GPU通用计算平台上的SPH流体模拟

针对流体模拟需要大量计算资源从而很难达到实时模拟的问题,提出一种完全在GPU上实现的基于平滑粒子流体动力学的流体模拟方法.首先通过在GPU上构造基于哈希函数的空间均匀网格来实现任意大小场景的快速邻近粒子查找,并在GPU上并行求解SPH流体方程来实现流体模拟;渲染流体时,通过在顶点着色器中进行纹理采样,利用粒子坐标缓存数据直接更新流体粒子系统的顶点缓存,从而避免了CPU—GPU之间的数据传输,充分利用了GPU的并行性.实验对比表明,与纯CPU实现以及CPU和GPU混合实现的模拟结果相比,采用该方法能显著地减少单个时间片的计算时间,大幅度提高流体模拟和渲染的整体性能.     

基于CUDA的大规模流体实时模拟

流体模拟是计算机图形学中一个重要课题。使用基于粒子的光滑流体动力学SPH(smoothed particle hydrodynamics)方法模拟大规模流体的运动需要大量的粒子模拟流体,计算量巨大,传统的方法很难达到实时性要求。为了解决该问题,使用NVIDIA的并行计算架构CUDA(Compute Unified Device Architecture)将SPH方法的全部处理过程在GPU上实现,充分利用了GPU并行计算的性能优势。使用Z-order排列改进已有的并行邻域搜索算法,并通过优化数据结构及存储器分配,有效缓解了SPH方法在GPU架构上的性能瓶颈。实验结果表明,该方法能实时逼真地模拟大规模流体,与已有的GPU方法相比处理速度有显著的提升。     

一个SPH流体实时模拟的全GPU实现框架

怎样实时地进行高度逼真的大规模流体模拟是图形学要研究的一个重要内容。流体的模拟由物理计算、碰撞检测、表面重构和渲染几个部分组成,因此有大量工作针对流体模拟中的各个部分算法进行GPU加速。提出一整套基于GPU的SPH流体模拟加速框架。在利用平滑粒子动力学(SPH)求解Navier-Stokes方程的基础上,借助基于GPU的空间划分PSS(Parallel Spatial Subdivision)来大幅度提升粒子碰撞的检测速度。同时,设计一种基于几何着色器(Geometry Shader)的流体表面信息的重建算法,并进一步地实现基于索引的优化,使得在流体表面重建过程无须遍历不包含表面的区域。实验结果表明,该方法能实时模拟出具有较好真实感的流体场景。     

基于CUDA的弱可压SPH流体建模与仿真

为了实现小尺度范围流体场景的实时、真实感模拟,采用弱可压SPH方法对水体进行建模,提出了流体计算的CPU GPU混合架构计算方法。针对邻域粒子查找算法影响流体计算效率的问题,采用三维空间网格对整个模拟区域进行均匀网格划分,利用并行前缀求和和并行计数排序实现邻域粒子的查找。最后,采用基于CUDA并行加速的Marching Cubes算法实现流体表面提取,利用环境贴图表现流体的反射和折射效果,实现流体表面着色。实验结果表明,所提出的流体建模和模拟算法能实现小尺度范围流体的实时计算和渲染,绘制出水的波动、翻卷和木块在水中晃动的动态效果,当粒子数达到1 048 576个时,GPU并行计算方法相较CPU方法的加速比为60.7。     

基于CPU-GPU混合加速的SPH流体仿真方法

基于光滑粒子流体力学SPH的流体仿真是虚拟现实技术的重要研究内容,但SPH流体仿真需要大量的计算资源,采用一般计算方法难以实现流体仿真的实时性。流体仿真通常由物理计算、碰撞检测和渲染等部分组成,借助GPU并行加速粒子的物理属性计算和碰撞过程使SPH方法的实时流体仿真成为可能。为了满足流体仿真应用中的真实性和实时性需求,提出一种基于CPU GPU混合加速的SPH流体仿真方法,流体计算部分采用GPU并行加速,流体渲染部分采用基于CPU的OpenMP加速。实验结果表明,基于CPU GPU混合加速的SPH流体仿真方法与CPU实现相比,能显著地减少流体仿真单帧计算时间且能更快速地完成渲染任务。     

