论文研究-水流仿真建模综述 .pdf

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水流仿真建模综述,张菁,王艳培,水流仿真技术是计算机图形学中一个很有意义且具有挑战性的课题。经过二十年左右的发展历史,产生了诸如基于粒子系统和基于物理原
山国武花论文在丝 细胞自动札是·个离散的自动机系统,它将流体现象看作由简单的组元构成,不用复杂 方程描述系统,而以系统组元的动态变化为研究基点,通过简单组元以及简单规则产生复杂 的现象。离散是指细胞自动机在有限的时空范围内只有有限状态。年,杨怀平等建 立了基于小振幅波动理论和细胞自动杋的模型,采用邻域传播的思想对水波进行动态造型, 根据在小振幅波理论中水波近似成正弦分布这一规律构造岀不同邻域下水波演变的细孢自 动机模型 )基于分形几何的建模 世纪年代, 等在前人的基础上,第一次系统地阐述了分型几何的思 想,即自然界的海岸线、山、树等自然景象都具有细节无穷回归的自相似性(自然自相似和 统计自相似)。 年 使用随机分形方法( )产生水面高 度域,先采用随机方式产生较大的水面网格中各点的髙度域,然后通过分形产生细分网格, 直到网格点间隔小于某个阈值。 )基于粒子系统的建模 年 提出的粒了系统方法不同于传统的图形学方法,可以充分体现 不规则模糊物体的动怣性和随杋性,可以很好的模拟火焰、烟雾、喷泉、瀑冇等自然景象 文献中采用粒子系统方法成功地实现∫喷泉、瀑布、雨雪等自然景观和现象的模拟。 )基于物理过程的建模 考虑物体在现实世界中的属性,采用动力学原理来产生物体的运动,当场景中的物体所 受外力发生变化时,根据动丿学方程来改变物体的运动状态以及相应的形态信息。这种方法 不用关心物体运动过程的细节,只需要确定物体运动所需要的一些物理属性以及一些约束条 件,如外力等,然后根据数学方程计算得到物体在各个时间的运动状态参数,文献分别 利用基于物理模型的建模技术对水流进行了仿真 除了以上所描述的主要流体建模方法外,还有一些其它的方法,比如 等,这些方法中很多也是流体力学研究中的著名方法。 国内外研究现状 近年来国内外硏究人员在动态流体模拟这个复杂领域取得了显著成就,其中大部分建模 方式是以物理过程为基础,同时结合粒子、网格等具体处理形式,得到了更加细致的模拟效 果 从国内来看, 等通过求解二维布西涅斯方程确定海面的序列高度字段的新 方法来模拟沿海地区的浅水波浪。 等通过采用基于粒子系统的基本颗粒和脂肪颗 粒为原始点的方法,适合于模拟浅水区的各种各样的碎浪,为了提高模拟波的真实性,还加 入了完整的反射和折射效果。 提出了基于模拟和真实渲染的从一个小池 塘到海洋的各种水体的方法。 等将基于噪声纹理模拟沇场流程的方法应用于三 峡与葛洲坝的水流的动态可视化模拟。 提出一个混合的方法模拟玻璃窗格 山国武花论文在丝 上的水滴,水滴的运动模型是基于粒了系统的,水滴的形状根据水滴的水量由粒子转化为高 度图。 国外的处理技术更加先进成熟,模拟的流体现象更加复杂。比如, 提岀一个新的欧拉流体模拟方法它允许实时模拟大规模三缃液体。它的主要思想是把 个广义高度场与表示在它上面的三维网格结合,同时解决」高度字段列和常规的立方网格细 胞的三维欧拉方程。 提出一个结合网格和基于粒子的混合水模拟方 法,并在一个流动的河流沿着山谷与海滩、大石头、陡峭的悬崖和瀑布的各种测试场景中证 明了方法的有效性。 