基于GPU的非牛顿流体自由表面绘制方法

提出一种基于GPU的非牛顿流体自由表面绘制方法。首先,分析了非牛顿流体的物理模型,将流体的运动规律用合理的数学表达式进行描述;其次,针对非牛顿流体的特点设计了合理的可视模型,提出了流体运动及自由表面的绘制方法,并且设计了相应的GPU实现算法;最后的实验证明了算法在合理的时间内能完全逼真的对非牛顿流体的自由表面进行真实的再现。算法充分吸收了以往方法的优点,采用了合理的数学模型,并利用GPU的运算特性实现了非牛顿流体自由表面的绘制,在绘制效果和效率上较以往算法都有较大改进。     

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。     

基于物理模型的舰艏浪三维可视化

针对以往舰艏浪三维可视化中仅从实际观察出发建立动态模型,不能反映舰艏浪物理运动规律的问题,提出一种基于物理模型的舰艏浪三维可视化方法。该方法将舰艏浪物理模型应用到三维可视化中,采用边界元方法计算得到舰艏浪外形数据,利用粒子系统技术建立了三维动态模型,基于OpenSceneGraph粒子系统,在VS2010平台上实现了舰艏浪的三维可视化。实验结果表明该方法更符合物理运动规律,能较好地模拟舰船航行时的艏浪。     

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GPU的元胞自动机熔岩流动模拟

为解决基于元胞自动机进行熔岩流动模拟的计算效率问题,提出一种应用在元胞自动机上的GPU并行计算方法。将元胞自动机中每一个方形网格映射到GPU的一个逻辑计算单元上,通过并行计算,提高模拟的效率,解决传统串行计算方法的不足,使模拟达到实时性。模拟结果表明,在元胞自动机的物理模型理论基础上,用GPU并行计算进行加速,在模拟效果和时间效率上均取得了良好的效果。     

平行散点图:基于GPU的可视化分析方法

提出一种分析多维数据集之间关系的信息可视化方法--平行散点图.结合平行坐标、散点图方法,综合了焦点 背景、多视角、多视图、刷子等交互与可视化策略,使人有效地观察与分析多维数据集之间的连接关系;利用统一渲染GPU对粒子、线段、公告牌等的绘制与输出功能,在千万级数据集上达到较强的深度感与交互级的绘制性能;提出GPU上基于空间填充曲线的聚类算法,可交互式地降低连接线的视觉杂乱度;将连接、聚类与可视化整合为一个基于GPU的系统,在千万级数据集上达到交互级的可视化分析.     

一种基于GPU的弹坑实时绘制方法

为解决动态地形绘制过程中高逼真性与实时性这一矛盾,提出一种基于GPU的动态地形实时绘制方法。首先基于Geometry Clipmaps算法构建地形层次结构,然后在更新过程中引入真实物理模型与过程纹理映射相结合方法,以使最终绘制的地形达到更为逼真的效果。为验证该方法的有效性,模拟了炮弹在草地上爆炸形成的弹坑效果,并与基于ROAM算法绘制的弹坑效果在绘制三角形数量、平均帧速率及CPU占用率3个方面做了对比。实验结果表明,所提方法能够有效减少绘制的三角形数量,并能获得较高的帧速率及逼真度,满足动态地形绘制对于高逼真性和实时性的要求。     

一种基于法线贴图的爆炸烟雾模拟算法*

传统的基于流体动力学和光滑粒子动力学的烟雾绘制方法能模拟出逼真的爆炸烟雾,但性能太低使得其很难满足实时性要求;而一般的基于粒子系统的模拟算法主要针对一般烟雾,需要大量粒子数目且不能得到真实立体的爆炸烟雾效果。本文提出一种基于法线贴图的爆炸烟雾模拟算法,使用法线贴图模拟烟雾粒子的空间立体属性,对其进行随机光照计算,并根据时间衰减颜色;采用简单运动控制模型模拟爆炸烟雾的翻滚与扩散。实验表明,该算法使用很少粒子便能产生极高真实感的爆炸烟雾效果,并且具有很好的实时性。     

基于OSG的实时烟雾模拟的研究与应用

为了模拟出具有实时性和真实感的烟雾效果,分析了传统烟雾的模拟方法,提出了一种基于OSG平台下的实时烟雾模拟方法。该方法采用流体力学纳维-斯托克斯方程组作为基本物理模型,通过添加漩涡约束力来达到真实性的要求。由于NS方程求解的复杂性和CPU计算的限制性,在方程解算上,提出一种基于GPU的采用半拉格朗日方法、雅克比迭代法等稳定的求解方法,并结合体绘制技术来实现实时烟雾的模拟。实验结果表明,该方法能快速模拟出实时、逼真的烟雾效果。     

