基于物理的大規(guī)模流體場景模擬算法研究.pdf

1、基于物理的大規(guī)模流體場景模擬算法研究基于物理的大規(guī)模流體場景模擬算法研究TheResearchabouttheAlgithmofPhysicallybasedLargeScaleFluidSimulation學(xué)科專業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)研究生：石兵指導(dǎo)教師：劉艷副教授天津大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院二零一四年十二月摘要近年來，基于物理的流體仿真技術(shù)受到了眾多圖形學(xué)研究者的關(guān)注，因?yàn)椴还苁窃陔娮佑螒?、電影視頻還是虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域中，它都有著重要的

2、研究與應(yīng)用價(jià)值。實(shí)現(xiàn)一個(gè)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、基于物理的流體仿真器是這一領(lǐng)域的研究目標(biāo)，但是準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性往往難以同時(shí)滿足。為了選擇合適的實(shí)時(shí)流體仿真方法，本文首先給出了一個(gè)使用基于網(wǎng)格的歐拉法進(jìn)行煙仿真的實(shí)例，通過該實(shí)例說明歐拉法不適合進(jìn)行實(shí)時(shí)大規(guī)模流體仿真。因此本文采用SPH方法以及它的一些擴(kuò)展在GPU上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)實(shí)時(shí)流體仿真框架，并結(jié)合一個(gè)基于屏幕空間的渲染方法實(shí)現(xiàn)了對三維水體、多相流等場景的實(shí)時(shí)模擬與渲染。在利用SPH方法進(jìn)行流體仿真時(shí)，

3、采用Tait方程來滿足流體的不可壓縮性。標(biāo)準(zhǔn)SPH方法存在拉伸不穩(wěn)定性的問題，本文采用一種簡單的密度修正辦法來解決這一問題。消除拉伸不穩(wěn)定性后帶來一個(gè)副作用是降低了粒子之間的內(nèi)聚力，從而使流體的表面張力現(xiàn)象消失了，因此在密度修正之后，我們引入一個(gè)人工張力項(xiàng)來模擬表面張力現(xiàn)象。對于邊界處理，本文同時(shí)實(shí)現(xiàn)了基于懲罰力和在邊界處采樣虛擬粒子這兩種方法，并通過實(shí)驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)采樣虛擬粒子的方法在碰撞檢測以及碰撞響應(yīng)方面均要好于懲罰力。對于多相流，本

4、文采用經(jīng)由數(shù)值密度修改過的SPH方法進(jìn)行模擬。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用此方法模擬多相流時(shí)會出現(xiàn)某些地方聚集低密度粒子以至于這些低密度粒子最終不會浮于高密度粒子表面的現(xiàn)象，本文通過引入一個(gè)人工浮力解決了此問題。本文采用一種基于屏幕空間的渲染方法來渲染最終的流體，該方法利用曲率流的思想來平滑表面深度，然后根據(jù)平滑后的深度信息計(jì)算出表面法線。同時(shí)該方法采用一個(gè)額外的pass來獲得流體的厚度信息，以此作為流體著色的重要依據(jù)。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：基于物理的