更准确一点。各位可以自己试试。