一种实现水波动画的新算法

近年来，自然景物的模拟一直是计算机图形学中最具挑战性的问题之一，关于山，水，云，烟，火焰等自然景物的模拟，在计算机游戏，影视，广告等各种领域中有着广泛的用途，作为自然景物模拟的重要内容，对流水，波浪的模拟正日益引起人们的关注，该文基于小振幅波理论和细胞自动机的模型，给出了一种实现水波动画的新算法，较之于以往的做法不同的是，作者既没有去特意构造具体的波形函数，也没有去求解复杂的Navier-Stokes方程，而是基于小振幅波理论和细胞自动机的模型，采用邻域传播的思想对水波进行动态的造型，在小振幅波理论中，水波的波形近似成正弦分布，根据这一规律，可以构造出不同邻域下水波演变的细胞自动机模型，文中还采用以POINT图元为基本粒子的粒子系统，对水花效果进行了实时的模拟，为了不波和浪花逼真地结合在一起，本文运用了色彩融和的技术来完成浪花的显示，实践证明用该算法模拟水波，效果比较真实，而且在普通的PC平台上即可满足一般动画的实时需求。     

一种采用物理模型的实时溃坝动画算法

溃坝水波是一种包含大梯度间断的水流运动,既包含整体的水波运动,又必然夹杂着大量分散的水花.本文采用一种基于物理模型的方法模拟溃坝水波,把溃坝过程看作是含间断波的二维浅水流运动.采用无结构网格的有限体积法求解N-S方程,应用二阶的Reo-MUSCL格式,并采用了适当的限制器,使得我们的模型既不产生过大耗散,又具有较高分辨率.在真实感处理方面,加入了粒子系统以模拟溃坝过程中水花四溅的情形.实验结果表明:本文的方法能够真实有效地模拟溃坝水流的运动.     

新的求解二维浅水方程的高分辨率有限体积法

随着海洋开发、灾害预防等方面的发展,浅水方程的求解越来越受到人们的重视.文中在文献[1]的基础上提出一种新的求解二维浅水方程的有限体积格式,并将文献[2]中给出的新型可微限制器函数运用到上述有限体积法求解二维浅水波问题的过程当中,建立新的可求解二维浅水方程的新的高分辨率有限体积法.文中提出的方法由预估阶段和校正阶段组成,该方法是在非结构化三角网格中实现的.运用这种方法模拟超临界流斜水跃现象,数值试验结果显示所提出的有限体积法具有很好的非震荡性.     

真实感水波的模拟

近年来,自然景物的模拟一直是计算机图形学领域最具挑战的问题之一,对水波的模拟正日益引起人们的关注.其中基于物理模型的方法由于是从水波现象本身进行较精确的描述,使之成为了最有力的模拟方法.但是现阶段基于此方法的水波模拟都侧重于对水波的造型模拟,忽略了水波模拟另一关键问题一光影特效.本文在基于物理模型模拟进行水波造型的基础上,大胆结合了光影特效,对光照模型、水波折射现象及水波刻蚀现象分别进行了研究与实现,大大增强了水波模拟的真实性.     

实时稳定的二维烟雾模拟

烟雾模拟是计算机动画模拟的重要组成部分.在模拟过程中保证实时性和稳定性是烟雾动画模拟的一个重要方面.该文的目的是在计算机上模拟出真实感的烟雾.文中采用无粘不可压欧拉方程作为烟雾的基本物理模型,对这种简化的流体方程求解可以加快计算的速度,使模拟的速度加快.数值上,引入了CIP方法的一种改进形式USCIP方法来求解N-S方程的对流项,该方法是无条件稳定的.求解方法的稳定实现了大时间步长模拟,保证了模拟实时性和稳定性,最后模拟得到二维的烟雾效果.实验证明本方法能实时稳定地模拟出具有真实感的二维烟雾效果.     

