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(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究熱點(diǎn)，其主要研究?jī)?nèi)容是利用計(jì)算機(jī)模擬真實(shí)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(chǎng)景中，可顯著提升場(chǎng)景的真實(shí)感。其中，實(shí)時(shí)繪制隨風(fēng)搖曳的真實(shí)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(dòng)漫、娛樂等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用和進(jìn)一步發(fā)展的需求。
　　 對(duì)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(dòng)態(tài)紋理等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這兩種方法都有其

2、局限性。由于計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的迅速發(fā)展和圖形處理器并行計(jì)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(shí)感更強(qiáng)。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(guò)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(lái)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(guò)計(jì)算外力項(xiàng)(密度項(xiàng))、擴(kuò)散

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