非均匀粒子流体模拟

基于物理模型的流体模拟能精确描述流体的运动,但计算量大、实时性较差。根据流体的物理模型,提出了一种基于光滑粒子动力学(SPH)的非均匀粒子模拟流体的方法。提出了一种多因素决定粒子精细度的方法,显著减少了实际模拟需要的流体粒子数目,提高了模拟的速度而又不降低模拟真实感。流体的表面重构采用了一种新的基于屏幕空间的高真实感、高速的重构算法。实验结果表明,与传统的SPH方法相比,该方法在模拟同样场景情况下能大幅降低需要的粒子数目,提升了算法的效率。     

一种新的有效模拟不可压缩流体的SPH方法

提出了一种基于光滑粒子流体动力学(SPH)来模拟不可压缩流体的有效方法.传统的SPH方法是针对可压缩流体设计的,而该方法是传统SPH方法的一个扩展.提出了一种新的可以满足不可压缩性的压强计算方法,讨论了压力和粘性力的新型计算方法.实验结果表明,提出的方法与以前的方法相比,能够更真实地模拟不可压缩流体.     

复杂场景流固耦合的高效模拟

大规模复杂流体场景的高效交互模拟技术在灾难仿真、虚拟现实和影视特效制作等领域都有重要的应用价值.针对现有基于物理的流体算法大多只适于尺度较小的场景,难以有效地模拟复杂流体大场景中流固耦合时的固体破碎效果的问题,提出一种复杂场景的固液耦合高效模拟方法.首先提出一种基于流体隐式粒子法和散度为零的SPH法相混合的计算框架,在确保流体物理属性的同时充分利用细粒度的隐式粒子来丰富流体运动细节,提高场景模拟的真实感;然后采用一种多维度的流固耦合分合计算策略来进一步提高流固耦合效率;为实现流体冲击下的固体破碎效果,采用一种物理与几何相混合的破碎方法:以基于断裂力学中的应变能密度模型来确定固体破碎时碎片的分布,采用基于几何的质心Voronoi方法快速生成碎片,最终实现百万量级粒子参与的复杂流体场景的交互模拟,以及高速流体冲击下的固体破碎效果的高效模拟.     

基于LBM模型在GPU上实时草波动的实现研究

对室外复杂场景真实感的渲染的需求越来越高.越来越多能体现真实感渲染的物理模型用于实时渲染中.LBM(Lattice Boltzmann Model)模型在保证质量守恒和动量守恒的前提下,能模拟复杂流体运动.而图形硬件(GPU)的发展,使LBM模型能在GPU上实现,提高了算法的运行效率,使之能用于实时渲染.为了实现对室外复杂场景真实感的渲染,提出了基于物理模型实现实时渲染草地波动效果的算法.用LBM模型模拟风力场,用简单且实用的方法建模草地,实现实时渲染大规模草地的波动效果,且能达到比较真实的效果.     

CPU与GPU并行计算的火焰模拟

采用基于粒子插值的SPH方法对火焰流体进行模拟,用GPU加速粒子状态地计算,同时用CPU并行地计算粒子邻接关系并控制粒子产生速率。在SPH模型中,较为高效地加入了漩涡场的计算,增加了粒子运动的细节。在粒子渲染过程中,采用了色度场、有向点扩散和颜色锐化技术,由离散的粒子空间分布得到了较为理想的连续火焰图像。由于该方法属于流体模拟的拉格朗日法,所以火焰具有物理真实性,又由于采用GPU为主CPU为辅的计算架构,使得模拟达到了实时。     

一种流模拟与包模拟结合的新网络模拟技术

随着网络应用的发展,网络的结构、规模日趋复杂化,包模拟技术难以适应大规模网络的模拟任务,而流模拟技术虽然有较高的模拟效率,但其模拟精度不如包模拟技术。使用流模拟实现对模拟系统中背景流的模拟,使用包模拟实现对特定网络行为的精确模拟,从而实现了一种包模拟与流模拟相结合、兼顾包精确度与效率的新模拟技术。与其它同类方法相比,该模拟技术将数据包映射为流,实现了背景流与前景流相互作用的准确模拟,从而达到良好的模拟精度与模拟效率。     

一种飞机的航迹模拟仿真算法

飞行仿真中,飞机航迹模拟没有考虑飞机是匀速还是变速,一般由简单的直线和圆组合来表示,这种表示算法较为理想化或简单化。为了建立逼真空情,实现复杂多样的飞行动作模拟,本文对飞机运动的数学模型进行研究,归纳总结飞机直线飞行算法,针对飞机转弯航迹过于理想和简单化提出一种新的模拟算法来模拟飞机转弯航迹。将飞机匀速和变速转弯用一种算法实现,增加新的转弯方式并提高飞机航迹多样性。最后将新算法替代老算法在航管模拟训练系统中进行应用与仿真,与真实飞机航迹数据对比,证实新的算法可以模拟出变速转弯航迹,并使整体航迹更加接近真实。     

