火焰的物理繪制研究.pdf

1、自然現(xiàn)象的模擬仿真一直是計算機圖形學(xué)的研究熱點，其主要研究內(nèi)容是利用計算機模擬真實世界物體，以及自然現(xiàn)象，比如：火焰、海浪、云層等。將這些元素添加至圖形場景中，可顯著提升場景的真實感。其中，實時繪制隨風(fēng)搖曳的真實感火焰肯定是件讓人心馳神往的事情，火焰在影視特效制作、災(zāi)害模擬、動漫、娛樂等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用和進一步發(fā)展的需求。
　　 對像火焰這種不規(guī)則景物的模擬，通常方法是采用粒子系統(tǒng)以及動態(tài)紋理等方法來實現(xiàn)，但這兩種方法都有其

2、局限性。由于計算機運算能力的迅速發(fā)展和圖形處理器并行計算能力的攀升，使基于物理方法的火焰模擬成為可能，它比粒子和紋理模擬出的火焰真實感更強。之前已有許多研究者提出了一些基于物理的火焰模擬方法，不過都是采用的是不可壓縮的Navier-Stokes方程，本文使用的是可壓縮的Navier-Stokes方程來模擬火焰的形態(tài)，可壓縮的方程比不可壓縮的方程可以少求解一組物理量，減少算法的復(fù)雜度。
　　 本文依次通過計算外力項(密度項)、擴散

3、項、平流項及質(zhì)量守恒來求解Navier-Stokes方程。然后利用求解Navier-stokes方程所得的密度場數(shù)據(jù)與焰色圖譜確定火焰的RGB值以及Alpha通道，最終實現(xiàn)火焰的模擬。通過控制Navier-stokes方程中的外力項來使火焰具備可交互性。本文還通過設(shè)置一些額外的邊界條件來模擬外界障礙物，使火焰能對外界障礙物的遮擋作出響應(yīng)。
　　 在火焰模擬過程中，Navier-Stokes方程的求解是最耗時間的一個環(huán)節(jié)，我們使用