大时间步长下体积守恒的实时水体模拟

摘 要：基于物理的流体仿真可以真实地捕捉水的运动,一种常用的实时模拟方法是基于 二维浅水方程进行水体仿真。首先介绍了二维浅水方程,并提出一种新的求解方法,通过一种 体积守恒的隐式半拉格朗日方法进行计算,在保持稳定的同时允许较大的时间步长,然后额外 增加修正步以保证计算过程中体积守恒。此外提出了一种基于动量守恒的流固耦合方法,可以 实时地模拟出较为真实的水体,并且保证了水体体积始终守恒,效果良好。     

使用GPU加速渲染真实感水波效果的研究

为了提高水面波动效果模拟的实时性并保持真实感,提出一种基于可编程图形处理器(GPU)的向量代数运算模型,并使用该模型求解水波动方程以加速水波仿真过程.给出了模型的数据结构定义和数据操作设计,对二维水波微分方程进行离散化处理,将其表达为矩阵矢量相乘的形式,再采取共轭梯度法进行求解,以获得代表水面的高度图.通过高度图信息来生成法线,从而获得水面反射和折射效果.实验结果表明,该算法充分发挥了GPU的高速性能优势来求解复杂的水面波动方程,能有效提高真实感水波纹模拟的效率.     

基于真实能量衰减方程的水面特效模拟

针对现有水面特效模拟方法模拟常见三维场景中水面波动真实感较差的问题,提出了一种基于真实能量衰减Gerstner波模型的水面特效模拟方法.对Gerstner波的数学模型和参数进行了分析,通过对真实水波传播过程中能量损耗的研究,引入衰减因子α,建立崭新的振幅随时间衰减的方程,将此方程代入Gerstner波模型模拟水波;引入反射率与透明度以适应不同的环境与水体.实验结果表明,该模型可以呈现更加真实的水面波动效果.     

两维浅水波方程的半隐谱元素离散及其并行计算

浅水波方程抽取了大气运动的一些重要动力学特征,是气象数值模拟中的一个重要问题,海洋环流的外部模态类似于浅水波,刻画了快速重力波的演变,目前数值气象预报中     

基于粒子系统与OpenGL的实时雨雪模拟

自然景物的模拟一直是计算机图形学中最具挑战性的问题之一。关于水、云、烟．雨、雪等自然景物的模拟，在计算机游戏、三维动画、影视及广告中有着广泛的应用。自然景观中雨、雪的模拟，可以大大提高三维场景的逼真度，Reeves提出的粒子系统是模拟雨、雪的一种有效的方法。论文在分析粒子系统实现原理的基础上，基于OpenGL提出了一种在大型场景漫游系统中实时模拟雨．雪的方法。基本思想是基于OpenGL的多视口与色彩融合技术，把模拟雨、雪的粒子在一个新的视口中视线有效区域内进行绘制，然后与原视口中的场景一起显示于窗口中。实践证明，该方法实现的雨雪模拟效果比较真实，而且在普通PC上也可以满足一般动画的实时性要求。     

基于纹理映射技术的实时波浪模拟

自然景物的模拟是近年来计算机图形学中具有挑战性的研究方向之一。波浪的模拟作为其中一个重要的组成部分受到越来越多的关注。本文从特定的波浪纹理出发,构造一个波浪函数来拟合相应的动态波浪曲面,通过在曲面网络上进行纹理映射来实现的波浪仿真,通过调整波浪纹理及波浪函数的初始值和相关参数可得到不同的波浪形态,结果显示这种方法能快速有效地模拟波浪。     

基于海频谱的实时波浪模拟

自然景物的模拟是近年来计算机图形学中具有挑战性的研究方向之一.波浪的模拟作为其中一个重要的组成部分受到越来越多的关注.但由于波浪运动的复杂性和随意性,使得对其进行逼真模拟十分困难.文章从海浪的随机理论出发,利用海频谱分析方法,提出了一种基于特定海浪谱的波浪模拟方法.首先根据海浪的功率谱密度,采用多个随机正弦波迭加来模拟动态的海浪曲面,然后利用OpenGL技术将海浪纹理映射到动态曲面上来模拟海浪,结果显示这种方法能快速有效地模拟实时波浪.     

