基于粒子系统的沉淀模拟

论文摘要

随着计算机图形的发展,计算机图形学已经成为快速、高质量实现事物模拟的坚实理论基础。用计算机生进行真实感图形模拟一直是计算机图形学中的研究重点,而对不规则物体与现象的真实感模拟更是其中的研究重点。目前,粒子系统已经成为公认的模拟不规则物体的最成功方法之一,其优点在于直观、高效、技术成熟稳定。真实感图形模拟的基础在于建立模型,因而模糊物体的模拟一直是图形学的难点之一。特别是对一些自然现象的模拟,如火焰、水流、雨、雪等,这类自然现象由于其本身特点具有随机性、模糊性,因而很难用常规的物理建模和几何建模方法实现。然而这些现象在真实感图形模拟中又是不可缺少的重要元素,因而不规则事物模拟一直是真实感图形模拟的研究热点之一。尽管困难重重,但在国内国外学者的努力探索下,取得了相当的成果。本次研究是采用粒子系统对沉淀现象进行模拟,研究重点是对液体中产生化学反应生成沉淀现象的模拟。一方面考虑到反应发生在液体中,液体的运动将对细小的沉淀粒子产生明显的作用,基于著名公式纳维-斯托克斯公式（Navier-Stokes Equation）求解流体的运动现象成为的研究重点之一。通过研究目前已有的沉淀模型,分析其优点与不足,并在其基础上提出一种新的沉淀模型（GFS）模型。该模型不但细致分析沉淀现象中粒子的受力情况,还添加了仪器模型与水面效果,达到真实的模拟效果。不规则物体的模拟一直是真实感图形模拟的研究难点之一,要模拟沉淀现象就更有挑战性了。用纳维-斯托克斯公式（Navier-Stokes Equation）可以真实的模拟液体的运动规律,确保了模拟的精度。这种方法简单直观,可以大大减少对于沉淀粒子计算的复杂度,确保计算的速度,对不规则事物进行模拟具有重要的科学意义和研究价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和研究内容
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究内容
• 1.2 应用价值与理论价值
• 1.2.1 应用价值
• 1.2.2 理论价值
• 1.3 论文结构与预期成果
• 1.3.1 论文结构
• 1.3.2 预期成果
• 第二章 理论基础
• 2.1 理论基础
• 2.1.1 图形学理论基础
• 2.1.2 计算机图形学应用及其发展
• 2.2 真实感图形显示
• 2.3 不规则物体模拟
• 2.3.1 粒子系统理论
• 2.3.2 基于数学物理模型的模拟方法
• 2.3.3 基于纹理技术的模拟方法
• 2.4 计算流体力学
• 第三章 沉淀模拟建模
• 3.1 模拟的实验过程
• 3.1.1 实验器材
• 3.1.2 实验步骤
• 3.1.3 化学原理
• 3.2 粒子的运动算法解析
• 3.2.1 连续性方程
• 3.2.2 动量方程
• 3.2.3 粘性流动的纳维—斯托克斯方程
• 3.2.4 无粘性流动的欧拉（Euler）方程
• 3.3 粒子系统设计
• 3.3.1 沉淀现象理论
• 3.3.2 现有的沉淀模型
• 3.3.3 新沉淀模型的提出
• 3.3.4 属性分析
• 3.3.5 粒子的产生
• 3.3.6 粒子的运动控制
• 3.3.7 具体模型参数化
• 3.4 沉淀模拟流程
• 第四章 沉淀模拟的实现
• 4.1 编码设计实现
• 4.1.1 开发工具
• 4.2 初高中实验效果演示系统
• 4.3 粒子系统引擎实现
• 4.3.1 粒子定义
• 4.3.2 粒子纹理定义
• 4.3.3 粒子与场景初始化
• 4.3.4 粒子与场景绘制
• 第五章 实验效果对比与分析
• 5.1 效果评价
• 5.2 具体改进
• 5.3 对比分析
• 第六章 总结和展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