基于物理的大規(guī)模流體場景模擬算法研究.pdf

1、基于物理的大規(guī)模流體場景模擬算法研究基于物理的大規(guī)模流體場景模擬算法研究TheResearchabouttheAlgithmofPhysicallybasedLargeScaleFluidSimulation學科專業(yè)：計算機科學與技術研究生：石兵指導教師：劉艷副教授天津大學計算機科學與技術學院二零一四年十二月摘要近年來，基于物理的流體仿真技術受到了眾多圖形學研究者的關注，因為不管是在電子游戲、電影視頻還是虛擬現(xiàn)實等領域中，它都有著重要的

2、研究與應用價值。實現(xiàn)一個準確、實時、基于物理的流體仿真器是這一領域的研究目標，但是準確性與實時性往往難以同時滿足。為了選擇合適的實時流體仿真方法，本文首先給出了一個使用基于網(wǎng)格的歐拉法進行煙仿真的實例，通過該實例說明歐拉法不適合進行實時大規(guī)模流體仿真。因此本文采用SPH方法以及它的一些擴展在GPU上實現(xiàn)了一個實時流體仿真框架，并結合一個基于屏幕空間的渲染方法實現(xiàn)了對三維水體、多相流等場景的實時模擬與渲染。在利用SPH方法進行流體仿真時，

3、采用Tait方程來滿足流體的不可壓縮性。標準SPH方法存在拉伸不穩(wěn)定性的問題，本文采用一種簡單的密度修正辦法來解決這一問題。消除拉伸不穩(wěn)定性后帶來一個副作用是降低了粒子之間的內聚力，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，我們引入一個人工張力項來模擬表面張力現(xiàn)象。對于邊界處理，本文同時實現(xiàn)了基于懲罰力和在邊界處采樣虛擬粒子這兩種方法，并通過實驗對比發(fā)現(xiàn)采樣虛擬粒子的方法在碰撞檢測以及碰撞響應方面均要好于懲罰力。對于多相流，本

4、文采用經(jīng)由數(shù)值密度修改過的SPH方法進行模擬。通過實驗發(fā)現(xiàn)，使用此方法模擬多相流時會出現(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浮于高密度粒子表面的現(xiàn)象，本文通過引入一個人工浮力解決了此問題。本文采用一種基于屏幕空間的渲染方法來渲染最終的流體，該方法利用曲率流的思想來平滑表面深度，然后根據(jù)平滑后的深度信息計算出表面法線。同時該方法采用一個額外的pass來獲得流體的厚度信息，以此作為流體著色的重要依據(jù)。關鍵詞：關鍵詞：基于物理的