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随着虚拟现实技术与真实感渲染技术的日渐成熟,在社会的各个领域已变得不可或缺,尤其给人们的日常生活带来巨大的变化,接踵而来的是日益增加的相关研究需求。沙画表演是21世纪开始兴起的一种新型艺术,伴随着携带美好祝愿的沙画艺术在国内越来越受追棒。但是沙画是一种即兴的、难以复制的艺术创作过程,并且由于沙画设备工具的专业性及携带不方便等原因,使得沙画在民众间的传播受到了限制。在此背景下,本课题通过沙画现场调研,基于虚拟现实技术、计算机图形学中真实感实时渲染技术,高度逼真的模拟沙画创作表演过程,为沙画爱好者提供更方便、节约成本的沙画体验机会,使得沙画艺术更好的传播。本文的主要工作如下: (1)观摩艺术家即兴创作,研究沙画的创作轨迹与堆积区域之间关系。首先针对沙画各绘制手法进行深入研究分析,根据不同绘制手法创作时不同区域沙粒的分布状态,构建沙粒的分布状态与在画布上产生的不同视觉之间关系,进而实现对堆积区域进行约束计算。然后通过获取真实沙画颜色数据,根据画布上亮度值与沙柱高度值之间的数学关系,不同亮度对应的颜色值用于不同沙柱高度区域。以实时完成对艺术家不可预测的创作轨迹产生不同效果堆积区域的约束计算。 (2)针对沙画堆积区域的崩塌现象,结合滤波算法,提出沙画崩塌区域实时渲染方法。基于上述约束计算出的沙画堆积区域,进行细节刻画,即崩塌区域平滑滤波渲染。根据堆积区域产生崩塌现象不同位置的沙粒分布的变化,为提高实时渲染速率,减少GPU的计算,采用分解合并策略,执行基于GPU的并行卷积滤波算法实现堆积区域崩塌现象的平滑处理,以确保模拟沙画创作时每帧都能产生连续、柔软、逼真的崩塌边界。最后进行沙画各绘制手法的崩塌处理效果及渲染实时性验证,本文方法确实提高了渲染的速度和崩塌现象效果模拟在逼真度方面的有效性。 (3)本课题基于Unity3D搭建虚拟沙画模拟系统。采用法线贴图渲染技术及光照渲染构建系统环境,使用Unity3D中C拌脚本实现各手法的驱动控制,并结合Unity Shader进行实时渲染。整合“扬沙”、“勾沙”、“抹沙”、“漏沙”、“拍沙”及“撒沙”六种绘制手法,实现虚拟沙画实时渲染模拟系统。最后邀请多位用户和一名专业老师对本课题实现的虚拟沙画模拟的六种绘制手法进行创作体验,在逼真度、美观性上都基本满足要求。