基于OpenGL的流体动画模拟研究

论文摘要

近十几年来,随着影视动画、虚拟现实、数字娱乐和计算机游戏等领域的不断发展壮大,计算机动画技术在这些产业的推动下也有着巨大进步,而且随着时代的发展,这一技术将会越来越多的走进人们生活的各个方面。近几年来对流体如云、雾、烟、火、雨、水、礼花等进行模拟,已经成为计算机图形学领域的研究热点。而基于物理的自然景物模拟是人们研究的热点方向,它通过探索真实世界中自然现象的物理本质,利用计算机为物体建立精确的运动模型,从而更加逼真的表现物体的形象和运动。由于自然现象的形成和运动受到许多规律的控制,在这些规律共同作用和影响下,真实准确的用物理方程将其描述出来是非常困难的。虽然现在计算机的处理速度已经非常快了,但是对于处理这么多复杂的方程,这样大的数据量,还是有些困难。所以基于物理的计算机动画总是存在耗时严重的问题,满足不了许多对时间要求较高的图形学应用领域的要求。本文以流体动画模拟作为研究目标,试图在模拟的真实感和效率之间寻求一个良好的平衡点,在损失一定逼真度的情况下达到较好的实时性,满足个别对真实感要求较低,而对显示效率要求略高的游戏的要求。本文对这一课题的研究主要集中在以下两个方面:第一,设计了基于动态云的实时动画模拟。与用分形、隐函数、Perlin Noise、粒子系统等方法相比,本文根据云没有固定的形状和颜色并且运动速度和方向比较自由等特点,采用了更简单的二维纹理图片,通过重复纹理映射技术、缩放、平移及雾化等变换方法实现了对三维云的模拟。其优点是算法简单,容易实现,占用资源少。第二,采用一种非严格的基于物理的方法——粒子系统,设计了一种基于OpenGL的礼花粒子系统的动画模拟。通过分析礼花运动的物理过程,在传统粒子系统模型的基础上,提出用四边形代替传统粒子系统中的粒子,在绘制时将粒子纹理映射到四边形上,依靠该系统来模拟礼花的燃放现象。所使用的两种流体动画模拟算法可应用于计算机游戏和动画相应场景的制作中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 本文的主要研究工作
• 1.2.1 对动态云的实时模拟
• 1.2.2 对礼花的粒子系统模拟
• 1.3 论文结构
• 第二章 研究现状及相关技术
• 2.1 OpenGL 简介
• 2.1.1 OpenGL 的发展史
• 2.1.2 OpenGL 的特点
• 2.1.3 OpenGL 绘制三维图形的基本步骤
• 2.1.4 OpenGL 绘制通道
• 2.2 OpenGL 中的3D 图形学基础
• 2.2.1 投影
• 2.2.2 剪裁
• 2.2.3 光照
• 2.2.4 纹理映射
• 2.3 流体模拟问题的分类
• 2.3.1 烟雾与云彩
• 2.3.2 燃烧与爆炸
• 2.3.3 自由运动界面
• 2.3.4 其他
• 2.4 国内外对流体模拟的研究动态
• 2.4.1 非物理模拟方法
• 2.4.2 基于物理的模拟方法
• 2.4.3 研究趋势
• 2.5 基于流体模拟的算法
• 2.5.1 基于分形迭代的算法
• 2.5.2 基于动态随机生长原理的算法
• 2.5.3 基于纹理的算法
• 2.5.4 大气光学传输模型
• 2.5.5 基于特殊几何实体的算法
• 2.6 小结
• 第三章 基于 OpenGL 的动态云实时模拟研究
• 3.1 引言
• 3.2 OpenGL 纹理映射模拟原理
• 3.3 基于 OpenGL 的动态云的模拟
• 3.3.1 纹理映射模型的建立
• 3.3.1.1 云纹理图像的选择
• 3.3.1.2 重复纹理映射
• 3.4 采用的光照模型
• 3.5 运动模拟
• 3.6 绘制过程
• 3.7 结果分析
• 3.8 小结
• 第四章 基于 OpenGL 的礼花粒子系统模拟研究
• 4.1 粒子系统概述
• 4.1.1 粒子系统的基本思想
• 4.1.2 粒子系统的基本模型
• 4.2 礼花粒子系统模拟
• 4.2.1 引言
• 4.2.2 礼花粒子的结构设计
• 4.2.3 模拟原理
• 4.2.4 粒子属性
• 4.2.5 礼花的运动过程
• 4.2.6 礼花绘制过程
• 4.2.7 实验结果与分析
• 4.2.8 小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 进一步工作
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间撰写和发表的学术论文