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真实感烟雾的实时模拟方法改进

作　者: 李萍
导　师: 唐勇
学　校: 燕山大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 烟雾模拟 粒子系统 Navier-Stokes方程 视点驱动 实时绘制
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 43次
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内容摘要


真实感自然景物的实时建模与绘制一直是计算机图形学研究的热点之一,而烟雾模拟由于其复杂多变的特性成为了最具有挑战性的课题。它在影视特效、军事仿真、电脑游戏等领域都有非常广泛的应用。近年来,随着计算机图形图像技术的发展和进步,人们对烟雾模拟的真实感和实时性要求越来越高,传统粒子系统和纹理映射的方法难以满足人们的要求,而基于物理的烟雾模型计算量大、难以实时模拟。针对影响烟雾模拟实时性的因素,着重从以下几方面进行深入研究。首先,针对粒子系统模拟烟雾的实时性特点以及物理模型的真实感优点,提出了一种全新的粒子系统与物理模型相结合的方法——适当减少粒子系统生成的粒子数量,用低精度的粒子系统描述烟雾的大致运动轨迹,降低计算机的处理时间,将三维空间中的烟雾粒子投射到平行于视平面的一系列二维平面上,并作为物理模型的烟源,利用MacCormack方法求解欧拉方程,再现烟雾的高精度细节,增强模拟的真实感。其次,针对大规模虚拟场景中烟雾模拟的实时性要求,提出了视点驱动的烟雾绘制方法。首先建立视点与烟雾模型的距离函数,根据这个函数值将体数据根据一定的投射方法投射到一系列二维平面上,并判断烟雾模型是否处于观察敏感区域,若是,则利用可编程硬件快速将烟雾的湍流细节补充到烟雾中,否则直接利用面向视点的烟雾渲染方法绘制烟雾。该方法尤其适用于巨大而且复杂的虚拟场景,减少不必要的绘制步骤和计算时间,以提高绘制的实时性。最后,利用VC++语言、开放性图形接口OpenGL以及可编程图形硬件语言Cg在Windows平台上,实现了烟雾建模与绘制系统,对改进的烟雾建模及绘制算法进行实验验证。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章 绪论  10-22
  1.1 课题背景及研究意义  10-11
  1.2 烟雾模拟的研究现状  11-17
    1.2.1 国外烟雾模拟研究概况  11-15
    1.2.2 国内烟雾模拟研究概况  15-17
    1.2.3 可编程图形硬件技术  17
  1.3 烟雾模拟的研究趋势  17-19
    1.3.1 真实感  18
    1.3.2 实时性  18-19
  1.4 研究内容及预期目标  19
  1.5 论文结构  19-22
第2章 烟雾的特点及烟雾实时模拟的关键问题分析  22-28
  2.1 烟雾特性数学表达  22-24
  2.2 基于粒子系统模拟烟雾存在的问题  24-25
  2.3 基于物理模型模拟烟雾存在的问题  25
  2.4 粒子-物理相结合模拟烟雾方法的提出  25-26
    2.4.1 现有粒子-物理相结合模拟烟雾方法的评价  25-26
    2.4.2 新的粒子-物理相结合实时模拟烟雾方法的构建  26
  2.5 本章小结  26-28
第3章 一种实时模拟烟雾的新方法  28-42
  3.1 运用低精度粒子系统描述烟雾的运动形态  28-32
    3.1.1 低精度粒子系统的流程设计  28-29
    3.1.2 低精度粒子系统烟雾粒子产生数量的分析  29-30
    3.1.3 低精度粒子系统烟雾粒子属性的初始化  30-31
    3.1.4 低精度粒子系统烟雾粒子属性的更新  31
    3.1.5 低精度粒子系统烟雾粒子的消亡规则  31-32
  3.2 面向视点高精度烟雾细节的实时再现  32-41
    3.2.1 面向视平面粒子投射  33-34
    3.2.2 基于物理模型模拟烟雾的流程设计  34-37
    3.2.3 基于物理模型的烟雾细节实时再现  37
    3.2.4 采用MacCormack 方法优化N-S 方程对流项求解  37-41
  3.3 本章小结  41-42
第4章 视点驱动的烟雾实时绘制  42-56
  4.1 视点驱动的烟雾绘制方法的提出  42-50
    4.1.1 烟雾绘制方法优化选择  43-47
    4.1.2 体绘制方法实时绘制烟雾面临的问题  47-48
    4.1.3 视点驱动的烟雾实时绘制方法的构建  48-50
  4.2 视点驱动烟雾实时绘制  50-55
    4.2.1 视点与烟雾模型的距离函数的建立  50-51
    4.2.2 面向视平面的烟雾属性投射  51-52
    4.2.3 基于GPU 的视点驱动烟雾实时绘制  52-54
    4.2.4 采用GPU 加速的烟雾细节实时再现  54-55
  4.3 本章小结  55-56
第5章 真实感烟雾的实时模拟方法的实现与评价  56-70
  5.1 实验平台的搭建  56-58
  5.2 真实感烟雾的实时模拟架构的设计  58-60
  5.3 粒子-物理相结合的烟雾实时模拟模块的实现  60-62
    5.3.1 低精度粒子系统描述烟雾运动形态的实现  60
    5.3.2 面向视点高精度烟雾细节实时再现模块的实现  60-62
  5.4 视点驱动烟雾实时绘制模块在GPU 上的实现  62-63
  5.5 实验结果与分析  63-69
    5.5.1 粒子-物理相结合的烟雾实时模拟模块的评价  63-66
    5.5.2 视点驱动烟雾实时绘制模块的评价  66-69
  5.6 本章小结  69-70
结论  70-72
参考文献  72-76

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理（信息加工） > 模式识别与装置 > 图像识别及其装置
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