實時流體交互性模擬算法的研究與實現(xiàn).pdf

1、近幾十年來，由于影視動畫、虛擬現(xiàn)實和計算機游戲等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，基于物理的計算機動畫成為人們研究的熱點方向，它通過探索真實世界中自然現(xiàn)象的物理本質(zhì)，利用計算機為物體建立精確的運動模型，從而更加逼真的表現(xiàn)物體的形象和運動。但是，由于物理方程計算的復(fù)雜性，基于物理的計算機動畫總是存在耗時嚴(yán)重的問題，滿足不了許多對時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時動畫作為研究目標(biāo)，試圖在物理模擬的真實感和效率之間尋求一個良好的平衡點

2、，從而滿足計算機游戲領(lǐng)域的需求。 基于物理的建模已經(jīng)成為計算機圖形學(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、群體動畫等。 本文對這一課題的研究主要集中在以下兩個方面： 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距離吸引力作用的表面張力，設(shè)計出基于GPU

3、的粒子潑濺算法。渲染算法完全消除了時間離散假象，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，該方法具有簡化的表面張力模型，快速的渲染方式，大大減小了運算的復(fù)雜性，有效提高了系統(tǒng)的運行速度。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)生動的流體動畫效果，使用光滑粒子流體動力學(xué)方法，模擬中尺度流體的運動；在此基礎(chǔ)上，進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、型來構(gòu)建液體的滲透和依附效果，真實模擬出流體緩慢滲透進入固體過飽和狀態(tài)，以及飛濺流體附著于固體表面的真實感運動過程。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感模擬上的問題。它兼顧了系統(tǒng)對真實感和實時性兩方面的要求。 第二，運用流體的思想，提出超大規(guī)模群流動畫的算法，深入研究了針對隨場景復(fù)雜性、群體行為多樣性和群體角色數(shù)量增加而出現(xiàn)的問題，采用基于流體運動的物理模型來解決以上問題。該算法使用一個全局的動態(tài)勢能場來驅(qū)動