基于物理的真实感流体模拟研究.pdf

摘要计算机图形学是虚拟现实与数字媒体技术的核心。虚拟现实、电影特效以及电子游戏的强大需求,不仅推动着工业界不断提升图形处理硬件的性能,学术界也积极投身其中。然而在交互式高沉浸感的虚拟环境中,依然存在着诸多基础性的研究问题与挑战,其中逼真的实体运动模拟问题尤为突出。作为计算机图形学的一个分支,计算机动画是计算机图形学和艺术相结合的产物。在构建未来高沉浸感虚拟现实系统中,对计算机动画的研究将具有举足轻重的战略作用。因此,计算机动画始终处在研究的前沿,人们不仅需要静态形象的真实感,也需要运动的真实感。而真实运动的复杂度往往使得人们难以用一些过程表述,这个时候只有借助于真实世界的物理规律才能得以体现。基于物理的动画已成为计算机动画领域中的一个前沿研究热点。基于物理的动画模拟使得人们摆脱传统僵硬的“固定动画”成为可能,因此具有非常强的前瞻性。基于物理的计算机动画一方面使得本身体现的现象能充分满足人们对真实感的需要;另一方面减轻了程序开发人员和艺术家的劳动强度。本文以基于物理的计算机动画作为研究目标,对这一课题的研究着重集中在以下三个方面:第一,对基于物理的流体动画模拟算法作出了全面的研究和透彻的分析,在此基础上提炼出了真实感流体模拟的关键问题;第二,针对真实感流体模拟的核心问题,提出了基于物理的真实感流体动画模拟的改进算法;第三,实现了无网格流体动画模拟的算法,对算法的运行结果进行了充分的比较和分析,并就未来的研究热点进行了展望。本文算法的主要贡献和创新点在于如下工作:①在涉及流固耦合边界运动的模拟中,提出基于物理采样因子的多分辨率流体模型和真实感流固双向同步耦合模拟方案,解决了传统算法的异步误差问题;②针对热力学三态相变的模拟,提出基于流固包容模型的平滑相态转变算法,并设计出高适应性的粒子表面重构方法;③提出多分辨率流体物理模型的概念,针对不同尺度范围的流体动画采用不同的物理模拟方法,构建一个平滑过渡的流体动画模拟系统。关键词:计算机动画,物理模型,流体模拟,拉格朗日,纳维一斯托克斯方程组
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导师签名:。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。C艿难宦畚脑诮饷芎笥ψ袷卮斯娑签名:日期:年月日
第一章引言课题背景浩黼的大海和无情的狂风暴雨;巨型战船在海洋中破浪行驶:海怪身上各型怪异的触须⋯⋯那是如此的美丽真实,这一幕来自于年的特效电髟《加勒比海盗罚饬钊苏鸷车氖泳跣Ч澈笫羌扑慊夹渭际醯牧芾炀≈碌挠τ茫擅国的工业光魔曲公司完成。该公司从年至年获得奥斯卡最佳视觉奖提名次。而今特效的应用越来越普遍,已经成为一种必需的手段。如《指环王和跽呶薜小分万人的战争场面,《终结者》中液态金埘变形的过程等等。更不要说那些电影了,如年《艾尔文与花栗鼠》中的小动物花栗鼠的毛发效果。这些无不体现了计算机图形技术的价值所在。杉拦鶶笱ё钚碌牧魈宥D庋芯砍晒另一个重要的计算机图形技术的强力推动力量是电子游戏。游戏的发展使人们对计算机画面的真实感要求越来越高,电影级的游戏效果成为人们追求的目标,而且整个游戏过程必须实时运行。作为汁算机图形学的一个分支,计算机动噙褆是由图第一章图美国大学图形学实验室的研究成粜截图
。它是伴随着计算机硬件和图形算法高速发展起来的一门高新技术,它综合利用计算机科学、艺术、数学、物理学和其它相关学科的知识,在计算机上生成绚丽多彩的连续虚拟真实画面,给人们提供了一个充分展示个人想象力和艺术才能的新天地。计算机动画始终处在研究的前沿,人们不仅需要形象的真实感,也需要运动的真实感。而真实运动的复杂度往往使得人们难以用一些过程表述,这个时候只有借助于真实世界的物理规律才能得以体现。真实的背后就是物理,物理描述了物体如何运动、如何动作以及它们之间如何相互影响。然而,一方面,这个世界的有些物理规律本身很复杂,对于表面现象的物理描述并不是很好,这些对应的学科发展也尚不成熟,因此在计算机图形学领域里也很难建立一个比较完善的物理模型;另一方面,即使存在一个模