中文摘要：

提出一个融合墨汁特性和自然法则的彩色水墨扩散模型，这个模型周详地考虑了宣纸纤维、颜料粒子、水量、墨量、重力和胶等影响扩散的因素，改进了相关研究局限在单色领域和建构模型对参数量考虑不足的缺点。模型以多维度力学扩散为基础，提出了可行的方法来仿真宣纸的结构，再考虑了重力对扩散过程的影响，依中国水墨画使用媒材的物理特性建构出来。研究过程将其他学者未考虑到胶的因素纳入讨论，模拟出中国水墨画特有的"搭墨"、"拒墨"现象。再根据碳颗粒和宣纸纤维空隙互动关系所发生的过滤效应，模拟"黑边墨迹"。并且提出一个有效的基于图像的彩色水墨扩散成像算法，完成一个以自然为基础、融合墨汁特性的水墨扩散和纸墨互动模型，让模拟出来的彩色图像更符合中国水墨画的独特风格，使水墨扩散的模拟更合理，呈现的水墨画更生动、逼真。

结论摘要：

随着非真实成像(Non-Photorealistic Rendering, NPR)的研究逐步成熟，以东方画系为代表的中国水墨画仿真研究也取得令人瞩目的成绩，填补了水墨画艺术仿真在3D渲染领域的空白。而且，对中国水墨画3D渲染技术的研究，无论在艺术传承还是科学研究方面，都有着深远的意义以及广阔的应用前景。项目研究内容和结果。（1）基于水墨扩散的流场特性建立毛笔绘图模型。这一模型以笔触速度为主要流场变量，简化参数和加快计算速度。（2）通用GPU加速3D毛笔模拟与水墨流场物模求解。利用通用GPU硬件加速，并依照改进的无骨架约束漏斗的毛笔几何模型，配合笔触运动轨迹，规范出笔触范围后给予墨水源，在流场空间加速求解物理模型。（3）非真实成像的水墨画绘制若干技术研究。首先引入Perlin噪声，在对Perlin噪声进行图像处理后，实现了宣纸褶皱以及水墨笔触模拟，接着提出一种基于真实图像转换的实时水墨图像重构的渲染方法。最后，提出一种轮廓线优化的多通道三维彩墨渲染方法。（4）三维地形建模与水墨风格渲染。研究三维地形的写意水墨风格模拟，主要是设计一种基于程序灰度着色的水墨风格渲染方法，可以容易地观察到地形变化时的水墨变化效果。同时，也研究三维分形地形的风格化渲染。（5）基于GPU加速的复杂场景光子映射算法。通过改进相关的全局光照模型或局部光照模型，研究了基于CUDA的并行设计，使得整个场景渲染性能得到了很大提高。（6）基于粒子系统的流体场景动态模拟粒子系统是公认的用来模拟动态不规则景物最好的方法。以三维流体场景为模拟对象，基于粒子系统理论的基本思想，提出了依据景物特征构建其三维抽象模型的方法。研究内容所提出的方法针对非真实成像的水墨图像渲染使用的背景、材质和环境光照等，在基于硬件加速架构上快速模拟和渲染水墨图像，为相关研究提供可借鉴的理论及方法。