实时光滑粒子流体模拟及渲染关键技术研究

发布时间：2020-05-20 01:24

【摘要】：近年来,GPU技术快速发展,流体模拟技术广泛应用,以及人们对高效真实仿真越来越高的需求,使流体实时仿真及渲染研究一直是计算机图形学领域的重要方向之一。光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)方法由于其便于并行计算、不存在数值耗散、可以捕获流体细节等特点,逐渐成为模拟流体的主流方法。本文主要的研究内容有不同交界面气泡仿真渲染;流固交互泡沫生成实时仿真渲染;流体与可形变固体实时交互仿真渲染。本文的主要工作和研究成果如下:(1)提出基于速度的碰撞模型实现流固交界面耦合来模拟气泡产生。首先依据SPH方法,将整个粒子模型区分为流体粒子和气泡粒子进行建模,其次利用气泡粒子的坐标位置对自由液面进行耦合,然后在此基础上,在流固交界面对流体粒子的运动速度建模处理,实现流固界面耦合,模拟气泡产生。另外,通过对Mitsuba渲染器的学习研究,渲染出流体气泡运动的形态,模拟现实生活中水流运动效果。(2)提出基于CUDA架构,改进泡沫生成算法,实时仿真流固交互泡沫产生场景。首先改进泡沫生成概率的计算模型;其次将算法在GPU上并行处理;然后对流体和泡沫的渲染技术进行研究,通过OpenGL缓冲区对流体和泡沫分开渲染绘制。(3)基于CUDA架构,提出约束限制条件模型实时仿真流体与可形变固体交互发生形变。首先通过对固体粒子运动进行拉伸性和弯曲性约束限制来实现形变模拟,然后将泡沫生成算法与其进行融合,实现在流固碰撞发生形变过程中产生泡沫的效果。本文首先提出基于速度的碰撞模型来实现交界面处的耦合,模拟气泡的产生;其次基于CUDA架构,改进泡沫生成算法,实时模拟流固交互场景;最后提出约束限制模型,并与改进的泡沫算法融合,实时模拟流体与可形变固体交互场景。由实验结果可以看出,气泡、泡沫等细节现象的产生可以增强模拟的真实性,这也对视频游戏、虚拟现实等领域的流体仿真有着重要的应用意义。
【图文】：

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比如《２０１２》中犹如猛兽般袭来的洪水和《寻龙诀》中气势镑礴的水流逡逑等等，这些仿真特效给人们带来了一场场惊艳的视觉效果，，票房收益也屡创新高。逡逑图１．１（ａ）是电影《少年派的奇幻漂流》中模拟的大海模拟画面，让观众感受到大逡逑海的惊艳宏伟，极大提高了观影体验真实度；图１．１（ｂ）是《海洋奇缘》中的一个逡逑片段，充分展现了色彩鲜明的画面，给电影观众很不错的视觉体验。可以说，如逡逑果没有电脑特效，电影工作人员很难将这种唯美绚丽的场景展现出来，因而在电逡逑影领域，很多仿真模拟现实事物的影片假如电脑特效没有参与其中，就很难取得逡逑现在已有的成绩。逡逑逦逡逑ｍｍ逡逑一邋ｄ：逡逑（ａ）《少年派的奇幻漂流》中的海洋逦（ｂ）《海洋奇缘》中掀起的水浪逡逑图１．１电影场景中的流体特效模拟逡逑流体仿真算法的不断完善和图形显卡性能的提高，电脑游戏和手机游戏中也逡逑出现了效果不错的复杂流体仿真，例如图１．２（ａ）中大型策略射击游戏《绝地求生》逡逑中游艇在海中行驶产生水花的场景；图１．２（ｂ）中海战手机游戏《战舰世界闪击战》逡逑１逡逑

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（ａ）《绝地求生》游艇极速前进逦（ｂ）《战舰世界闪击战》中海上交战逡逑图１．２视频游戏中的流体仿真逡逑另外，流体模拟在自然灾害模拟及应援救助方面意义重大。尤其是针对我国逡逑的疆域辽阔，整个地域面积广大，拥有着很多类型的气候分布，同时地势地貌不逡逑尽相同，风暴海啸、水泥流洪水、地震、山地滑坡、洪涝干旱、干燥或人为造成逡逑火灾等情况都有可能发生，并且有着极大的破坏性，这些不但影响威胁了人们的逡逑正常生活质量，并且会对社会经济发展有一定的冲击。然而这些自然灾害何时发逡逑生，在哪发生，我们并不能控制，但是我们可以针对此做出正确的应对方式，来逡逑尽量降低灾害带来的损失。因此，为了更好地预防，可以通过流体模拟方法来重逡逑现这些灾害的发生
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O35

【参考文献】