GPU Gems 2 · Chapter 15. Blueprint Rendering and Sketchy Drawings

用 G-buffer、image-space edge enhancement 和 depth sprite 构建 blueprint；再用 depth peeling、几何锚定的 uncertainty 与纹理扰动生成稳定的 sketchy rendering。

学习目标

能说明 blueprint 和 sketchy rendering 为什么都从中间渲染结果开始，而不是只靠最终 fragment color
能从 normal/z buffer 的邻域不连续性提取 silhouette、border 和 crease edges
能描述 depth peeling 如何得到多层 geometry，以及 depth sprite 如何恢复 image-based geometry 的深度测试
能组合 visible/occluded edge maps 生成 blueprint，并用 depth masking 和 occlusion query 控制 pass 数
能用几何属性驱动两套 edge/shade texture 的不同 uncertainty，降低 shower-door effect

非真实感渲染的难点不只是“画一条更粗的线”，而是让结果保留对象之间的空间关系。提供了这条桥：先把几何投影到纹理，再在屏幕对齐 quad 上做边缘增强、深度合成和风格化。

先保存可以复用的中间渲染结果：normal 和 z 的不连续性提供 silhouette、border、crease 等边缘。

1. G-buffer 与 image-space edge enhancement

先把 encoded normal 和高精度 z 写入两个 texture。对每个屏幕 fragment，采样上下左右或更大邻域的 texels，累积 normal discontinuity 和 z discontinuity，得到 edge intensity。因此能同时发现 silhouette、border 和 crease；它不依赖最终材质颜色，也可以对单个对象独立计算。

这种设计的收益是中间结果只生成一次，后续 blueprint 与 sketchy 两条路径都能复用。采样半径、法线差阈值和深度差阈值则决定边缘的敏感度；高精度 buffer 能减少远处或斜面上的误判。

2. depth sprite：给屏幕图片恢复 z

屏幕对齐 quad 自己的 rasterizer z 并不代表它所携带的 3D 图像深度。在 fragment shader 中读取纹理 z，替换 quad 的 fragment depth；当 z 等于 far plane 的 1 时直接 discard，否则让普通 depth test 决定它能否进入 framebuffer。

普通 depth test 只得到最小 z；depth peeling 让后续 pass 找到第二层、第三层等被遮挡结构。

这样，edge map、shade map 或 color layer map 就能像真正的几何一样和场景按深度合并。对于 blueprint，depth sprite 是把 image-space 的隐藏线重新放回正确空间关系的关键。

3. blueprint：把可见和隐藏边缘都交给用户

blueprint 需要可见边缘，也需要被遮挡但对理解结构有价值的边缘。先抽取 layer 1，再以上一层深度为约束抽取 layer 2、layer 3，直到没有 fragment 或达到最大 depth complexity。

每一层的 edge map 与 depth map 通过 depth sprite compose：fragment shader 读取 edge intensity，生成蓝色系 RGB 和由 intensity 控制的 alpha，再用 blending 叠加。可以先保存指定组件的 depth mask，每次 peel 后用 occlusion query 统计已露出的片段；达到目标比例就停止，避免为了很少的深层像素付出完整 pass。

每层 edge map 先以 depth sprite 恢复正确 z，再以 edge intensity 控制蓝图颜色与透明度。

4. sketchy：从 edge 到不稳定但可控的笔触

sketchy drawing 同时需要 edge map 与 surface color 的 shade map。对屏幕坐标 (s, t) 采样 noise，再用 2×2 matrix 得到不确定偏移，把坐标扰动到 (s′, t′)；edge 与 shade 使用不同 matrix，才能让轮廓和色块产生互相错开的手绘感。内区与外区的采样穿过原几何边界，因而可以得到略微溢出的 crayon-like patches。

若只从屏幕坐标计算，物体一动笔触就会游移。更稳定的路径是把 object-space position、normal 等写入额外 G-buffer，再用几何值参数化 noise；也可以沿 vertex normal 稍微扩大 connected component，让边界外近邻区域也有可用属性。

edge 与 shade 使用不同的扰动函数；加入 object-space 几何属性后，笔触不再只在屏幕上漂移。

最后把 perturb 后的 edge intensity 与 shade color 相乘，并借助 depth sprite 和普通深度测试与其他 3D 内容合成。如此既保留了风格，也不丢掉前后遮挡关系。

5. 动手实验：质量、层数与稳定度

下面的实验把 depth layers、终止阈值、uncertainty 和 object-space 锚定暴露出来。提高 layers 会露出更多隐藏结构，但增加 pass；提高 uncertainty 会增强手绘感，也会降低轮廓稳定度；关闭几何锚定则能直观看到 shower-door effect 的风险。

Blueprint / sketchy rendering 实验

观察 peeling 层数、遮挡阈值与 geometry-aware uncertainty 如何改变覆盖率、成本和稳定度。

depth layers：3终止阈值：24%uncertainty：42%使用 object-space 几何锚定

扰动使用位置/法线，减少 shower-door effect。 layers 越多，隐藏结构越完整但 pass 成本越高。

小结

normal/z G-buffer 是 blueprint 和 sketchy 复用的 intermediate rendering result。
邻域 discontinuity 生成 edge map，能找出 silhouette、border 和 crease，而不被材质颜色绑死。
depth peeling 抽取隐藏的唯一深度层，depth sprite 让 texture image 重新参加逐像素 depth test。
blueprint 通过 depth-sorted edge layers、alpha blending 与 depth masking 表达可见和不可见结构。
sketchy 的 edge/shade 扰动要用几何属性约束 uncertainty，才能减少 shower-door effect。

练习

问题 1｜中间结果　为什么 blueprint 的 edge map 应该从 normal/z buffer 生成，而不是直接检测最终颜色？

问题 2｜隐藏线　普通 depth test 为什么不能提取 blueprint 的第二层边缘？depth sprite 在这里解决了什么？

问题 3｜风格稳定性　如何让 sketchy drawing 有手绘不确定性，却不随相机产生 shower-door effect？

名词解释

本章出现的专业名词，用大白话再讲一遍。

intermediate rendering result: 写入纹理、供后续 image-space pass 复用的几何中间结果。
edge map: 由 normal/z buffer 邻域不连续性得到的边缘强度纹理。
depth sprite: 把 depth texture 作为屏幕 quad 逐像素 z 并重新参与 depth test 的渲染方式。
depth peeling: 按深度逐层剥离、保存每一层 depth/color map 的多遍过程。
depth masking: 按目标组件达到的可见片段比例动态终止 peeling 的优化。
uncertainty: 由噪声或几何属性驱动的纹理坐标扰动量，控制 sketchy 笔触。