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象。在離線渲染領域，出現(xiàn)了大量大規(guī)模運用到流體模擬的特效電影(如《海神號》等)，而在實時圖形學領域，也出現(xiàn)了大量的應用流體模擬的各式游戲(如《Cryostasis》等)、和實時應用程序。隨著人們對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術界和工業(yè)界的任何和歡迎，近二十年來取得了相當多的研究成果，也在

2、工業(yè)界得到了廣泛的應用。在流體模擬中，多種不同性質的流體之間的交互包括水中的氣泡運動是個非常重要的研究方向。本文首先對基于物理的氣泡模擬技術給出了一個全面的前沿性綜述。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，并對基于三種方法的氣泡模擬研究進行了對比討論。形變對于大尺度的氣泡來說，與運動是同等重要的屬性。本文介紹了計算機圖形學領域中彈性物體形變模擬的方法的發(fā)展過程，并結合近些年來SIGGRAPH、Eur

3、ographics和SCA等會議上的論文，討論了彈簧質點模型、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。然后，本文介紹了一個基于淺水方程模擬(Shallow Water Simulation)、球狀漩渦(Spherical Vortex)和邊界元方法(Boundary Element Method)的實時氣泡模擬框架。首先，我們對淺水方程進行求解，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，對氣泡之

4、間的速度影響進行計算，以此來模擬氣泡上升的真實運動過程；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氣泡和水體進行渲染。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實現(xiàn)。最后，本文提供了豐富的實驗數據，對本算法的效果和效率進行了對比和討論。本文的創(chuàng)新性在于：