头发仿真模拟可应用于游戏动画、电影电视、虚拟仿真等一系列领域,具有非常重要的地位和广阔的发展前景。如何对头发进行发丝建模及造型控制、头发的运动及碰撞如何处理以及如何更好地展示头发在自然光以及人造光照射下的视觉效果都是需要考虑的问题。因此,本文重点对这三部分进行研究和讨论。首先,针对头部模型的建模问题,本文采用Maya2018建模软件对头部模型进行绘制,并对头部模型的顶点、网格线及面进行调整,从而解决模型效果不真实的问题,增加模型的逼真程度;为了确定头发的生长区域及密度,对头部模型的头皮部分进行UV划分,将头皮表面分为不同的头发生长区域;对于头发的建模问题,本文对经典的质点弹簧模型进行改进,增加了弯曲弹簧、扭矩弹簧以及约束弹簧,使发丝能够更好的模拟复杂形变,从而构建出主导发丝;针对发丝的数量问题,本文采用头发插值算法,从主导发丝中插补出更多的从属发丝,从而在达到头发发丝数量要求的同时减少计算量;针对头发的造型问题,本文通过NURBS曲线构建三维网格模型的方式对头发造型进行精确拟合,并使用Catmull曲面细分技术对生成的三维网格模型进行细分处理,提高模型的精细程度。其次,针对头发在复杂风力作用下的运动模拟,采用Verlet数值积分法来对发丝质点在运动过程中的每一个时间步长内的位置及速度参数进行计算,从而实现发丝的实时运动效果;针对头发运动过程中发丝之间的自碰撞问题以及发丝与人体头部模型之间的体碰撞问题,分别采用圆柱体包围盒算法以及包围球算法来进行碰撞检测计算,从而增加了碰撞检测的精确度,避免了直接进行发丝质点的碰撞判定所带来的计算量过大的问题;使用柏林噪声函数来构建随机风场,将头发运动过程中的恒定风场改为随时间变化的随机风场,使头发运动过程中所受到的风力作用更加复杂,增加头发运动的变化。再次,为了避免传统的Phong光照模型导致的光照效果不真实以及Kajiya-Kay光照模型导致的光照细节效果不佳的问题,采用Marschner光照模型对头发进行光学渲染,优化头发的光照渲染效果;采用层次阴影图算法计算头发阴影,解决了传统算法对于头发阴影计算出现的走样问题;利用纹理贴图技术增加头发渲染的细节纹理效果,并使用多重采样抗锯齿技术解决渲染图像的锯齿感边界问题,使渲染图像更加清晰、真实感更强。最后,利用Maya2018建模软件、Unity3D游戏引擎、Open GL渲染管线,使用C#语言以及Java Script脚本语言实现头发的建模、碰撞及渲染的模拟效果。实验表明,本文方法能够对头发的建模及造型高度拟合,对头发在随机风场下的碰撞进行精确检测,且最终完成的头发渲染图像效果更强、逼真度更高。