海洋任意位置多漩涡运动交互核心算法实时性改善

发布时间：2020-03-09 15:55

【摘要】：海洋的各种漩涡模拟是海洋灾害预警、海洋灾害评估、影视动画作品、3D游戏、虚拟现实环境等不可或缺的元素,但由于其形成和表现形式的复杂程度很难在实时的条件下取得较真实的表现,因此本文旨在研究一种具有一定适应性的海洋漩涡实时生成方法。首先,针对海洋漩涡形态的复杂多变,引入费曼物理讲义中流体力学部分对于漩涡结构描述的公式,提出漩涡轮廓函数模拟其三维表面,构造出静态海洋漩涡的轮廓函数,可以在任意位置生成不同形态的漩涡,丰富了海洋现象仿真,因为二次函数运算量不大的原因,提高了实时性。其次,针对漩涡表面细节不够的问题,引入水面波动函数,丰富漩涡表面细节;并且针对边界问题,利用二次函数,解决多层次细节问题,避免了漩涡边界与海洋的网格撕裂问题,增强了真实感;并且针对海洋漩涡实时性,采用通用并行计算架构CUDA加速技术,进一步提高了实时性。再次,针对漩涡发生时的并发性,通过调节漩涡轮廓函数的相应因子,能在任意位置方便地生成多个大小不等的漩涡;针对漩涡运动的特性,根据其与引力场运动的相似性引入Navier-Stokes方程求解出漩涡切线速度和向心速度,得出漩涡在海洋表面运动,解决了漩涡运动轨迹难以描述的问题;针对漩涡之间相互融合形态变化的问题,调节相应因子,实现了多个漩涡之间相互融合的仿真;并且与孟庆国在方形腔体中利用物理方法模拟的漩涡进行对比,然后针对方形腔体中的限制,模拟了不同大小的漩涡形态交融;最后实现了漩涡与刚体物体的交互,并且使用了shader加速整个计算过程,再次提高了实时性。最后,针对跨平台不容易移植的问题,本文分别在专业的图形程序接口Open GL、通用并行计算架构CUDA平台,OSG Ocean平台和Unity3D平台进行了实验验证,达到预期目标。
【图文】：

型的具体数学实现方法。2.1 建立海洋漩涡轮廓函数模型如图2-1所示，，这是一个在真实的物理环境中生成的漩涡。从费曼物理[41]中引用。图 2-1 费曼物理讲义中的环流示意图早在许多年前，费曼在其物理学讲义中对于实验室中模拟出的小型漩涡有论述，他将这一现象归纳到了环流之中，并且对其进行了研究，若在一个圆柱型的容器内倒满水，用一棍子搅起一些环流，然后在其底部打开一个小孔，这时会发生围绕这个小孔的流体环流现象， 费曼称之为“一种优美的现象”。可见漩涡这一显现早已

种方法可以很好的计算光照。如图2-2所示。图2-2 二维空间下使用不同的正弦函数模拟海洋波动示意图图2-3 二维空间的漩涡轮廓函数与简单的海洋平面示意图利用同样的原理，针对系统要求实时性的需求，本文使用基于构造的方法在二维空间中构造海洋漩涡轮廓函数。对于这个函数首先有几点要求，一是要求其简单容易刻画；二是要求其运算量小；三是要求可以对于生成漩涡之外的区域无影响，这点其实可以约束其作用范围就可以简单实现，但是由于海洋波动的复杂性，往往
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P731.2;TP391.41

【参考文献】

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本文编号：2585864