[发明专利]构建沙画模拟系统的方法

说明书

技术领域

本发明涉及虚拟现实的技术领域，尤其涉及基于C#语言开发的粒子运动模拟的技术。

背景技术

沙画艺术是21世纪刚刚兴起的一种与舞台艺术相结合的表演形式，它突破了传统艺术，创意神奇、画面绝美，配合优美的背景音乐，天衣无缝的表演令人震惊。但是由于沙画制作的设备专业性强，工具不易携带等问题的存在，使得沙画在日常的传播与兴起中受到了一定的限制。

在数字媒体艺术不断兴起的今天，利用计算机来设计模拟绘画软件已经成为一种热潮。而因为沙画相比于其他绘画种类来说，它的绘画方式比较特殊，所以在模拟沙画绘制方面还有很大的改善空间。

发明内容

为给人们提供接触沙画了解沙画的机会，本发明旨在提供一种构建沙画模拟系统的方法，以实时模拟沙画。

为了将计算机技术与传统艺术完美结合，使用电脑能够更加真实地创作出沙画，本发明重点研究真实沙画的绘制，即基于细节真实感沙画的绘制。解决的难点在于一是沙画绘制手法丰富多样，如何应用计算机编程为不同的绘制手法设计合理的算法来接近真实效果，二是现实生活中的沙粒是运动的，如何考虑尽可能多的因素去模拟真实的沙粒运动而提高系统的真实有效性。三是如何利用计算机使得沙画系统在基础的操作之上为用户增加新的乐趣。

为此，本发明采用以下技术方案：

一种构建沙画模拟系统的方法，包括以下步骤：

1)定义各类沙画手法的属性；

2)描述沙粒的高度

采用三维柱状图来描述沙粒的高度；

3)描述沙粒的运动

采用方向场描述沙粒的运动，该方向场被定义为在半圆形区域边缘上的发散模式，将半圆形区域周围方向场简化为四个方向，用以描述沙粒的不均匀分布；

4)采用自适应算法计算沙粒堆积；

5)采用自适应算法计算沙粒塌陷。

所述步骤2)中描述沙粒高度的具体步骤如下：

2.1)将M*N分辨率的画布看做一张二维网格，其中的一个像素坐标为(i，j)，此处0≤i≤M-1，0≤j≤N-1；

2.2)用每一个像素表示沙粒；

2.3)沙粒运动之后，在每个像素上形成一个沙柱，沙柱的高度值由h_ij表示；

2.4)在制作沙画的过程中，某像素上沙柱的高度值越大，便赋予该像素的亮度值越小，反之亦然，即用像素的亮度值的大小来表示该像素处堆积的沙粒高度。

所述步骤3)中描述沙粒运动的具体步骤如下：

3.1)将笔触末端的半圆形区域等分成四个部分，四个方向均垂直于半圆弧向外；

3.2)对每个部分根据实际测量结果得出占全部末端沙粒的权重，即取其每个方向上小圆弧的数值的算数平均值作为该方向上的比例值。

所述步骤4)中的计算沙粒堆积的具体步骤如下：

4.1)对用户绘制时每一笔的接触区域中被清空的沙粒进行总量统计，在重新堆积区域内进行扩散增加的沙粒数量，即为接触区域被清空的沙粒数量；

4.2)由于重新堆积的沙粒会因为重力和摩擦力的综合作用在轮廓曲线附近呈中间高两端低的大致对称分布，且在中间部分达到堆积的峰值，这个分布效果与概率论中的正态分布曲线类似，所以计算截面处堆积的沙粒增加的高度和采用正态分布表示；

4.3)选用数值正态分布函数来确定沙粒对应位置沙粒的堆积高度。

所述步骤5)中的计算沙粒塌陷的具体步骤如下：

采用平滑处理的方法减少相邻高度差来模拟沙粒的塌陷现象，即在堆积后对和周围沙粒柱高度相差大的沙粒柱进行关于高度的平滑化处理，即采用平滑处理的方法减少相邻高度差来模拟沙粒的塌陷现象。

进一步地：

利用RGBA模型来模拟彩沙，其步骤如下：

对图像中各个像素的亮度值进行统计操作；

按照测量亮度大小对图像中的像素进行排序，对有相近亮度值的像素进行分类并统计个数，将亮度值接近的视为同一类颜色，并统计相近颜色的像素在图像中总的像素里所占的比例；

某沙粒像素(i，j)处的颜色值通过控制面板设置的RGBA值进行改变，其中，R表示颜色的红色分量，G表示颜色的绿色分量，B表示颜色的蓝色分量，A表示不透明度的α分量；

沙粒高度用h_ij表示，当h_ij＝0时，表示无沙粒，颜色设为采光台自身的颜色；当h_ij逐渐增大时，颜色的明度降低，使得颜色发生变化，从而体现沙粒的堆积效果。