研究趋势 近些年来,诸如 等一些重要的国际会议指出了水流模 拟仿真的研究方向,主要表现在两个方向:、实时性,、逼真性。 实时性:利用硬件资源,并米用噪声纹理 无缝拼接技术,来提高大面积 水流的交互速度并适时渲染。通过顶点着色器和像素着色器 可以被用来计算光学模 型。这将大大减少和之间的数据交换推进三维场景的渲染速度。因此使用图形 硬件用于仿真已成为一个高效、实时的方法。比女 等人采用英特尔奔腾 处理器,在编程环境下采用 和 作为编稈语言,通过基于粒 子系统的方法模拟了浅水区的各种各样的碎浪。 逼真性:就是从视觉方面要求模拟的水流十分真实,从流体动力学方面要求表现出水流 的状态与规律。比如对于瀑布,不仅需要构造出各种地形情况下的动态效果,还需要考虑由 于碰撞而宀生的水花飞溅,还要加入完整的反射和折射效果。目前在逼真性方面主要采用的 方法主要有两种:一是采用基于流体动力学的方法,通过欧拉法 格子 粒了水平集等方法求解方程来实现;二是采用逼頁的渲染技术,如光线跟踪、环境贴 图等。其中 等人利用用户级的着色语言去渲染光的折射与反射效果。 曹红飞为了提高渲染效率,提出了基于纹理的方法在上实现,同时采用四叉 树分块的方法来优化水血网格。 总结 水流虚拟仿真建模一直是电脑游戏、影视特效以及虚拟现实等领域的主要研究热点。本 文给出了水流仿真的应用、技术硏究现状和研究趋势。提高水流的虚拟仿真技术的实时性与 仿真性一直是研究人员的努勹的方向,但是在目前的计算杋软硬件条件下实时性与仿真性往 往难以同时满足。但是随着科技在进步比如技术的发展与成熟,相信这种技术瓶颈会 得到改善。总的来说目前利用的加速功能,结合常用的水流建模方法,能实现水流的 实时模拟,还是得」较真实的仿真效果 山国武花论文在丝 参考文献 方贵盛潘志庚水体虚拟仿真与应用综述计算札仿真 张芹,谢隽毅,吴惠中,等火焰、烟、云等不烑则物体的建模方法研究综述中国图形图像学报 李军基于过程的纹理技术研究浙江师范人学 鄢米斌,李思昆,张秀山虛拟海战场景中的海浪实时建模与绘制技术硏究计算杋研究与发展 杨怀平,孙家广基于海浪谱的波浪模拟系统仿真学报 杨怀平,胡事民,孙家广一种实现水波动画的新算法计算机学报 管宇,邹林灿,陈为,等基于粒子系统的实时瀑布樸拟系统仿真学报 赵静谧,张慧,郑国勤基于粒子系统的喷泉模拟计算机应用研究 马骏,朱衡君基于动态纹和粒子系统的啧泉模拟北尔交通大学学报 方建文,于佥辉,马文龙基于硬件加速和粒子系统的实时喷泉模拟计算机匚程与应用 杨冰,鲁敏基于景物特征的粒子系统建模技术计算机应用研究 徐利明,姜昱明基于粒子系统与 的实时雨雪模拟计算机仿真 聂俊岚陈莉基于粒子系统的可调参数的瀑布模型计算机工程与科学 唐好选李娜基于粒子系统的瀑布樸拟计算机应用硏宄 朱家勇周波聂楠楠基于粒子系统的喷泉模拟应用能源技术 汪继文陆和军张奷姸基于粒子系统的水滴溅碆模型科学技术与工程 胡俊基于粒子系统的动态仿真安徽大学 黄师化汪銖文基于物理模型的水波动画模拟合肥学院学报 吴献基于物理模型的实时水波动画中国科学技术大学 方贵盛,潘志庚水虚拟仿真技术研宄进展系绕仿真学报 旾红飞太湖水场景的模拟技术研究苏州大学

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