大规模场景中真实感风场作用的实时模拟研究

论文摘要

自然场景的动态模拟一直是虚拟现实和计算机图形学中一个重要的研究领域,它在计算机动画、影视制作、虚拟现实、三维数字展示和战场模拟方面都有非常广泛的应用。风作为自然场景中不可缺少的元素,人们很早就开始尝试用计算机进行风和物体的交互式模拟。但由于风的机制非常复杂,风力大小和风向随时变化,风的类型也丰富多样,使得在风场作用下模拟大规模物体的运动成为一个富有挑战性的问题。本文基于空气动力学的特性,对风场模型进行分析,围绕龙卷风的实时模拟和树木在风中的摇曳技术展开研究。本文的目标是大规模的物体在风场作用下能实现快速的模拟和真实感的运动。为此,本文对一些关键性的问题进行了研究和探索,包括以下几个方面:第一,龙卷风的真实感建模。本文在第四章采用基于龙卷风的三维螺旋结构理论,利用大气动力和热力学方程组计算龙卷风的三维速度场的方法,选取较为简单的几何模型,较好地实现了物体与龙卷风的交互。为了实现龙卷风的螺旋扭曲效果,本文在第五章采用粒子系统对粒子进行建模,基于空气动力学的特性,通过对粒子进行受力分析,成功了的实现了粒子随龙卷风的运动效果。第二,对树木模型进行了研究,提出了载入树木模型和参数化方法相结合的植物建模方法,更好的体现了树木的形态结构。通过对树木模型进行简单的处理,为树木的动态模拟提供必要的信息,使树木的形变更具真实感。本文提出的方法具有较强的适用性,增加了树木动画的逼真程度。第三,大规模植被的动态模拟。在风场中快速模拟大规模植被的运动仍是计算机图形学的难题之一。树的动态模拟方法中大多采用基于力学方程的物理模拟技术把风力应用于单独的分枝,这种方法计算量大且难以达到实时性。本文采用高斯过程和噪声函数来模拟风场,使不同范围内的树木在风场中的摇曳不同。为了提升效率,研究了动态模拟的GPU加速技术,用基于GPU的过程法来合成树的运动;考虑到大规模场景中同一物种树木的相似性,采用实例化技术加快渲染的效率,另外还有裁减技术,成功的实现了大规模植被的实时动态摇曳效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题背景与研究意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 龙卷风的模拟技术发展
• 1.3.2 风场作用下的树木动画技术发展
• 1.4 本文的研究内容和预期目标
• 1.5 论文组织
• 第二章 相关技术分析
• 2.1 空气动力学技术发展
• 2.1.1 无粘流和粘性流介绍
• 2.1.2 空气动力学的基本方程
• 2.1.3 无粘不可压缩流动
• 2.1.4 粘性流动
• 2.2 流固耦合
• 2.3 噪声函数
• 2.3.1 Perlin 噪声
• 2.3.2 高斯白噪声
• 2.3.3 插值函数
• 2.4 高级着色语言介绍
• 2.5 加速算法
• 2.5.1 裁减技术
• 2.5.2 细节层次技术
• 2.5.3 实例化技术
• 2.6 本章小结
• 第三章 Phusis Studio 系统总体设计
• 3.1 Phusis Studio 系统框架
• 3.2 Phusis Studio 系统流程
• 3.3 气体模拟子系统设计
• 3.3.1 气体模拟子系统框架设计
• 3.3.2 气体模拟子系统流程设计
• 3.4 本课题在Phusis Studio 系统中的位置
• 3.5 本章小结
• 第四章 大规模龙卷风的实时模拟
• 4.1 龙卷风的空间区域
• 4.1.1 漏斗型空间区域
• 4.1.2 简化模型：圆柱型空间区域
• 4.2 风力场的建模
• 4.3 龙卷风与物体的交互
• 4.4 龙卷风算法的实现与分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于粒子系统的龙卷风模拟
• 5.1 粒子系统
• 5.2 风场构建
• 5.2.1 升力和阻力理论
• 5.2.2 风速的计算
• 5.3 粒子龙卷风的模拟
• 5.4 实验结果与分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 风力作用下大规模植被的实时动态模拟
• 6.1 树的造型
• 6.2 风力场的构建
• 6.3 树的动态模拟
• 6.3.1 整体形变
• 6.3.2 细节形变
• 6.4 大规模植被的动态模拟
• 6.5 实验结果与分析
• 6.6 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 未来展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间的科研成果