一种快速的基于物理模型的织物模拟

提出了一种基于物理模型的实时动态模拟织物的方法。模拟织物的运动一直都是虚拟仿真的重要课题，在电影、游戏和虚拟现实中大量用到，但是逼真的模拟往往需要高昂的计算代价。文章通过对织物物理和几何属性分析。构造出一个带约束的物理模型。使用一种自适应的迭代法，最大限度地利用了局部时间和空间上的模拟参数，大大提高了计算的效率。并根据织物的物理特性，优化共轭梯度法，综合各种算法的优点，不断优化算法。可以实时地并且精确地模拟织物的运动。     

Virtual Rheoscopic Fluids

We present a visualization technique for simulated fluid dynamics data that visualizes the gradient of the velocity field in an intuitive way. Our work is inspired by rheoscopic particles, which are small, flat particles that, when suspended in fluid, align themselves with the shear of the flow. We adopt the physical principles of real rheoscopic particles and apply them, in model form, to 3D velocity fields. By simulating the behavior and reflectance of these particles, we are able to render 3D simulations in a way that gives insight into the dynamics of the system. The results can be rendered in real time, allowing the user to inspect the simulation from all perspectives. We achieve this by a combination of precomputations and fast ray tracing on the GPU. We demonstrate our method on several different simulations, showing their complex dynamics in the process.     

Real-time adaptive fluid simulation with complex boundaries

In this paper, we present a new adaptive model for real-time fluid simulation with complex boundaries based on Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) framework. Firstly, we introduce an adaptive SPH framework that is based on our character field function composed of four factors: geometrical complexity, boundary condition, physical complexity, and complementary condition in terms of the neighboring particle number. Meanwhile, the rule for particle adaptation is presented. We also present a two-step method to fast detect collision with complex boundary. The first step is voxelization on the complex scene. In the second step, based on the result of voxelization, we propose a three-phase method to fast detect collisions between complex boundaries and particles. By using this method, we avoid most of the useless intersection detection computation and greatly enhance the computation efficiency. In addition, a subdivision of boundary is precomputed before the collision interaction method so that fluid in a scene with complex boundary can still be simulated at relatively high speed and system stability risk is reduced greatly. To further accelerate the simulation, a highly parallel fluid algorithm is presented and implemented using GPU so that we can simulate dynamic fluid with mutual interaction between fluid and complex boundary at a considerably fast speed without compromising realism.     

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。     

基于多重网格法的实时流体模拟

在GPU上实现了多重网格法,并用该方法改进了二维的实时流体模拟,更充分地利用GPU的并行计算能力.使用4层网格,依靠渲染到纹理的计算方式、帧缓存扩展的纹理管理方法,提高了图形硬件的利用率.实验对比表明,在同样的帧数下该方法能提高GPU实时流体模拟的精度.尤其在较大规模的问题上,与同等精度的基于一般迭代方法的GPU实时流体模拟相比,该方法在速度上可有成倍地提高.     

Visual simulation of thermal fluid dynamics in a pressurized water reactor

We present a simulation and visualization system for a critical application—analysis of the thermal fluid dynamics inside a pressurized water reactor of a nuclear power plant when cold water is injected into the reactor vessel. We employ a hybrid thermal lattice Boltzmann method (HTLBM), which has the advantages of ease of parallelization and ease of handling complex simulation boundaries. For efficient computation and storage of the irregular-shaped simulation domain, we classify the domain into nonempty and empty cells and apply a novel packing technique to organize the nonempty cells. This method is implemented on a GPU cluster for acceleration. We demonstrate the formation of cold-water plumes in the reactor vessel. A set of interactive visualization tools, such as side-view slices, 3D volume rendering, thermal layers rendering, and panorama rendering, are provided to collectively visualize the structure and dynamics of the temperature field in the vessel. To the best of our knowledge, this is the first system that combines 3D simulation and visualization for analyzing thermal shock risk in a pressurized water reactor.     

基于物理的波浪实时模拟方法

为解决广域范围内波浪状态的实时计算和可视化问题,结合无粘滞流体力学的物理模型,提出了一种以三角形为控制单元的有限体积简化算法。该算法的优点在于：以不规则边界区域的非规则三角网格为基础,通过简化通量向量分裂方法获得三角形控制单元的边界数值通量,能快速逼近二维浅水方程的解进而模拟非规则边界浅水的实时流动。实验结果显示,所提方法能在符合现实世界物理规律的前提下较好地实现大规模波浪的实时可视化模拟。     

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。     

交互式角色运动特效的光滑粒子流体动力学仿真

长期以来,由于流体仿真和物体变形计算都具有相当程度的复杂性,使得流体与刚体的交互模拟,特别是和带有复杂动画的角色交互的效果,难以达到实时计算和渲染。在此,笔者提出了一个新的方法,用于生成沿着角色运动而产生交互的流体特效。为了实现这类效果的生成,控制流体特效与运动角色的交互,首先针对角色运动轨迹进行跟踪,根据轨迹的几何性质而生成初始状态的流体特效;然后借助光滑流体动力学(SPH)对流体粒子进行仿真。其中针对基于SPH技术的复杂性,流体仿真的过程借助GPU并行计算的能力,采用了一种新的高效粒子搜索算法,最终实现普通用户级个人计算机上实时渲染具有流体运动特征的角色运动特效。