基于物理的流體動(dòng)畫研究.pdf

1、無(wú)論在現(xiàn)實(shí)生活中還是在電影特效領(lǐng)域，諸如狂風(fēng)暴雨下的海面、徐徐上升的輕煙、四處飛濺的水滴等流體現(xiàn)象有著讓人驚嘆的視覺(jué)效果。攝像師、電影制作人、抑或是游戲創(chuàng)造者都嘗試著去捕捉這稍縱即逝的美景(如著名的照片“牛奶皇冠”和電影“海神號(hào)”)。人們對(duì)電影和游戲的視覺(jué)效果要求越來(lái)越高，觀眾們也希望能夠看到真實(shí)的流體動(dòng)畫效果。然而，由于流體運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的由美術(shù)工作者逐幀繪制流體效果的方法變得不再不可行。于是，基于物理的方法逐漸成為廣泛流行的計(jì)算

2、機(jī)模擬流體的方法。 本文首先詳細(xì)介紹了描述流體運(yùn)動(dòng)的Navier-Stokes方程組并針對(duì)基于物理的流體動(dòng)畫技術(shù)給出了一個(gè)全面的前沿性綜述。作為模擬真實(shí)流體效果的最常見(jiàn)方法，基于物理的流體動(dòng)畫近幾年來(lái)產(chǎn)生了大量新的研究成果。本文將現(xiàn)有方法分成三類：拉格朗日法、歐拉法和晶格波爾茲曼方法，對(duì)它們進(jìn)行對(duì)比討論；介紹了七種不同類型流體現(xiàn)象的模擬技術(shù)；并重點(diǎn)評(píng)述表面跟蹤與表示、流體摔制、混合方法、模型降級(jí)和GPGPU等研究熱點(diǎn)。本文還根據(jù)

3、最近1-2年以來(lái)在SIGGRAPH與ACMSIGGRAPH/Eurographics symposium on Computer Animation上的論文歸納總結(jié)出未來(lái)流體模擬的研究趨勢(shì)和發(fā)展方向。這篇文章幾的在于給讀者提供一篇較完整的參考。即使足剛剛進(jìn)入該領(lǐng)域的研究者也能從這篇文章中獲得一個(gè)對(duì)該領(lǐng)域的簡(jiǎn)單介紹，從而無(wú)需花費(fèi)大量時(shí)間閱讀海量文獻(xiàn)來(lái)了解其最新的發(fā)展?fàn)顩r。 此外，本文提出了一套通用的基于層次化網(wǎng)格的多層流體動(dòng)畫框架

4、，用以解決目前流體模擬中傳統(tǒng)歐拉方法所面臨的諸多問(wèn)題，如邊界條件的離散、多尺度絀節(jié)的捕捉等等。多層網(wǎng)格方法將流體計(jì)算區(qū)域根據(jù)視覺(jué)重要性和數(shù)值計(jì)算的難度劃分成多個(gè)相互嵌套的子區(qū)域，然后再在這些子區(qū)域內(nèi)分布小同精度或者不同類型的網(wǎng)格對(duì)Navier-Stokes方程進(jìn)行離散，求解。最后通過(guò)邊界條件在網(wǎng)格之間傳遞數(shù)據(jù)，使局部解收斂于方程的全局解。這種方法不僅能有效捕獲流體運(yùn)動(dòng)中各個(gè)尺度的細(xì)節(jié)，有效地優(yōu)化計(jì)算資源，還能博眾所長(zhǎng)，集成不同數(shù)值方法的