基于物理的大規(guī)模流體場(chǎng)景模擬算法研究.pdf

1、基于物理的大規(guī)模流體場(chǎng)景模擬算法研究基于物理的大規(guī)模流體場(chǎng)景模擬算法研究TheResearchabouttheAlgithmofPhysicallybasedLargeScaleFluidSimulation學(xué)科專(zhuān)業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)研究生：石兵指導(dǎo)教師：劉艷副教授天津大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院二零一四年十二月摘要近年來(lái)，基于物理的流體仿真技術(shù)受到了眾多圖形學(xué)研究者的關(guān)注，因?yàn)椴还苁窃陔娮佑螒颉㈦娪耙曨l還是虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域中，它都有著重要的

2、研究與應(yīng)用價(jià)值。實(shí)現(xiàn)一個(gè)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、基于物理的流體仿真器是這一領(lǐng)域的研究目標(biāo)，但是準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性往往難以同時(shí)滿足。為了選擇合適的實(shí)時(shí)流體仿真方法，本文首先給出了一個(gè)使用基于網(wǎng)格的歐拉法進(jìn)行煙仿真的實(shí)例，通過(guò)該實(shí)例說(shuō)明歐拉法不適合進(jìn)行實(shí)時(shí)大規(guī)模流體仿真。因此本文采用SPH方法以及它的一些擴(kuò)展在GPU上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)實(shí)時(shí)流體仿真框架，并結(jié)合一個(gè)基于屏幕空間的渲染方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維水體、多相流等場(chǎng)景的實(shí)時(shí)模擬與渲染。在利用SPH方法進(jìn)行流體仿真時(shí)，

3、采用Tait方程來(lái)滿足流體的不可壓縮性。標(biāo)準(zhǔn)SPH方法存在拉伸不穩(wěn)定性的問(wèn)題，本文采用一種簡(jiǎn)單的密度修正辦法來(lái)解決這一問(wèn)題。消除拉伸不穩(wěn)定性后帶來(lái)一個(gè)副作用是降低了粒子之間的內(nèi)聚力，從而使流體的表面張力現(xiàn)象消失了，因此在密度修正之后，我們引入一個(gè)人工張力項(xiàng)來(lái)模擬表面張力現(xiàn)象。對(duì)于邊界處理，本文同時(shí)實(shí)現(xiàn)了基于懲罰力和在邊界處采樣虛擬粒子這兩種方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)采樣虛擬粒子的方法在碰撞檢測(cè)以及碰撞響應(yīng)方面均要好于懲罰力。對(duì)于多相流，本

4、文采用經(jīng)由數(shù)值密度修改過(guò)的SPH方法進(jìn)行模擬。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用此方法模擬多相流時(shí)會(huì)出現(xiàn)某些地方聚集低密度粒子以至于這些低密度粒子最終不會(huì)浮于高密度粒子表面的現(xiàn)象，本文通過(guò)引入一個(gè)人工浮力解決了此問(wèn)題。本文采用一種基于屏幕空間的渲染方法來(lái)渲染最終的流體，該方法利用曲率流的思想來(lái)平滑表面深度，然后根據(jù)平滑后的深度信息計(jì)算出表面法線。同時(shí)該方法采用一個(gè)額外的pass來(lái)獲得流體的厚度信息，以此作為流體著色的重要依據(jù)。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：基于物理的