基于物理的氣泡模擬.pdf

1、在眾多美麗的自然現(xiàn)象中，流體以其極為復(fù)雜的表面特征，豐富的視覺效果成為攝影師，電影特效制作者和游戲工作者的研究對(duì)象。在離線渲染領(lǐng)域，出現(xiàn)了大量大規(guī)模運(yùn)用到流體模擬的特效電影(如《海神號(hào)》等)，而在實(shí)時(shí)圖形學(xué)領(lǐng)域，也出現(xiàn)了大量的應(yīng)用流體模擬的各式游戲(如《Cryostasis》等)、和實(shí)時(shí)應(yīng)用程序。隨著人們對(duì)于影視作品或游戲畫面愈來愈高的要求，基于物理的流體模擬方法逐漸得到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的任何和歡迎，近二十年來取得了相當(dāng)多的研究成果，也在

2、工業(yè)界得到了廣泛的應(yīng)用。在流體模擬中，多種不同性質(zhì)的流體之間的交互包括水中的氣泡運(yùn)動(dòng)是個(gè)非常重要的研究方向。本文首先對(duì)基于物理的氣泡模擬技術(shù)給出了一個(gè)全面的前沿性綜述。本文介紹了現(xiàn)在流體模擬的三種主流方法：拉格朗日法、歐拉法和晶格波爾茲曼方法，并對(duì)基于三種方法的氣泡模擬研究進(jìn)行了對(duì)比討論。形變對(duì)于大尺度的氣泡來說，與運(yùn)動(dòng)是同等重要的屬性。本文介紹了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域中彈性物體形變模擬的方法的發(fā)展過程，并結(jié)合近些年來SIGGRAPH、Eur

3、ographics和SCA等會(huì)議上的論文，討論了彈簧質(zhì)點(diǎn)模型、有限元模型、邊界元模型、基于位置的形變模型等主流方法的異同和優(yōu)缺點(diǎn)。然后，本文介紹了一個(gè)基于淺水方程模擬(Shallow Water Simulation)、球狀漩渦(Spherical Vortex)和邊界元方法(Boundary Element Method)的實(shí)時(shí)氣泡模擬框架。首先，我們對(duì)淺水方程進(jìn)行求解，以此來模擬水體和自由水面；然后我們使用球狀漩渦的速度項(xiàng)，對(duì)氣泡之

4、間的速度影響進(jìn)行計(jì)算，以此來模擬氣泡上升的真實(shí)運(yùn)動(dòng)過程；最后我們使用邊界元方法，來模擬上升過程中氣泡的形變過程。本文提出了一種處理氣泡上升中分裂與融合的方法，同時(shí)也闡述了如何使用邊界元方法來處理不同尺度的形變物體。本文基于DirectX使用了高效而逼真的方法對(duì)氣泡和水體進(jìn)行渲染。由于本文提出的算法有著較高的并行性，本文使用CUDA將算法在GPU實(shí)現(xiàn)。最后，本文提供了豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)本算法的效果和效率進(jìn)行了對(duì)比和討論。本文的創(chuàng)新性在于：