论文摘要
计算机图形学是虚拟现实与数字媒体技术的核心。虚拟现实、电影特效以及电子游戏的强大需求,不仅推动着工业界不断提升图形处理硬件的性能,学术界也积极投身其中。然而在交互式高沉浸感的虚拟环境中,依然存在着诸多基础性的研究问题与挑战,其中逼真的实体运动模拟问题尤为突出。作为计算机图形学的一个分支,计算机动画是计算机图形学和艺术相结合的产物。在构建未来高沉浸感虚拟现实系统中,对计算机动画的研究将具有举足轻重的战略作用。因此,计算机动画始终处在研究的前沿,人们不仅需要静态形象的真实感,也需要运动的真实感。而真实运动的复杂度往往使得人们难以用一些过程表述,这个时候只有借助于真实世界的物理规律才能得以体现。基于物理的动画已成为计算机动画领域中的一个前沿研究热点。基于物理的动画模拟使得人们摆脱传统僵硬的“固定动画”成为可能,因此具有非常强的前瞻性。基于物理的计算机动画一方面使得本身体现的现象能充分满足人们对真实感的需要;另一方面减轻了程序开发人员和艺术家的劳动强度。本文以基于物理的计算机动画作为研究目标,对这一课题的研究着重集中在以下三个方面:第一,对基于物理的流体动画模拟算法作出了全面的研究和透彻的分析,在此基础上提炼出了真实感流体模拟的关键问题;第二,针对真实感流体模拟的核心问题,提出了基于物理的真实感流体动画模拟的改进算法;第三,实现了无网格流体动画模拟的算法,对算法的运行结果进行了充分的比较和分析,并就未来的研究热点进行了展望。本文算法的主要贡献和创新点在于如下工作:①在涉及流固耦合边界运动的模拟中,提出基于物理采样因子的多分辨率流体模型和真实感流固双向同步耦合模拟方案,解决了传统算法的异步误差问题;②针对热力学三态相变的模拟,提出基于流固包容模型的平滑相态转变算法,并设计出高适应性的粒子表面重构方法;③提出多分辨率流体物理模型的概念,针对不同尺度范围的流体动画采用不同的物理模拟方法,构建一个平滑过渡的流体动画模拟系统。
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摘要Abstract第一章 引言1.1 课题背景1.2 研究意义1.2.1 科学意义1.2.2 应用前景1.2.2.1 数字游戏1.2.2.2 数字影视1.2.2.3 数字动漫1.3 国内外研究现状1.4 本文研究工作与创新1.4.1 研究目标1.4.2 研究内容1.4.3 创新特色1.5 本文组织结构第二章 基于物理的流体动画模拟研究2.1 欧拉法流体模拟2.1.1 单相流与自由界面2.1.2 小尺度流体2.1.3 可控性2.1.4 实时性2.2 拉格朗日法流体模拟2.3 流固耦合模拟2.3.1 多相流模拟2.3.2 流固耦合模拟2.4 弹塑体模拟2.4.1 有网格弹塑体模拟2.4.2 无网格弹塑体模拟2.5 本章小结第三章 流体动画模拟的问题分析3.1 流体动画模拟的研究内容3.1.1 流体与固体耦合运动模拟3.1.1.1 流体运动物理建模3.1.1.2 流固耦合运动建模3.1.1.3 薄壳物体建模3.1.2 热力学三态相变模拟3.1.2.1 固态物理建模3.1.2.2 热力学相变物理建模3.1.2.3 物质表面建模与渲染3.1.3 小尺度流固耦合模拟3.2 流体动画模拟的关键问题3.2.1 流固耦合边界运动的准确性3.2.2 流固物质相态转变的平滑衔接3.2.3 流体物质体积与表面建模的细节处理3.2.3.1 流体物质体积建模3.2.3.2 流体自由界面建模3.2.4 小尺度流体与固体耦合的真实感模拟3.3 本章小结第四章 真实感流体动画模拟算法设计4.1 流体与固体耦合运动模拟4.1.1 平滑粒子流体动力学4.1.2 纳维-斯托克斯方程4.1.3 表面张力建模4.1.4 相邻粒子搜索4.1.5 多分辨率流体建模4.1.6 流体与固体双向同步耦合建模4.2 热力学三态相变模拟4.2.1 多态相变物理建模4.2.1.1 固体模型4.2.1.2 相变模型4.2.2 流体表面准确建模4.3 小尺度流固耦合建模4.4 本章小结第五章 无网格流体动画模拟实现5.1 流体建模流程5.1.1 初始化SPH 系统5.1.2 密度和压力求解5.1.3 内部作用力求解5.1.4 外部作用力求解5.1.5 时间积分与碰撞检测5.1.6 关键数据结构5.2 流体渲染方法5.2.1 自由界面建模5.2.2 自由界面渲染5.2.2.1 球体光栅化5.2.2.2 球体属性混和5.3 实现结果5.3.1 性能测试5.3.2 对比测试5.4 本章小结第六章 总结与展望6.1 工作总结6.2 未来展望致谢参考文献攻读硕士期间的科研成果
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