運(yùn)動(dòng)剛性物體煙霧隨動(dòng)現(xiàn)象的實(shí)時(shí)仿真算法研究.pdf

1、煙霧等流體在自然場(chǎng)景中扮演著舉足輕重的角色，基于物理的煙霧仿真也一直是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。前人的研究中大部分只考慮了密閉空間中的自然騰升的煙霧模擬，而對(duì)煙霧跟隨運(yùn)動(dòng)物體的變化仍然甚少涉及。煙霧的動(dòng)態(tài)追蹤中，需要實(shí)時(shí)獲取運(yùn)動(dòng)物體的位置與方向的隨機(jī)變化，從而使得煙霧的跟隨運(yùn)動(dòng)復(fù)雜多樣。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種煙霧動(dòng)態(tài)追蹤的方法。
　　首先，根據(jù)N-S方程組建立煙霧物理模型，通過(guò)分析煙霧動(dòng)態(tài)追蹤的需求，考慮到空

2、氣阻力對(duì)煙霧運(yùn)動(dòng)的過(guò)多影響，根據(jù)尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線，建立空氣阻力模型。
　　其次，構(gòu)建自適應(yīng)網(wǎng)格場(chǎng)，引入邊界盒子覆蓋網(wǎng)格區(qū)域，重新定義三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中心，通過(guò)與運(yùn)動(dòng)物體中心數(shù)據(jù)的算法傳遞，實(shí)時(shí)捕捉物體中心與自適應(yīng)網(wǎng)格場(chǎng)中心在可接受偏差內(nèi)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)煙霧的位置追蹤。
　　再次，采用旋轉(zhuǎn)矢量法與位置平移方向分析策略，由物體的運(yùn)動(dòng)方向作用于煙霧，建立力場(chǎng)分析方程更新熱浮力，通過(guò)熱浮力方向因子作用于煙霧方向偏轉(zhuǎn)，解決煙霧的方向追蹤。

3、>　　然后，考慮到煙霧繪制的實(shí)時(shí)性問(wèn)題，利用有限差分法快速求解N-S方程組，對(duì)流項(xiàng)采用MacCormack方法求解，另外考慮到GPU并行性的高效，通過(guò)合理處理線程數(shù)與網(wǎng)格的對(duì)應(yīng)，采用線程組并行處理各項(xiàng)式計(jì)算，提高實(shí)時(shí)性。
　　最后，利用Unity引擎平臺(tái)，結(jié)合C＃語(yǔ)言和shader渲染，設(shè)計(jì)煙霧的動(dòng)態(tài)追蹤模擬系統(tǒng)，對(duì)其方法的實(shí)現(xiàn)以及算法的實(shí)時(shí)性改進(jìn)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明，采用本文的方法可以在實(shí)時(shí)的前提下，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜剛性物體運(yùn)動(dòng)煙霧的隨動(dòng)