實(shí)時(shí)流體交互性模擬算法的研究與實(shí)現(xiàn).pdf

1、近幾十年來(lái)，由于影視動(dòng)畫、虛擬現(xiàn)實(shí)和計(jì)算機(jī)游戲等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，基于物理的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫成為人們研究的熱點(diǎn)方向，它通過(guò)探索真實(shí)世界中自然現(xiàn)象的物理本質(zhì)，利用計(jì)算機(jī)為物體建立精確的運(yùn)動(dòng)模型，從而更加逼真的表現(xiàn)物體的形象和運(yùn)動(dòng)。但是，由于物理方程計(jì)算的復(fù)雜性，基于物理的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫總是存在耗時(shí)嚴(yán)重的問(wèn)題，滿足不了許多對(duì)時(shí)間要求較高的圖形學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的要求。本文以基于物理的流體實(shí)時(shí)動(dòng)畫作為研究目標(biāo)，試圖在物理模擬的真實(shí)感和效率之間尋求一個(gè)良好的平衡點(diǎn)

2、，從而滿足計(jì)算機(jī)游戲領(lǐng)域的需求。 基于物理的建模已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)域非?；钴S的研究方向。本文介紹了具有代表性的基于物理的流體建模方法，包括歐拉法、拉格朗日法、平滑粒子流體動(dòng)力學(xué)等。討論了相關(guān)連續(xù)現(xiàn)象的模擬，如流體、群體動(dòng)畫等。 本文對(duì)這一課題的研究主要集中在以下兩個(gè)方面： 第一，提出基于平滑粒子流體力學(xué)的自由界面流體模擬方法，采用了范德瓦爾斯方程與粒子間短距離排斥力和長(zhǎng)距離吸引力作用的表面張力，設(shè)計(jì)出基于GPU

3、的粒子潑濺算法。渲染算法完全消除了時(shí)間離散假象，具有交互式的高質(zhì)量渲染效果。與傳統(tǒng)拉格朗日算法相比，該方法具有簡(jiǎn)化的表面張力模型，快速的渲染方式，大大減小了運(yùn)算的復(fù)雜性，有效提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速度。另外，本文還介紹了一種模擬中小尺度不可壓縮性粘性流體與固體耦合的新方法。為呈現(xiàn)生動(dòng)的流體動(dòng)畫效果，使用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法，模擬中尺度流體的運(yùn)動(dòng)；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究小尺度流體在固體表面的吸收和依附現(xiàn)象。主要使用吸收方程和線性彈簧緩沖阻尼模

4、型來(lái)構(gòu)建液體的滲透和依附效果，真實(shí)模擬出流體緩慢滲透進(jìn)入固體過(guò)飽和狀態(tài)，以及飛濺流體附著于固體表面的真實(shí)感運(yùn)動(dòng)過(guò)程。這種方法有效的解決多尺度流體與固體耦合在宏觀與微觀真實(shí)感模擬上的問(wèn)題。它兼顧了系統(tǒng)對(duì)真實(shí)感和實(shí)時(shí)性兩方面的要求。 第二，運(yùn)用流體的思想，提出超大規(guī)模群流動(dòng)畫的算法，深入研究了針對(duì)隨場(chǎng)景復(fù)雜性、群體行為多樣性和群體角色數(shù)量增加而出現(xiàn)的問(wèn)題，采用基于流體運(yùn)動(dòng)的物理模型來(lái)解決以上問(wèn)題。該算法使用一個(gè)全局的動(dòng)態(tài)勢(shì)能場(chǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)