基于粒子的結冰模擬.pdf

1、基于物理方法的自然場景建模在計算機圖形學領域是一個充滿挑戰(zhàn)的研究方向。結冰場景是自然場景不可或缺的重要組成部分，在數(shù)字娛樂和虛擬仿真等方面有著廣泛的應用。作為一種復雜的自然材質，冰有著豐富的視覺細節(jié)特征，包括氣泡、裂痕和體積膨脹。以圖形學的表現(xiàn)方式對結冰過程的復雜特征進行人工建模是一個枯燥的工作。最近，研究者對包括冰柱、冰霜等特定的冰形態(tài)類型在基于物理方法的模擬上給與了很大的關注。對一定體積的冰的豐富視覺特征的描繪，包括其形成過程的物理

2、模擬也得到了一定的研究。
　　然而，現(xiàn)有的結冰模擬算法對于解決在流動狀態(tài)下的水結冰現(xiàn)象的模擬仍是不足夠的。在這種動態(tài)的結冰過程中，水的運動特性扮演了一個重要的角色。為了減少建模的代價和更有效地模擬多樣的結冰現(xiàn)象，本論文提出了一個基于粒子方法的動態(tài)結冰物理模型。首先，我們以流體對水進行建模，構建一個基于粒子方法的動態(tài)結冰模擬框架。然后，在此基礎上，改進熱量擴散方程來準確求解溫度變化問題。對于冰的非透明性質，根據(jù)粒子間的相對距離來模擬

3、不透明氣泡的均勻擴散過程。接著，我們采用了一個混合的固化方法來模擬結冰的穩(wěn)定相變過程。最后，在基于粒子方法的模擬框架中，對于包含固液碰撞、摩擦、表面吸附和冰融化的多樣結冰現(xiàn)象進行了有效模擬。結果表明，本文的方法對于模擬流水的動態(tài)結冰現(xiàn)象十分有效和穩(wěn)定，同時，可以得到非常真實的視覺外觀，令人信服的動畫效果以及可控的結冰條件。本論文的主要貢獻包括以下四個方面：
　　(1)提出了一套基于粒子的動態(tài)結冰模擬方法。我們用粒子來表示水和冰，通

4、過流體來對水的運動進行建模。流體的引入使得水的運動過程的表現(xiàn)更加靈活，并且在結冰結束時保持更豐富和自然的冰體形狀。同時，結冰過程中的體積膨脹現(xiàn)象可以得到很好的表現(xiàn)?；诹Ｗ拥姆椒ń獬丝臻g的限制，因此，可以得到更真實的結冰過程動畫。另外，基于粒子的流體模擬可以方便地實現(xiàn)固液交互的多樣結冰現(xiàn)象。更重要的是，基于物理的結冰子過程可以很好地用粒子方法耦合，來共同構建一個合適、可擴展的結冰算法框架。
　　(2)提出了一個準確合理的結冰過程

5、物理模型，在基于粒子的框架中求解熱量傳遞和氣泡擴散過程。為了得到一個準確的熱量傳遞過程，本文采用了一個改進的溫度變化求解方程，該方程降低了求解復雜度，并考慮了冰和水的熱學性質差異。不同的結冰速率、方向可以通過用戶自定義的參數(shù)來控制。另外，非透明氣泡的擴散考慮了粒子間的相對距離，可以到了一個接近真實的氣泡分布狀況。
　　(3)提出了一個穩(wěn)定的混合固化模型。本論文根據(jù)粒子的狀態(tài)將結冰的相變過程分為兩個階段，在近似固體階段使用基于粒子狀