基于物理的三維煙霧模擬及其加速技術(shù)的研究.pdf

1、流體是一種美妙而復(fù)雜的物理形態(tài),諸如上升的輕煙、漂浮的云彩、翻騰的海浪、燃燒的火焰等流體現(xiàn)象的模擬在電子游戲、電影特效和虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。在傳統(tǒng)的動(dòng)畫制作中,動(dòng)畫師需要手工設(shè)定流體在每一幀的狀態(tài),工作量很大,而且真實(shí)感欠佳。隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算流體力學(xué)的快速發(fā)展,基于物理的計(jì)算機(jī)流體動(dòng)畫開始普及并得到了廣泛應(yīng)用。它從流體的物理本質(zhì)出發(fā),建立精確的物理模型,通過數(shù)值求解方法得到運(yùn)動(dòng)過程中每一時(shí)間步的狀態(tài)參數(shù),并根據(jù)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)

2、行有效繪制,從而生成高質(zhì)量的流體動(dòng)畫。本文著重于流體動(dòng)畫中的煙霧模擬技術(shù),概述了煙霧模擬的各種研究方法以及近年來國內(nèi)外在基于物理的煙霧模擬領(lǐng)域的研究趨勢(shì)。此外本文詳細(xì)介紹了描述流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的Navier-Stokes方程組,并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)真實(shí)感與實(shí)時(shí)性并舉的煙霧動(dòng)畫。本文的主要工作和貢獻(xiàn)如下:
　　 (1)采用有限差分法求解Navier-Stokes方程,計(jì)算區(qū)域用同位網(wǎng)格離散,并使用分解法對(duì)方程的求解進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,減少

3、計(jì)算量。求解過程中采用半拉格朗日法求解平流項(xiàng),同時(shí)結(jié)合隱式迭代的方法求解擴(kuò)散方程和泊松方程,保證了算法的穩(wěn)定性,并且可以采用任意大的時(shí)間步長來控制模擬速度。此外,本文還往流場(chǎng)中加入了漩渦約束力和浮力以改善煙霧的流動(dòng)細(xì)節(jié),增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)的真實(shí)感。
　　 (2)求解完成之后,本文利用光線投射算法對(duì)煙霧的密度場(chǎng)進(jìn)行渲染,并采用一種快速、簡(jiǎn)便的方法進(jìn)行光線與網(wǎng)格體的求交計(jì)算,生成了逼真的煙霧動(dòng)畫。
　　 (3)本文利用GPU強(qiáng)大的并行