基于PBD算法的雪崩场景真实感建模与绘制

发布时间：2021-01-12 15:40

　　雪崩是一种冬天积雪山坡区域常见的自然灾难景象,其危害是会对人们生命财产和冬季运动造成危险、阻断交通。雪崩灾难景象的真实感建模与绘制技术在灾难预防和救助、计算机动画和影视特效制作、游戏开发等领域有着重大的应用价值,但现有雪场景模拟方法不能有效地模拟雪崩动态景象的物理特征及其变化。为此,本文基于位置动力学（PBD）框架对雪崩场景真实感建模与绘制方法进行了改进实现。该方法综合了计算机图形学、地质学和力学等多学科的知识对动态雪崩场景的发生、运动及淹没效果进行了物理建模,并采用了GPU加速技术,提高了模拟的效率;首次通过引入宾汉体本构模型,改进了内力约束模型以及外力模型,从而能够真实地绘制出不同条件下大规模雪崩动态场景。本文第二章介绍雪崩模拟的理论基础。对雪崩发生的成因及基于位置动力学的可变形连续材质模拟框架进行了描述;针对雪崩特点引入了特定的本构模型;并阐述引入宾汉体本构模型对雪粒子流中内力约束模型以及外力模型的改进,介绍了雪崩动态过程的模拟流程。本文第三章介绍雪崩动态景象的物理建模。采用了雪材质粘塑性模型以模拟雪流的动力学特性及堆积效果;引入雪材质摩擦力模型实现雪流稳定时的堆积效应;采用水平... 

【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：84 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

体绘制技术示意图

浙江大学硕士学位论文第2章雪崩模拟的理论基础16该算法框架的模拟计算流程。2.1雪崩现象简介由于积雪的凝聚力以及摩擦力无法抗拒所受重力等外力因素时，便会产生滑动，引起大量的积雪崩塌，这种自然现象称为雪崩，雪崩被定义为一种严重的自然灾害。通常雪崩发生在坡度为25度至50度的山坡上,坡度更小的山坡不容易产生雪崩，同样若坡度过高，难以形成足够厚度积雪，也无法产生雪崩。积雪比较松软，在外界作用下，雪水等渗入下层雪层，降低了下方雪层的抗剪强度以及粘性、凝聚力等，形成多个雪层，如果某雪层的部分受力平衡打破，开始下滑，在多米诺骨牌效应下造成雪层大量积雪下滑。造成下滑的原因较多，从一般角度分析受力原因是造成如果此时由于声音、震动甚至重力等原因使得雪层之间本身力的平衡被打破，造成滑动发生。图2-1山坡上雪崩产生的示意图如图2-1所示为山坡上雪崩产生的示意图。雪崩发生时山坡上积雪可分为多个雪层，当雪层间抗剪强度、粘性、凝聚力聚力等降低，受力平衡被破坏后，表层雪将发生坍塌，从而产生雪崩流动。2.1.1雪崩研究的不同视角分类雪崩具有发生时间地点不可预测、发生形式多样以及成因复杂等特点，通常无法使用一个统一的物理模型进行建模。通常相关研究从微观和宏观的两个角度

浙江大学硕士学位论文第3章雪崩动态景象的物理建模32粘性表现为作用在相邻粒子之间径向的粘附力。这些力会在每个时间步长开始时更新粒子速度，然后再更新其预测位置并进行校正。粘性约束算法见算法2表，对速度进行修正时，首先计算粒子朝向粒子运动的速度，以及粒子与粒子的相对距离，并与设置参考粒子距离参数计算比值，若距离小于参考距离，则继续计算。设为投影速度差，当径向速度差为正时，可通过乘以通过公式（3-9）计算得到的有效粘度′以及0至1之间的刚度系数，即可得到更新后的速度。算法2粘性约束算法1:for所有邻域粒子：2:计算←3:ifq<14:v←()//计算内向径向速度5:if>06:←(1)(′)7:←/28:←/29:endfor3.1.2雪流弹塑性模型雪材质通常使用弹塑性模型进行建模，通常情况下，雪材质可以抵御重力等作用不发生形变，而当施加的力过大而使受力超过屈服应力时，雪出现压缩或形变等塑性形变现象，因此采用具有屈服应力条件的弹塑性模型对其进行建模非常合适。图3-1弹塑性模型发生弹塑性形变示意图

【参考文献】：
期刊论文
[1]大规模雪场景的实时绘制[J]. 单宇翔,王章野,杨春燕,彭群生.  计算机辅助设计与图形学学报. 2013(08)
[2]自然雪景的构造和绘制[J]. 陈彦云,孙汉秋,郭百宁,吴恩华.  计算机辅助设计与图形学学报. 2003(01)

硕士论文
[1]雪场景的建模和实时绘制研究[D]. 单宇翔.浙江大学 2013



本文编号：2973058