宽带计算机网络的快速时间驱动仿真算法

本文针对离散事件驱动法仿真宽带网络仿真速度慢的缺点，提出了一种适合于网络离散系统的快速时间驱动仿真算法，该算法容许仿真误差存在，但极大地提高了仿真的速度，而且仿真误差可以控制在一定的范围内，其影响随时间的推移而消失，与离散事件驱动仿真算法的比较证实了该算法的有效性。     

时间驱动仿真及其在宽带网络仿真中的应用

宽带网络的主要设备是宽带交换设备 ,如高性能路由器 ,交换机等 .因此 ,对宽带计算机网络的仿真 ,主要是对网络的宽带交换设备进行仿真 ,其关键是仿真速度问题 .本文针对计算机网络离散系统 ,提出了基于时间驱动的适合于离散系统的仿真算法 ,并与离散事件驱动仿真算法进行比较     

大规模流体场景的真实感与实时模拟

目的 基于物理的流体动画模拟是计算机图形学领域中的研究热点,针对实际应用中仍难以实现大规模流体场景的真实感与实时模拟,提出了基于shallow water方程的物理模拟方法。方法 首先,给出shallow water方程的稳定欧拉数值求解方法,解决模拟过程中存在的毛刺、陡坡水滴斑点等数值求解的不稳定性问题;其次,提出刚体和粒子系统与流体高度场的稳定耦合模型,实现双向固流耦合和流体表面细节的真实感模拟;最后,设计高度场的多精度网格算法以及粒子的隔点采样方法,加速大规模流体的物理模拟计算。结果 实验结果表明,本文方法解决了传统欧拉方法求解shallow water方程的流体模拟过程中存在的不稳定和计算复杂等问题,在300×300网格分辨率和2.2×10⁴粒子数的规模下,达到了20帧/s的实时模拟速度。结论 本文算法具有良好的高效性和稳定性,适用于电子游戏和视景仿真等实时应用领域中的大规模流体场景的真实感模拟。     

通用处理器设计中硬件仿真验证

基于动态的RTL仿真依然是验证超大规模集成电路的主要方法。在使用动态仿真方法对通用微处理器这样大规模的设计进行功能验证时仿真速度成为了瓶颈，通常的解决方案是使用FPGA进行硬件的物理原型仿真，使用FPGA可以在较短的时间内测试大量的测试向量，但是使用FPGA物理原型验证的可调试很差。针对这一主要问题，提出了三级的层次化仿真验证环境，使用硬件仿真器的仿真加速作为中间层的解决方案，即可以提高仿真速度，也提供了良好的调试环境。同时针对大规模设计多片FPGA逻辑划分提出了改进的K—L算法，优化了FPGA的利用率和片间五连。     

基于粒子系统的爆炸效果仿真研究

针对目前诸如军事、铁路等领域事故爆炸仿真模型运算复杂、仿真效果较差的问题,提出了改进的仿真模型,该模型以粒子系统为基础,用定性、定量的随机变化模型代替爆炸物理过程的流体模型。将粒子发射速度参数与随机扰动速度参数相结合,建立通用仿真模型,通过给定不同的参数形成烟雾、火焰与爆炸碎片的具体仿真模型,可以有效降低爆炸效果模拟的计算复杂度。实验证明,该方法运算速度快,真实感强,可以满足各种爆炸效果的仿真需求。     

一种基于半拉格朗日的液体实时仿真方法

近些年,在计算机图形学与虚拟现实技术领域中,自然现象的模拟得到了广泛的关注和研究.如何快速且逼真地模拟自然现象,是此类研究的目的.以液体表面作为研究对象,总结了关于液体模拟近年来的部分研究成果;针对三维液体的复杂流体状态,提出了一种基于半拉格朗日的液体实时仿真方法,并对仿真结果进行了表面构建.该方法首先将Navier-Stokes 方程离散化,并通过求解构造的Poisson 方程得到每一时间步长的数值解,进而精确驱动粒子运动以构建真实液体表面;之后,利用液体表面追踪及Marching Cubes 表面重建,生成了真实的液体表面模型.实验结果表明,该仿真方法不但在运算过程中遵循经典的流体力学方程,从而保证了结果的真实性,并且运算速度快且能取得较好的视觉效果.在计算机游戏、电影制作以及医学等领域的仿真,均有广泛的应用前景.