小规模场景流固实时交互的研究与实现

小规模场景流固实时交互的研究与实现

论文摘要

小规模流固实时交互模拟一直是计算机图形学领域的热门研究方向,模拟出具有真实感、符合自然现象的流固交互效果是广大图形学研究者的目标。目前,传统的流体模拟更侧重于流体真实感的模拟,而忽视了流体渲染效率低、不实时的问题;此外,目前流固交互模拟的研究工作也比较少。为了解决上述问题,本文将在流固实时交互和流体实时渲染方面进行探索研究,主要工作内容如下。首先,为了更好地模拟小规模场景中不同状态流体的表面细节和运动细节,以及更好地控制流体运动状态,采用基于拉格朗日框架的光滑粒子流体动力学(SPH)方法进行流体建模,分析流体动力学的原理、光滑核函数以及流体模拟过程中流体粒子的受力情况,并指出流体模拟过程中需要注意的问题,为后续流固实时交互模拟奠定了基础。其次,针对气态流体运动变化多端、表面细节复杂多样的特点,引入柏林噪声函数用以生成随机数,控制烟雾在运动时的粒子速度和粒子生命周期,使速度和生命周期在一定的范围内随机变化,而不是一个固定值,从而模拟气体运动表面不规则、运动随机性以及随机消散的运动特点,使气体运动更具层次感。再次,为了进一步提高流固交互模拟效率,本文提出了一种固定边界反作用力模型,使用三角网格进行固体障碍物的建模,在固体边界施加一层反作用力,当检测到流体粒子进入这个反作用力的影响范围时,对其产生反作用以阻止流体粒子继续运动,从而有效防止了流体穿透固体的可能性。固体边界反作用力模型不需要在固体边界进行粒子采样,简化了流固交互模拟的复杂度,提高模拟效率。此外,为了使流体粒子与固体边界发生碰撞后不发生完全弹性碰撞,引入恢复系数来修正碰撞后的粒子速度和动能,使交互后的流体运动更真实自然。最后,借助Unity3d引擎搭建实验场景,设计和实现小规模场景流固实时交互模拟。为了提高模拟的真实感和实时性,针对不同状态的流体采用不同的渲染方法。利用基于屏幕空间的方法渲染液态流体,提出扩展粒子系统的方法对气体流体进行渲染,同时使用Unity着色器语言完成流体实时渲染工作。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  •   1.1 课题背景与意义
  •   1.2 国内外研究工作现状
  •     1.2.1 流体模拟研究现状概述
  •     1.2.2 流固交互模拟研究现状
  •   1.3 流固实时交互模拟的难点与问题分析
  •   1.4 研究内容与预期研究目标
  •   1.5 论文组织结构
  • 第2章 基于SPH方法的流体建模
  •   2.1 流体动力学原理分析
  •   2.2 光滑粒子流体动力学
  •     2.2.1 光滑核函数
  •     2.2.2 SPH方法的基本方程推导
  •     2.2.3 分析相邻粒子搜索方法
  •   2.3 引入柏林噪声函数
  •   2.4 本章小结
  • 第3章 流体与固体的交互模拟
  •   3.1 构建固体边界模型
  •     3.1.1 传统固体边界处理方法
  •     3.1.2 改进的固体边界模型
  •   3.2 流体与固体边界的碰撞处理
  •     3.2.1 时间积分的选用
  •     3.2.2 流固碰撞检测
  •     3.2.3 流固碰撞处理的改进
  •   3.3 本章小结
  • 第4章 流体真实感渲染研究
  •   4.1 传统流体渲染方法分析
  •     4.1.1 Marching Cubes算法分析
  •     4.1.2 光线跟踪算法分析
  •   4.2 实时流体渲染方法探索
  •     4.2.1 使用基于屏幕空间的方法渲染液体
  •     4.2.2 提出扩展粒子系统方法渲染气体
  •   4.3 本章小结
  • 第5章 小规模场景流固实时交互系统的设计与实现
  •   5.1 实验开发环境与平台分析
  •   5.2 小规模场景流固实时交互系统的设计与实现
  •     5.2.1 系统功能模块设计
  •     5.2.2 流固实时交互模拟系统运行流程
  •   5.3 实验效果及对比分析
  •     5.3.1 小规模场景流体运动效果展示与分析
  •     5.3.2 流固实时交互模拟及流体渲染的对比与分析
  •     5.3.3 小规模场景流固交互模拟实时性分析
  •   5.4 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
  • 致谢
  • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 高虎

    导师: 唐勇

    关键词: 流体模拟,固体边界模型,流固交互,碰撞处理,实时渲染

    来源: 燕山大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,信息科技

    专业: 力学,计算机软件及计算机应用

    单位: 燕山大学

    分类号: O35;TP391.41

    DOI: 10.27440/d.cnki.gysdu.2019.000571

    总页数: 69

    文件大小: 8312K

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