近年来,随着图形学技术的不断发展,真实感图形绘制已经不能完全满足人们的需要,非真实感图形渲染NPR (Non-Photorealistic Rendering)因其广泛的应用前景,在计算机图形学领域已经变得越来越重要。NPR的研究方向主要分两种,即在2维平面空间内生成诸如画刷等绘图工具,进行绘画,像艺术家使用真正的画笔一样,产生各种不同风格的图像。或者,在3维立体空间内生成具有非真实感效果的场景。如今,随着这一技术的不断成熟发展,在教育、娱乐、艺术等领域,NPR的应用已变得愈加广泛。水墨作为中国传承下来的绘画艺术形式,一直是我国非真实感研究的重点方向,而本文不单单将模拟水墨风格作为研究的终点,而是设计了一种将水墨风格与地形处理技术相结合的方式,扩展了非真实感图形学的应用范围。在本文设计之初,通过大量阅读国内外关于水墨模拟的文献研究,目前的研究主要把目光主要着眼于基于模型演化的水墨风格模拟,通过艺术风格学习,笔道或纸张的分析等手段,创作出水墨的艺术风格。出于对实时性和通用性的考虑,本文选择了与前人截然不同的方式,即避免中国画中皴法的表现,创造出一种近似于写意的水墨艺术效果。大大提高了运算速度,使实时成为可能,本文讨论的情况应用范围很广,可直接应用于游戏场景作为背景使用,或融入影视场景表现中。基于本文的最终目标,本文设计了地形处理部分和地形水墨渲染两个主要模块。在地形处理模块中,主要设计一个合适水墨渲染的地形,选取了中点取代法生成地形高度图,由于该算法适宜生成连绵不断的小山,同时便于进行无限地形的扩展。在地形处理上采用了四叉树LOD方式,相机裁剪的方式,化简地形空间内的三角形数量。在水墨渲染模块中,主要渲染分为轮廓线绘制和内部渲染两个小模块。本文采用了基于自由曲面的轮廓绘制技术,即在视点与地形边界相切的附近区域设定了一个阈值,在合适的范围内,都标记为轮廓点。内部晕染则采用了视点向量与物体法向量的点乘值划分的色阶的方法,在基本色阶的基础上,本文进行了两个方面的改进,通过高斯滤波对原始色阶进行预处理,是色阶过度更为平滑。通过观察艺术作品依据水墨山形的特点,通过插值多项式方式将色阶重新划分并,使生成的效果更加具有水墨式的虚实变化效果,最终达到类似写意的地形渲染效果。本文设计的算法均在GPU上实现,在DirectX10之后的版本中,固定流水线已经被取消,使用可编程硬件高级语言HLSL编写的顶点渲染器(vertex shader)和像素渲染器(pixel shader),充分利用硬件编程方便,灵活的优点,完成文中的纹理,地形处理,提高了程序的执行效率,通过GPU进行图形处理也是未来图形学发展的主流。同时,通过本文的研究,此类技术可类比的推广到诸如水彩或其他风格中,风格化技术的原理是相似的。