[發明專利]一種基于三維元胞自動機的風化現象模擬方法

有效

• 申請號: 201910575773.5
• 申請日: 2019-06-28
• 公開（公告）號: CN110298909B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 朱青;沈揚;齊娜;李蔚然
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G06T15/00
• 分類號: G06T15/00;G06T15/04;G06T15/60;G06F30/23
• 代理公司: 北京市中聞律師事務所 11388
• 代理人: 馮夢洪

1.一種基于三維元胞自動機的風化現象模擬方法，其特征在于：該方法的整體框架包括：體素化器、基于三維元胞自動機模型的風化計算器和著色器；輸入數據為三角形網格及環境參數，輸出為具有風化效果的三角形網格模型；該方法包括以下步驟：

(1)將輸入的三角形網格模型體素化，建立體素與網格模型的對應關系；三角形網格信息被用作表面體素化的數據源，將網格模型轉化為體素表達形式，其中，每個體素單元存儲與生物生長計算相關的信息；

(2)基于元胞自動機模型，根據生物風化過程中生物的生長擴散規律，在每次迭代中計算體素網格中每個體素存儲的生物生長進度，稱為風化進度；為真實地表現自然條件下的風化效果，引入光照方向、溫度和濕度的環境影響參數，通過相應的環境影響函數改變風化步長，從而影響風化狀態的變化速度；

(3)將體素單元存儲的風化進度信息傳遞給三角形網格頂點后，通過游戲引擎提供的著色器實現網格信息和相應紋理貼圖的逐頂點映射，經視覺效果優化后渲染出風化后的網格模型；

其中，步驟(2)-(3)為迭代步驟，每次迭代將重復該步驟，完成一次風化擴散的計算和渲染；迭代次數用以模擬石材風化過程中經歷的時長；

所述步驟(1)中，體素單元v_i的數據結構包括：定義當前體素單元在世界空間下的位置為P_i，當前體素單元是否需要填充的狀態定義為f_i，其默認狀態為0，若當前體素單元包含三角形網格頂點，則與網格有交集，設為1；N_i表示體素單元對應于網格的法線信息，將在風化計算參與環境影響因子的計算；g_i為當前體素單元位置的風化進度，是描述風化狀態的重要參數；

所述步驟(2)包括以下步驟：

(2.1)初始化：風化進度在初始化過程中使用到種子的生成，生成一個隨機數r∈(0，100)，并定義隨機閾值r_p，則體素單元苔蘚及微生物的初始生長進度g_i⁽⁰⁾根據公式(1)求得：

(2.2)風化擴散：定義一個時間步長為一次迭代，在每次生長迭代中，遵照26-鄰域體素網格的規則擴散，轉換規則公式S(x，y，z)定義為：

其中K為處理核的大小，由于此處使用26鄰域，K＝3，g(x，y，z)為g_i的索引表示形式，

令g_p為生長起始閾值，g_max為生長飽和狀態，風化步長Δg為每次迭代時風化進度的增加量，則風化擴散計算方法為：

遍歷每一個體素單元v_i：

(2.2.1)若當前體素處于未生長狀態，g_i^(j)＝0：

(2.2.1.1)根據上文定義的轉換規則公式獲取當前坐標下的S(id_x，id_y，id_z)值；

(2.2.1.2)若S(x，y，z)≥g_p，g_i^(j+1)＝g_i^(j)+Δg；

(2.2.2)否則：

(2.2.2.1)若當前體素處于生長中狀態，0＜g_i＜g_max，

g_i^(j+1)＝g_i^(j)+Δg；

(2.2.3)否則，計算結束；

(2.3)確定環境影響因素：定義光照因子為F_L，大氣濕度因子和表面濕度因子分別為F_Ha和F_Hup，溫度因子為F_T，則生長步長Δg根據公式(3)求得：

Δg＝Δg₀F_LF_HaF_T+F_Hup???(3)

其中，Δg₀為基礎風化步長，是一個非0常數；

所述步驟(2.3)的光照因子通過公式(4)獲得：

其中，N為當前體素單元的法線方向，D_l為光照方向向量變量；

所述步驟(2.3)的大氣濕度因子F_Ha通過公式(5)獲得：

k₁，k₂為系數，當k₁＝80，k₂＝200時，所得曲線最接近目標曲線，最能反映濕度與生長速度的關系；

所述步驟(2.3)的表面濕度因子F_Hup通過公式(6)獲得：

F_Hup＝|V_up·N|???(6)

其中，N為當前體素單元歸一化的法線，V_up為豎直單位向量；

所述步驟(2.3)的溫度影響因子F_T通過公式(7)獲得：

其中，當系數k₃＝0.25，k₄＝25時，近似效果最佳。