作为露天场景中的一种常见现象,风化效果的模拟在游戏、虚拟现实及仿真领域中均有广泛应用。风化在地质学上被定义为在物理、化学和生物因素的作用下,岩石在原地发生的崩解或蚀变。生物风化是由生物因素造成的风化,表现为动、植物或微生物在岩石上生长,覆盖岩石表面并在代谢过程中产生有腐蚀作用的化学物质,造成岩石的腐蚀和表面外观的改变。该现象的最直接的模拟方法是美术工作者在模型、贴图层面上进行手动修改,然而此操作繁琐且重复性大,开发效率低下。在计算机图形学领域,已有多种实现风化效果的研究,通常基于风化中的宏观或微观规律,构建数学、物理模型。但迄今为止,模拟对象主要集中为物理和化学风化,而针对生物风化模拟的研究较少,且主要基于离线渲染,复杂的计算量难以应用于对实时性要求高的情境,如游戏和虚拟现实。针对现有研究中存在的问题,本文主要针对实时运行条件下的生物风化现象模拟,设计并实现基于三维元胞自动机的模拟方法,描述苔藓和地衣在岩石上的生长过程。研究内容主要包含:使用网格顶点细分结合并行GPU的体素化算法预处理岩石网格模型,获得元胞自动机的元胞空间;设计三维空间的元胞自动机模型模拟风化扩散过程,包括基于3D Moore邻域的元胞自动机和改进的有限扩散凝聚模型。同时,为实现更接近真实风化中环境因素对风化进程的作用,使用了拟合的环境影响函数构建环境因素(如湿度、温度、光照)对生物生长速度的影响规律。为得到逼真的风化材质效果,采用了基于物理的渲染技术,针对岩石和生物材质的特性优化渲染方程中的双向反射函数。本文设计的方法整合至当下主流引擎上,以实时渲染为基础,在渲染效果和运行效率之间寻求平衡。