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)實等領(lǐng)域都有廣泛的應用。在傳統(tǒng)的動畫制作中,動畫師需要手工設(shè)定流體在每一幀的狀態(tài),工作量很大,而且真實感欠佳。隨著計算機圖形學和計算流體力學的快速發(fā)展,基于物理的計算機流體動畫開始普及并得到了廣泛應用。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)值求解方法得到運動過程中每一時間步的狀態(tài)參數(shù),并根據(jù)狀態(tài)參數(shù)進

2、行有效繪制,從而生成高質(zhì)量的流體動畫。本文著重于流體動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。此外本文詳細介紹了描述流體運動規(guī)律的Navier-Stokes方程組,并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了一個真實感與實時性并舉的煙霧動畫。本文的主要工作和貢獻如下:
　　 (1)采用有限差分法求解Navier-Stokes方程,計算區(qū)域用同位網(wǎng)格離散,并使用分解法對方程的求解進行簡化處理,減少

3、計算量。求解過程中采用半拉格朗日法求解平流項,同時結(jié)合隱式迭代的方法求解擴散方程和泊松方程,保證了算法的穩(wěn)定性,并且可以采用任意大的時間步長來控制模擬速度。此外,本文還往流場中加入了漩渦約束力和浮力以改善煙霧的流動細節(jié),增強運動的真實感。
　　 (2)求解完成之后,本文利用光線投射算法對煙霧的密度場進行渲染,并采用一種快速、簡便的方法進行光線與網(wǎng)格體的求交計算,生成了逼真的煙霧動畫。
　　 (3)本文利用GPU強大的并行