海浪快速物理模擬算法研究.pdf

1、自然界的流體現(xiàn)象十分豐富。流體是由大量的、不斷地作熱運動而且沒有固定平衡位置的分子構(gòu)成的，基本特征是沒有固定的形狀，具有流動性。流體的模擬是計算機圖形學(xué)的一個重點和難點。 計算機圖形學(xué)中對流體模擬的研究，早期主要是通過構(gòu)造的方法，只能模擬一些簡單的流體現(xiàn)象。近些年來隨著技術(shù)的發(fā)展，圖形處理硬件性能的提高，基于物理的流體仿真算法逐漸成為了該領(lǐng)域的熱點?；谖锢淼牧黧w仿真算法能夠體現(xiàn)流體的物理特點，從而可以用計算機生成更為逼真多樣的

2、流體現(xiàn)象。由于流體的豐富特性，目前還沒有一種算法能夠通用于各種流體現(xiàn)象。 海浪是一種復(fù)雜的流體現(xiàn)象，它是一種大規(guī)模的水體，既有相對呈周期性的水波，也有形態(tài)劇烈變化、會卷曲、分裂的碎浪，還有飛濺的水花和漩渦。如何對海浪這種規(guī)模大、現(xiàn)象豐富的自然景象進行建模是一個難點。 研究如何對海浪進行快速物理模擬可以推廣到其它大規(guī)模水體的模擬中，能在影視制作、動畫設(shè)計、計算機游戲、計算機藝術(shù)、計算機輔助幾何設(shè)計/制造、科學(xué)計算可視化、地

3、理信息系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域做出貢獻。 本文以計算機圖形學(xué)的視角，試圖對海浪這類大面積水體進行快速高效的建模和繪制。首先細致地分析了海浪的特點，并對現(xiàn)有的流體模擬算法進行了深入的研究和分析探討。在此基礎(chǔ)上，充分結(jié)合海浪的特點，提出了一種二維網(wǎng)格法和三維粒子法相結(jié)合的方法。該方法符合大面積水體的物理規(guī)律，能夠用于快速真實地再現(xiàn)海浪場景。 對相對具有周期性、形狀變化平緩的大面積區(qū)域采用二維網(wǎng)格法進行模擬，使用由納維—斯托克斯方

4、程簡化而成的淺水波方程作為控制方程，用一個二維交錯網(wǎng)格進行空間離散，運用半拉格朗日法求解，得到海面各點的高度，從而可以簡單直接的構(gòu)造出大面積的海面。利用GPU進行求解計算，充分發(fā)揮了GPU的浮點運算和并行計算能力，減輕了CPU的負擔(dān)，平衡了負載，加快了模擬的過程。 而對由風(fēng)力等引起的卷曲的海浪、與礁石相撞導(dǎo)致的破碎浪花等區(qū)域則采用三維粒子法進行模擬。使用了基于無網(wǎng)格的光滑粒子流體動力學(xué)的方法對三維不可壓納維—斯托克斯方程進行求解