形狀可控的煙霧動(dòng)畫.pdf

1、煙霧控制一直是流體仿真領(lǐng)域的重要分支之一。可控的煙霧動(dòng)畫在影視特效和廣告中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。這種利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來(lái)制作動(dòng)畫特效的方式不僅解開了現(xiàn)實(shí)對(duì)藝術(shù)家或?qū)а莸氖`，讓他們能夠發(fā)揮天馬行空的想象力，而且也為影視等娛樂(lè)產(chǎn)業(yè)節(jié)省了大量的拍攝成本，同時(shí)還能減少或者避免讓演員暴露在某些危險(xiǎn)場(chǎng)景中的可能性。因?yàn)檫@些重要的應(yīng)用價(jià)值，煙霧控制也吸引了大量研究者的關(guān)注和投入。
　　通過(guò)詳細(xì)地分析國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，本文對(duì)煙霧控制的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題

2、進(jìn)行了深入的探討，并提供了系統(tǒng)的解決方案。具體來(lái)講，本文的貢獻(xiàn)包括以下幾個(gè)方面:
　　煙霧控制既包含路徑控制又包含形狀控制，為了能給動(dòng)畫師帶來(lái)更多的便利，我們提出了一種統(tǒng)一的控制框架。該算法在同樣的計(jì)算框架下既能實(shí)現(xiàn)路徑控制，又能實(shí)現(xiàn)形狀控制，還能實(shí)現(xiàn)兩者結(jié)合的混合控制。為了實(shí)現(xiàn)這種統(tǒng)一的控制方式，我們把表示目標(biāo)路徑的空間曲線和表示目標(biāo)形狀的幾何模型轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的有向距離場(chǎng)，并基于這種有向距離場(chǎng)設(shè)計(jì)了三種控制力:路徑控制力、邊界控制

3、力、以及基于中軸點(diǎn)云的形狀控制力。路徑控制力能讓煙霧沿著目標(biāo)的路徑運(yùn)動(dòng)。邊界控制力能將煙霧限制在指定的區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)。形狀控制力則能驅(qū)使煙霧形成各種各樣的目標(biāo)形狀。同時(shí)，為了提高形狀控制的精度，我們還提出了一種自適應(yīng)的散度調(diào)整策略，能夠去除仿真中多余的煙霧，從而使得結(jié)果形狀上的細(xì)節(jié)特征更加清晰。另外，我們還設(shè)計(jì)了一種混合渦旋粒子，能夠根據(jù)所處的空間位置自適應(yīng)地增強(qiáng)煙霧的湍流細(xì)節(jié)。實(shí)驗(yàn)也證明了我們的算法要優(yōu)于有的形狀控制算法和路徑控制算法，以

4、及通過(guò)簡(jiǎn)單修改將兩者結(jié)合起來(lái)的混合算法。
　　在制作可控的煙霧動(dòng)畫時(shí)，常常需要反復(fù)調(diào)試各種參數(shù)，以得到滿意的效果。因此，一個(gè)快速有效的計(jì)算框架會(huì)給動(dòng)畫師帶來(lái)很大的便利，節(jié)省動(dòng)畫設(shè)計(jì)的時(shí)間。為此，我們提出了一種新穎的、針對(duì)可控?zé)熿F動(dòng)畫的計(jì)算框架。在該框架下，我們采用基于離散正弦變換(DST)的泊松方程求解算法取代傳統(tǒng)的PCG求解，并改進(jìn)了現(xiàn)有的渦旋粒子算法，使其在增強(qiáng)湍流細(xì)節(jié)的同時(shí)，還能完成流體方程中對(duì)流項(xiàng)的求解。實(shí)驗(yàn)表明，我們的算

5、法框架能得到與傳統(tǒng)框架十分相似的結(jié)果，同時(shí)將計(jì)算速度提高了20倍以上。
　　針對(duì)形狀和路徑可控?zé)熿F動(dòng)畫提出了一種過(guò)程式的湍流細(xì)節(jié)合成算法。為了在增強(qiáng)湍流細(xì)節(jié)的同時(shí)，避免對(duì)煙霧的控制效果造成不利的影響，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新穎的、隨時(shí)間和空間變化的合成參數(shù)。該合成參數(shù)由渦旋速度和控制力共同計(jì)算得到，可以有效地控制過(guò)程式生成的湍流行為。使用合成參數(shù)后，仿真結(jié)果在得到豐富的湍流細(xì)節(jié)的同時(shí)，能很好的保持控制效果不受到大尺度的噪聲帶來(lái)的不利影響。