基于粒子的結(jié)冰模擬.pdf

1、基于物理方法的自然場(chǎng)景建模在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域是一個(gè)充滿(mǎn)挑戰(zhàn)的研究方向。結(jié)冰場(chǎng)景是自然場(chǎng)景不可或缺的重要組成部分，在數(shù)字娛樂(lè)和虛擬仿真等方面有著廣泛的應(yīng)用。作為一種復(fù)雜的自然材質(zhì)，冰有著豐富的視覺(jué)細(xì)節(jié)特征，包括氣泡、裂痕和體積膨脹。以圖形學(xué)的表現(xiàn)方式對(duì)結(jié)冰過(guò)程的復(fù)雜特征進(jìn)行人工建模是一個(gè)枯燥的工作。最近，研究者對(duì)包括冰柱、冰霜等特定的冰形態(tài)類(lèi)型在基于物理方法的模擬上給與了很大的關(guān)注。對(duì)一定體積的冰的豐富視覺(jué)特征的描繪，包括其形成過(guò)程的物理

2、模擬也得到了一定的研究。
　　然而，現(xiàn)有的結(jié)冰模擬算法對(duì)于解決在流動(dòng)狀態(tài)下的水結(jié)冰現(xiàn)象的模擬仍是不足夠的。在這種動(dòng)態(tài)的結(jié)冰過(guò)程中，水的運(yùn)動(dòng)特性扮演了一個(gè)重要的角色。為了減少建模的代價(jià)和更有效地模擬多樣的結(jié)冰現(xiàn)象，本論文提出了一個(gè)基于粒子方法的動(dòng)態(tài)結(jié)冰物理模型。首先，我們以流體對(duì)水進(jìn)行建模，構(gòu)建一個(gè)基于粒子方法的動(dòng)態(tài)結(jié)冰模擬框架。然后，在此基礎(chǔ)上，改進(jìn)熱量擴(kuò)散方程來(lái)準(zhǔn)確求解溫度變化問(wèn)題。對(duì)于冰的非透明性質(zhì)，根據(jù)粒子間的相對(duì)距離來(lái)模擬

3、不透明氣泡的均勻擴(kuò)散過(guò)程。接著，我們采用了一個(gè)混合的固化方法來(lái)模擬結(jié)冰的穩(wěn)定相變過(guò)程。最后，在基于粒子方法的模擬框架中，對(duì)于包含固液碰撞、摩擦、表面吸附和冰融化的多樣結(jié)冰現(xiàn)象進(jìn)行了有效模擬。結(jié)果表明，本文的方法對(duì)于模擬流水的動(dòng)態(tài)結(jié)冰現(xiàn)象十分有效和穩(wěn)定，同時(shí)，可以得到非常真實(shí)的視覺(jué)外觀，令人信服的動(dòng)畫(huà)效果以及可控的結(jié)冰條件。本論文的主要貢獻(xiàn)包括以下四個(gè)方面：
　　(1)提出了一套基于粒子的動(dòng)態(tài)結(jié)冰模擬方法。我們用粒子來(lái)表示水和冰，通

4、過(guò)流體來(lái)對(duì)水的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行建模。流體的引入使得水的運(yùn)動(dòng)過(guò)程的表現(xiàn)更加靈活，并且在結(jié)冰結(jié)束時(shí)保持更豐富和自然的冰體形狀。同時(shí)，結(jié)冰過(guò)程中的體積膨脹現(xiàn)象可以得到很好的表現(xiàn)。基于粒子的方法解除了空間的限制，因此，可以得到更真實(shí)的結(jié)冰過(guò)程動(dòng)畫(huà)。另外，基于粒子的流體模擬可以方便地實(shí)現(xiàn)固液交互的多樣結(jié)冰現(xiàn)象。更重要的是，基于物理的結(jié)冰子過(guò)程可以很好地用粒子方法耦合，來(lái)共同構(gòu)建一個(gè)合適、可擴(kuò)展的結(jié)冰算法框架。
　　(2)提出了一個(gè)準(zhǔn)確合理的結(jié)冰過(guò)程

5、物理模型，在基于粒子的框架中求解熱量傳遞和氣泡擴(kuò)散過(guò)程。為了得到一個(gè)準(zhǔn)確的熱量傳遞過(guò)程，本文采用了一個(gè)改進(jìn)的溫度變化求解方程，該方程降低了求解復(fù)雜度，并考慮了冰和水的熱學(xué)性質(zhì)差異。不同的結(jié)冰速率、方向可以通過(guò)用戶(hù)自定義的參數(shù)來(lái)控制。另外，非透明氣泡的擴(kuò)散考慮了粒子間的相對(duì)距離，可以到了一個(gè)接近真實(shí)的氣泡分布狀況。
　　(3)提出了一個(gè)穩(wěn)定的混合固化模型。本論文根據(jù)粒子的狀態(tài)將結(jié)冰的相變過(guò)程分為兩個(gè)階段，在近似固體階段使用基于粒子狀