【摘要】：近年來,GPU技術(shù)快速發(fā)展,流體模擬技術(shù)廣泛應(yīng)用,以及人們對高效真實仿真越來越高的需求,使流體實時仿真及渲染研究一直是計算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域的重要方向之一。光滑粒子流體動力學(xué)(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)方法由于其便于并行計算、不存在數(shù)值耗散、可以捕獲流體細(xì)節(jié)等特點,逐漸成為模擬流體的主流方法。本文主要的研究內(nèi)容有不同交界面氣泡仿真渲染;流固交互泡沫生成實時仿真渲染;流體與可形變固體實時交互仿真渲染。本文的主要工作和研究成果如下:(1)提出基于速度的碰撞模型實現(xiàn)流固交界面耦合來模擬氣泡產(chǎn)生。首先依據(jù)SPH方法,將整個粒子模型區(qū)分為流體粒子和氣泡粒子進(jìn)行建模,其次利用氣泡粒子的坐標(biāo)位置對自由液面進(jìn)行耦合,然后在此基礎(chǔ)上,在流固交界面對流體粒子的運(yùn)動速度建模處理,實現(xiàn)流固界面耦合,模擬氣泡產(chǎn)生。另外,通過對Mitsuba渲染器的學(xué)習(xí)研究,渲染出流體氣泡運(yùn)動的形態(tài),模擬現(xiàn)實生活中水流運(yùn)動效果。(2)提出基于CUDA架構(gòu),改進(jìn)泡沫生成算法,實時仿真流固交互泡沫產(chǎn)生場景。首先改進(jìn)泡沫生成概率的計算模型;其次將算法在GPU上并行處理;然后對流體和泡沫的渲染技術(shù)進(jìn)行研究,通過OpenGL緩沖區(qū)對流體和泡沫分開渲染繪制。(3)基于CUDA架構(gòu),提出約束限制條件模型實時仿真流體與可形變固體交互發(fā)生形變。首先通過對固體粒子運(yùn)動進(jìn)行拉伸性和彎曲性約束限制來實現(xiàn)形變模擬,然后將泡沫生成算法與其進(jìn)行融合,實現(xiàn)在流固碰撞發(fā)生形變過程中產(chǎn)生泡沫的效果。本文首先提出基于速度的碰撞模型來實現(xiàn)交界面處的耦合,模擬氣泡的產(chǎn)生;其次基于CUDA架構(gòu),改進(jìn)泡沫生成算法,實時模擬流固交互場景;最后提出約束限制模型,并與改進(jìn)的泡沫算法融合,實時模擬流體與可形變固體交互場景。由實驗結(jié)果可以看出,氣泡、泡沫等細(xì)節(jié)現(xiàn)象的產(chǎn)生可以增強(qiáng)模擬的真實性,這也對視頻游戲、虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域的流體仿真有著重要的應(yīng)用意義。
【圖文】：

比如《２０１２》中猶如猛獸般襲來的洪水和《尋龍訣》中氣勢鎊礴的水流逡逑等等，這些仿真特效給人們帶來了一場場驚艷的視覺效果，，票房收益也屢創(chuàng)新高。逡逑圖１．１（ａ）是電影《少年派的奇幻漂流》中模擬的大海模擬畫面，讓觀眾感受到大逡逑海的驚艷宏偉，極大提高了觀影體驗真實度；圖１．１（ｂ）是《海洋奇緣》中的一個逡逑片段，充分展現(xiàn)了色彩鮮明的畫面，給電影觀眾很不錯的視覺體驗。可以說，如逡逑果沒有電腦特效，電影工作人員很難將這種唯美絢麗的場景展現(xiàn)出來，因而在電逡逑影領(lǐng)域，很多仿真模擬現(xiàn)實事物的影片假如電腦特效沒有參與其中，就很難取得逡逑現(xiàn)在已有的成績。逡逑邐逡逑ｍｍ逡逑一邋ｄ：逡逑（ａ）《少年派的奇幻漂流》中的海洋邐（ｂ）《海洋奇緣》中掀起的水浪逡逑圖１．１電影場景中的流體特效模擬逡逑流體仿真算法的不斷完善和圖形顯卡性能的提高，電腦游戲和手機(jī)游戲中也逡逑出現(xiàn)了效果不錯的復(fù)雜流體仿真，例如圖１．２（ａ）中大型策略射擊游戲《絕地求生》逡逑中游艇在海中行駛產(chǎn)生水花的場景；圖１．２（ｂ）中海戰(zhàn)手機(jī)游戲《戰(zhàn)艦世界閃擊戰(zhàn)》逡逑１逡逑

（ａ）《絕地求生》游艇極速前進(jìn)邐（ｂ）《戰(zhàn)艦世界閃擊戰(zhàn)》中海上交戰(zhàn)逡逑圖１．２視頻游戲中的流體仿真逡逑另外，流體模擬在自然災(zāi)害模擬及應(yīng)援救助方面意義重大。尤其是針對我國逡逑的疆域遼闊，整個地域面積廣大，擁有著很多類型的氣候分布，同時地勢地貌不逡逑盡相同，風(fēng)暴海嘯、水泥流洪水、地震、山地滑坡、洪澇干旱、干燥或人為造成逡逑火災(zāi)等情況都有可能發(fā)生，并且有著極大的破壞性，這些不但影響威脅了人們的逡逑正常生活質(zhì)量，并且會對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展有一定的沖擊。然而這些自然災(zāi)害何時發(fā)逡逑生，在哪發(fā)生，我們并不能控制，但是我們可以針對此做出正確的應(yīng)對方式，來逡逑盡量降低災(zāi)害帶來的損失。因此，為了更好地預(yù)防，可以通過流體模擬方法來重逡逑現(xiàn)這些災(zāi)害的發(fā)生
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O35

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2671792