[發(fā)明專利]一種基于三維元胞自動機的風化現(xiàn)象模擬方法

有效

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• 申請日: 2019-06-28
• 公開（公告）號: CN110298909B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發(fā)明（設計）人: 朱青;沈揚;齊娜;李蔚然
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)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

一種基于三維元胞自動機的風化現(xiàn)象模擬方法，其簡化了風化計算方法，在效率上得到顯著提升，適用于實時性要求高的情況。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(shù)據(jù)為三角形網(wǎng)格及環(huán)境參數(shù)，輸出為具有風化效果的三角形網(wǎng)格模型；該方法包括：(1)將輸入的三角形網(wǎng)格模型體素化；(2)基于元胞自動機模型，根據(jù)生物風化過程中生物的生長擴散規(guī)律和環(huán)境影響參數(shù)，模擬自然界環(huán)境因素對生物生長的影響規(guī)律；(3)將體素單元存儲的風化進度信息傳遞給三角形網(wǎng)格頂點后，通過游戲引擎提供的著色器實現(xiàn)網(wǎng)格信息和相應紋理貼圖的逐頂點映射，經(jīng)視覺效果優(yōu)化后渲染出風化后的網(wǎng)格模型。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及計算機圖形學模擬的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于三維元胞自動機的風化現(xiàn)象模擬方法。

背景技術(shù)

石材的風化是一種常見的自然現(xiàn)象，生物風化是其中的一種類型，表現(xiàn)為苔蘚及微生物將輕易的在石體表面生長繁殖，造成石材變質(zhì)，改變石材的外觀。該現(xiàn)象在計算機圖形領(lǐng)域的實現(xiàn)作為一種自然現(xiàn)象的模擬，在游戲、虛擬現(xiàn)實及仿真中廣泛地應用。其最直接實現(xiàn)方法是修改模型素材，即美術(shù)工作者手動地根據(jù)現(xiàn)實風化效果調(diào)整原模型形態(tài)和材質(zhì)。此方法可得到極高的滿意度，但由于素材固定，風化狀態(tài)的更換需要多次調(diào)整，造成繁復的工作量。如何通過程序高效且便捷地生成生物風化效果，具有深遠的意義。

隨著計算機硬件水平的提升，計算機圖形學的表現(xiàn)力進展顯著，計算機生成的圖形被廣泛應用于表示各種材質(zhì)特性的物體和現(xiàn)象。已經(jīng)提出多種方法模擬風化現(xiàn)象，涵蓋二維紋理及三維模型。其中，三維空間的風化模擬主要為基于數(shù)學和物理模型的方法。在早期的研究中，Dorsey?J等人建立了一種風化模型，模擬水分流動、多孔石塊內(nèi)礦物質(zhì)的運輸溶解和重結(jié)晶，結(jié)合次表面蒙特卡洛光線追蹤器表現(xiàn)模型表面附近的半透明質(zhì)感。該方法基于理想化的物理模型，可渲染出真實度極高的效果。在Lee?S等人對石材的物理風化研究中，為石雕物理屬性的瞬態(tài)行為定義了實時的估計函數(shù)，使用概率分布函數(shù)和環(huán)境加權(quán)因子模擬自然條件，最終通過體素可視化侵蝕后的石雕形態(tài)。Jain?N等人提出了一個風化對象的三維隨機模型，通過隨機過程模擬風化點的生長，以顯示金屬在金屬物體點蝕過程中的內(nèi)部侵蝕和外部相干效應。上述方法主要模擬物理和化學風化，在模擬生物因素導致的風化方面，Desbenoit提出了模擬地衣的生長的方法，通過使用開發(fā)式擴散有限聚集模擬地衣與環(huán)境的相互作用和競爭有力條件的傳播，并將模型圖譜實例化，實現(xiàn)地衣形態(tài)的多樣性，但因為包含碰撞檢測等復雜計算，時間消耗大，無法滿足實時性要求。

元胞自動機為解決復雜擴散問題提供了一條有效的途徑。元胞自動機是一種時間、空間、狀態(tài)均離散的網(wǎng)格動力學模型，它未嚴格定義物理方程或函數(shù)，而是由一系列模型構(gòu)造的規(guī)則構(gòu)成，其每個變量只取有限多個狀態(tài)，且其狀態(tài)改變的規(guī)則在時間空間上都是局部的。出于這些特性，現(xiàn)已有研究將元胞自動機模型引入生長、擴散相關(guān)的模擬中：Roque等人提出基于元胞自動機的植株生長模擬，Kanazawa等人通過使用二維元胞自動機在鐵板上產(chǎn)生銹紋理圖像，在二維元胞自動機的基礎上，Suzuki等人提出了體素自動機，即一種改進的二維元胞自動機，模擬了三維鐵質(zhì)物體的腐蝕、穿洞效果。EvenP等人通過交互式重建實現(xiàn)了建筑工地圖像的三維重建，并和多表面細胞自動機，對不同尺寸的工地模型，進行了油煙沉積物的模擬效果。

綜上，現(xiàn)有的基于數(shù)學和物理模型的方法主要針對非實時應用領(lǐng)域，涉及復雜的數(shù)學物理公式，且包含數(shù)據(jù)量極大的高精度網(wǎng)格模型，需消耗較高時間成本，不適用于實時性要求高的情況，例如虛擬現(xiàn)實、游戲等。而元胞自動機對復雜擴散問題的解決能力，使其成為模擬風化效果的一種思路。

發(fā)明內(nèi)容

為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供了一種基于三維元胞自動機的風化現(xiàn)象模擬方法，其簡化了風化計算方法，在效率上得到顯著提升，適用于實時性要求高的情況。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：這種基于三維元胞自動機的風化現(xiàn)象模擬方法，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(shù)據(jù)為三角形網(wǎng)格及環(huán)境參數(shù)，輸出為具有風化效果的三角形網(wǎng)格模型；該方法包括以下步驟：