本文選題：三維重建　切入點(diǎn)：流體仿真　出處：《華東師范大學(xué)》2016年碩士論文

【摘要】：氣體,液體,多相流和混合流等流體現(xiàn)象,具有極其復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,而流體重建和仿真在工程應(yīng)用與理論研究等方面必不可少。波濤洶涌的海浪、洪水決堤、泥石流災(zāi)難等流體仿真效果在電影游戲特效制作、災(zāi)難模擬防治、國防科技等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)生成流體動(dòng)畫方法主要是基于物理的流體仿真方法,這類方法從某個(gè)初始狀態(tài)開始,通過數(shù)值積分的方式來仿真流體力學(xué),算法效率較低。另一方面,基于視頻的流體重建方法可以較方便的重建流體表面,獲得流體表面的幾何信息。但是此類方法重建的表面只有單層數(shù)據(jù),不能在物理模型驅(qū)動(dòng)下與周圍的環(huán)境進(jìn)行雙向交互。本文首先采用明暗恢復(fù)形狀方法(SFS, Shape From Shading)對視頻中的流體表面幾何信息進(jìn)行快速重建,獲得每幀輸入圖像的表面高度場。然后將高度場與淺水方程結(jié)合,通過最小化能量方程的形式計(jì)算得出流體表面的速度場。重建的數(shù)據(jù)(包含高度場和速度場)作為真實(shí)數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)基于物理的流體仿真。仿真階段首先將表面幾何信息作為邊界約束條件離散化到整個(gè)三維體內(nèi)部,獲得體數(shù)據(jù)(多個(gè)帶有位置和速度信息的體粒子)。然后將視頻中重建的體數(shù)據(jù)導(dǎo)入到SPH仿真場景,作為仿真場景的初始條件,并與場景中的其他虛擬環(huán)境物體進(jìn)行交互。為了解決物理仿真偏離重建數(shù)據(jù)的問題,不斷使用下一幀重建的體數(shù)據(jù)來校正仿真場景數(shù)據(jù)。最終獲得的流體交互動(dòng)畫中,非交互區(qū)域流體接近視頻中重建的流體表面,而局部區(qū)域加入了新的交互效果,整個(gè)仿真場景由物理模型與重建的數(shù)據(jù)共同校正。本文對基于視頻的流體表面重建與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的物理仿真的結(jié)合性進(jìn)行了探索,充分利用流體視頻中重建的信息,并結(jié)合SPH物理模型來進(jìn)行流固耦合仿真。相比于傳統(tǒng)重建與仿真方法,可以獲得更接近于流體視頻數(shù)據(jù)的流固耦合仿真效果。
[Abstract]:Fluid phenomena such as gas, liquid, multiphase flow and mixed flow have extremely complex motion rules, and fluid reconstruction and simulation are necessary in engineering application and theoretical research.The turbulent waves, flood, debris flow disaster and other fluid simulation effects have been widely used in the field of film game special effects production, disaster simulation prevention, defense science and technology and so on.The traditional method of generating fluid animation is mainly based on physical fluid simulation. This kind of method starts from a certain initial state and simulates fluid dynamics by numerical integration. The efficiency of the algorithm is low.On the other hand, the video-based fluid reconstruction method can easily reconstruct the fluid surface and obtain the geometric information of the fluid surface.However, the surface reconstructed by this method has only single layer data and can not interact bidirectional with the surrounding environment driven by physical model.In this paper, the shape restoration method, Shape From shading, is used to reconstruct the geometric information of fluid surface quickly, and the surface height field of each frame input image is obtained.Then the velocity field of the fluid surface is calculated by minimizing the energy equation by combining the height field with the shallow water equation.The reconstructed data (including height field and velocity field) are used as real data to drive physical fluid simulation.In the simulation stage, the geometric information of the surface is discretized to the whole three-dimensional body as a boundary constraint condition, and the volume data are obtained (many volume particles with position and velocity information) are obtained.Then the reconstructed volume data in the video is imported into the SPH simulation scene as the initial condition of the simulation scene and interacts with other virtual environment objects in the scene.In order to solve the problem of physical simulation deviating from reconstructed data, the volume data of the next frame is constantly used to correct the simulation scene data.In the final fluid interactive animation, the non-interactive region fluid is close to the reconstructed fluid surface in the video, while the local area is added with a new interactive effect. The whole simulation scene is corrected by the physical model and the reconstructed data.In this paper, the combination of video-based fluid surface reconstruction and data-driven physical simulation is explored to make full use of the reconstructed information in fluid video and SPH physical model to simulate fluid-solid coupling.Compared with the traditional reconstruction and simulation methods, the fluid-solid coupling simulation results are more similar to the fluid video data.
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP391.41;O35

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