对山石类3D模型的国画风格渲染

摘要

如何利用计算机模拟中国画效果是计算机艺术领域一个富有挑战性的课题，并且在商业、艺术、娱乐等方面有着广泛的应用前景。目前计算机图形学在非真实感渲染领域对于卡通、油画等绘制手法的模拟已经有了较为成熟的体系，而对于中国国画的仿真模拟，还没有非常高效的算法实现。纵观目前已有的研究成果，对于国画风格的计算机仿真，多数基于模拟流体或粒子运动方式来实现。但是此类解决方案由算法复杂而导致计算量相当大，对于实时性要求较高的场合，其较慢的运算速度有相当大的制约。因此在保持较好的画面效果的同时，如何简化算法从而提高运算速度将是一个极有意义和前景的研究领域。 有鉴于此，本文提出了一种用软件进行实时渲染的新思路，可以较为快速的实现对山石等地形模型进行国画风格渲染。受到传统水墨山水画绘制技法的启发，我们提出了以纹理合成为基础的山水画系统仿真绘制算法。这种算法将整个仿真水墨画绘制过程分为两个部分：描绘边缘线部分以及内部上色部分。在描绘边缘线部分，我们首先对三维模型进行边缘检测，实时地找出三维模型的轮廓线，然后用细而平滑的笔触描绘出边缘线条，再利用笔画连接机制将这些线条连接起来，使之从整体上勾勒出具有国画风格视觉山石模型。在接下来的内部着色部分，勾勒出山石轮廓后,再用纹理合成方式对轮廓内部加以渲染填充。当然我们也可以使用预先绘制好的纹理图片，将其与底色和轮廓线图片进行叠加处理，这样也可以得到比较理想的效果在分析国画绘画艺术效果的基础上，实验结果显示，该算法取得了较为理想的效果。 本文的研究重点及主要成果有： 1．通过对于已知的国画仿真模拟技术的研究和对比，在吸取其中优点的基础上，提出了一种以软件方法实现效果模拟的新思路，这种方法虽然牺牲了部分绘制效果，但换取了更高的执行效率和速度，并且与硬件绘图设备无关，因而具有良好的可移植性。 2．设计了一套新的算法，包括了对三维模型的边界检测和轮廓提取，边缘线条的描绘，国画笔刷的模拟以及光照模型等等方面。该算法具有简单有效，可行性高的特点，能够比较好的模拟中国国画的绘画风格和意境。 3．根据上述算法，编制了针对3D地形模型的渲染程序，实现了对3D山石模型的快速渲染，使之体现了具有国画风格的绘画效果。从实验结果来看，基本实现了对3D模型的实时渲染。这种纯软件的中国画风格模拟方法，其突出优点在于渲染速度快，而渲染的结果较之硬件支持的渲染也比较令人满意，从整体成本和可移植性来说要好于硬件渲染。