基于浅水波理论液体晃动初值问题的数值模拟

针对日益受到关注的液体晃动问题,提出了一种基于浅水波理论的研究方案.该方案采用浅水波理论而非势流理论导出系统控制方程,并通过哈密顿体系表达;利用中心有限差分法和Stormer-Verlet算法进行空间和时间离散;模拟了不同初值条件下的液体晃动情况并对比分析了影响系统非线性响应的主要因素.结果表明,基于浅水波理论能有效解决液体晃动问题;与Euler格式对比,Stormer-Verlet算法精度较高;除共振外对于系统非线性响应的影响容器初始位移比初始速度更显著;非共振情况一定条件下,充液容器运动过程中液体晃动能起到阻尼作用.     

一种骨架驱动的近岸涌浪动画合成方法

大面积水面及波浪的快速建模与可控动画一直是计算机图形学研究的热点问题之一,但是由于天然波浪的复杂性与不规则性,现有的波浪模拟方法无法在计算效率与真实感之间很好的权衡.本文针对此问题,以近岸涌浪为对象,研究波浪形态特征的表示与提取方法,快速生成可控的波浪动画.首先以波浪视频为数据源,利用数学形态学算法从水面视频图像中提取出涌浪骨架特征;然后根据此特征控制涌浪形状与高度,重用高度场数据生成可控的更加多样的近岸涌浪运动形态,克服了流体动画计算效率低下且难以交互控制的缺点.实验表明本文提出的方法能够以简单直观的控制方式,快速实现用户期望的变形效果.     

几种复合型数值方法的算法模拟与性能比较

浅水波问题的数值模拟一直是计算数学、计算流体力学的研究热点之一,采用低阶方法和高阶方法相复合的数值方法引起了人们的注意,并在水力学的数值模拟中取得了很大的成功。文中对三种复合型的数值方法,即Lax-Wendroff(LW)格式与Lax-Friedrichs(LF)格式的复合算法,Upwind格式与Lax-Wendroff(LW)格式的复合算法,WENO格式与LW格式的复合算法,进行了分析比较和改进,并就计算流体力学中的一维浅水波方程的两个算例分别做了数值对比试验,在解的光滑性、锐利性,计算速度等几个方面做了比较,模拟结果表明三种方法均能准确捕捉激波又不产生非物理震荡。     

Control of shallow waves of two unmixed fluids by backstepping

Among the existing global challenges, water system management is becoming more and more important as the consumption patterns are continually growing. The implication of water system regulation in irrigated agriculture and production of sustainable energy is self-evident nowadays. In the present paper, new perspectives are given on the control of water flowing in an open channel. Mathematically, these physical processes are described by coupled hyperbolic partial differential equations (PDEs). In view of the recent development in PDE control, backstepping methodology has been proven to be a powerful tool in the sense that it provides a systematic design technique. This paper presents the exponential stabilization results of two shallow wave systems including the shallow waves of two unmixed fluids.     

基于分形的三维波浪仿真

随着计算机游戏、三维动画、影视及广告的普及,波浪、水、云、烟、雨、雪等自然景物的模拟受到越来越多的重视。其中自然景观的波浪模拟可以大大提高三维场景的逼真度和可观赏性,论文基于海浪谱在分形系统的基础上,采用一种简单的分形模型,实现对波浪自然现象的实时模拟。     

Adaptive quadtree simulation of shallow flows with wet-dry fronts over complex topography

Many natural terrains have complicated surface topography. The simulation of steep-fronted flows that occur after heavy rainfall flash floods or as inundation from dyke breaches is usually based on the non-linear shallow water equations in hyperbolic conservation form. Particular challenges to numerical modellers are posed by the need to balance correctly the flux gradient and source terms in Godunov-type finite volume shock-capturing schemes and by the moving wet-dry boundary as the flood rises or falls. This paper presents a Godunov-type shallow flow solver on adaptive quadtree grids aimed at simulating flood flows as they travel over natural terrain. By choosing the stage and discharge as dependent variables in the hyperbolic non-linear shallow water equations, a new deviatoric formulation is derived that mathematically balances the flux gradient and source terms in cases where there are wet-dry fronts. The new formulation is more general in application than previous a priori approaches. Three benchmark tests are used to validate the solver, and include steady flow over a submerged hump, flow disturbances propagating over an elliptical-shaped hump, and free surface sloshing motions in a vessel with a parabolic bed. The model is also used to simulate the propagation of a flood due to a dam break over an initially dry floodplain containing three humps.