近年来,非真实感渲染研究逐渐成熟,作为东方画系代表的中国水墨画仿真研究也取得了令人瞩目的成绩,于是填补水墨画艺术仿真在3D渲染领域的空白、赶上西画艺术仿真研究的步伐成为了对国内相关研究领域的迫切需求。而且,对中国水墨画3D渲染技术的研究,无论在艺术还是科学方面,都有着深远的意义及广泛的应用前景。以传统3D渲染流水线为理论基础,通过借鉴典型3D非真实感渲染模式,本文提出了一套新颖的、从水墨画本质着眼的、具有极大灵活性和可扩展性的3D水墨渲染模型。该模型主要由四个部分组成:特征信息提取、多层渲染模型、扩散模块和颜色模型。借鉴3D非真实感渲染领域以轮廓线为中心的渲染方式和相关算法的研究,本文归纳了进行3D水墨渲染前需要从场景模型提取的特征信息并提出了提取方法,它们包括轮廓线、纹理线条、组件中心线和国画色信息,特征信息提供了渲染中所需的所有有用的模型数据。多层渲染模型是本文的研究重点。通过观察和总结大多数水墨画构图技法中的关键特征,本文提出了渲染模型的核心机制:基于组件的渲染和多层渲染机制。这两个机制可以简要的概括为:物体模型分成组件,每个组件采用多个渲染器分别进行渲染,最后合成。本文提出了轮廓渲染器、染色渲染器等来模拟水墨画创作中的各种构图技法。基于笔道的渲染器使用虚拟毛笔来完成绘制,虚拟毛笔则由笔模型和笔法模型组成,笔模型在笔法模型的控制下进行笔道的绘制。为了仿真水墨画中独特的扩散现象,本文采用了基于物理的纸模型和扩散仿真模型,对渲染的中间结果进行模拟扩散。为了仿真设色水墨效果,本文的渲染和扩散都是以粒子(包含墨粒子、颜料粒子和水粒子)作为中间结果的,颜色模型则基于KM颜色理论来将中间结果转化为最终显示。实验结果表明,本文提出的3D水墨渲染模型成功地实现了水墨画效果的3D渲染,并很好地在渲染效果中体现出国画所特有的笔法、墨法、用色和特殊的构图技法,而且达到了灵活的可配置渲染的目标。