可控的烟雾变形模拟

针对烟雾在自然无规则状态下对其变形控制困难的问题,提出一种可控的烟雾变形模拟方法.为实现烟雾的变形,在N-S (Navier-Stokes)方程中引入控制形变的吸引力和驱动力;利用MacCormack方法,有效减少了N-S方程求解过程中的数值耗散,使烟雾更好的保持细节;为加快烟雾的变形速度,在预处理阶段采用体素化的方法把目标三维模型数据离散到局部网格上,并计算出模型外网格点处的吸引力系数;为避免变形烟雾与自由运动烟雾交互时吸引力系数的重新计算,在全局网格中动态跟踪包围目标模型的局部网格.实验证明,采用文中方法,能够有效控制烟雾的变形,并实现变形烟雾与自由运动烟雾的快速交互.     

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.     

基于物理模型的烟雾动画模拟

本文结合计算流体力学和计算机图形学,实现了烟雾的模拟动画。文章首先给出了烟雾的物理模型方程,并采用N-S方程和半拉格朗日方法来求解烟雾的物理模型方程,从而得到了烟雾的三维密度场数据,最后用体绘制方法中的光线投射法实现了动画模拟。     

烟雾模拟中Navier-Stokes方程的优化求解方法

针对基于物理方法烟雾模拟中Navier-Stokes方程求解复杂,影响实时性的问题,引入无量纲化处理方法来简化方程形式,减少计算量,提高求解速度。并通过引入MacCormack求解Navier-Stokes方程对流项,实现降低用半拉格朗日方法求解对流项过程中由于时间耗散而导致小尺度细节丢失的问题。实验结果表明,采用文中方法模拟出的效果比较真实,且使基于物理方法的烟雾模拟达到了实时性的要求。     

基于粒子系统烟雾的模拟

传统基于粒子系统烟雾的模拟无法模拟烟雾的扩散行为,而且需要大量粒子,因此满足不了虚拟战场逼真度和实时性的需要.提出一种基于粒子系统理论和离散浓度场相结合来模拟烟雾的算法.在粒子的属性中加人浓度属性,利用三维扩散方程的有限差分建立浓度场,浓度场的变化由浓度场内空间粒子的位置和扩散方程决定,通过浓度场的变化使粒子分裂来模拟烟雾的扩散,通过粒子的运动反映风场的作用.与传统的粒子系统相比,增加了对烟雾扩散的描述,大大降低粒子的数量,该算法保证了生成烟雾的逼真效果,满足了虚拟战场实时性需要.     

基于物理动力学的烟雾建模与渲染

为了提高三维场景中烟雾模拟的真实性,以粒子系统为基础,对烟雾的运动模型与渲染方法进行了研究.为模拟烟雾扩散特性,提出预定义扩散范围的方法来近似控制烟雾的整体扩散区域,并通过线性增大粒子半径来模拟烟雾粒子的自身扩散.在烟雾运动过程中,基于动力学原理,建立了一种较准确的烟雾运动模型,并分析了烟雾粒子扩散过程中风对粒子的影响.在渲染时,为避免传统粒子系统渲染出的颜色过于平滑,利用图形处理器可编程特性,引入法线贴图计算粒子表面的散射光叠加到粒子本身颜色上,增加了烟雾的层次感和颗粒感.实验结果表明,该实现方法粒子运动更加真实,视觉效果更加逼真.     

基于物理模型的烟雾实时模拟

本文提出了一种基于物理模型的烟雾的实时数值模拟方法.真实感和实时性是计算机图形学追求的两个目标.传统的动画技术生成的物体运动是虚拟的,并不能完全反映物体的真实运动.与传统的动画技术相比,基于物理的动画更能表现运动的真实性.在用非粘性不可压欧拉方程表示烟雾的物理模型的基础上,利用破开算子法将其分解成外力项、对流项和投影项分别进行求解,每一步都稳定,因而整个求解也就稳定.求解过程的稳定性保证了模拟可以用大时间步长,也就保证了模拟的实时性.与传统的方法相比,能同时满足计算机图形学的真实感和实时性要求.     

基于物理的烟雾动画设计与实现

在计算机图象学的算法研究中,烟雾、水流和火焰等流体的模拟是一个即困难又吸引人的问题.结合计算流体力学和计算机图形学,实现了烟雾的模拟动画.本文给出烟雾的物理模型方程,并采用N-S方程和半拉格朗日方法来求解烟雾的物理模型方程,从而得到烟雾的密度场数据.最后用体绘制方法实现了三维密度场转换成屏幕上的图像.     

GMRES算法求解烟雾仿真N-S方程

烟雾在大规模战场仿真和复杂环境仿真中扮演着重要角色,因此研究烟雾仿真具有重大意义。提出用广义极小残差算法(GMRES)来求解烟雾仿真中的N-S方程。首先给出GMRES算法的计算原理;其次用GMRES算法对烟雾仿真N-S方程进行求解,并对求解结果进行收敛性分析,分析结果表明GMRES算法可以对烟雾仿真N-S方程进行求解,结果收敛;最后运用GMRES算法通过计算机技术对烟雾进行可视化仿真,仿真结果表明,采用GMRES求解算法的烟雾仿真效果比较真实,基本符合现实中的烟雾。     

一种改进的自适应漩涡限制实时烟雾模拟

针对模拟烟雾过程中,漩涡效果不真实,小尺度漩涡细节丢失的问题,对漩涡限制(Vorticity Confinement)方法进行改进.首先,用可变的空间螺旋性强度取代作用在整个网格上的漩涡系数常量,在低分辨率网格下将自适应漩涡限制作为外力项求解N-S(Navier-Stokes)方程;然后,用B样条插值前采样速度场,减少高分辨率时求解计算量;最后,在高分辨率时将自适应漩涡限制与前采样得到的速度场混合,平滑去除过程中的噪音,产生高分辨率漩涡细节.实验结果表明,采用本文方法改进漩涡限制,烟雾漩涡细节表现更为真实,且达到了烟雾模拟实时性的要求.     

一种烟雾实时模拟的新方法

介绍了一种基于流体力学方程的多尺度流体模型,通过Helmholtz-Hodge算子将模型分解为对流、扩散、外力、投影等项分别进行求解,每一步都稳定,因而整个求解也就稳定。同时利用"涡流限制"的技术提高模拟的真实性。与传统方法相比,该方法能实时高效地模拟具有真实感的二维烟雾效果。     

基于物理模型的实时烟雾模拟

针对使用直接绘制法渲染烟雾时,在高网格分辨率下实时性差的问题,文中提出了一种新的基于纹理的烟雾渲染算法。该算法采用不可压缩的Navier—Stokes方程作为烟雾模拟的基本物理计算模型,从而保证烟雾物理运动的真实性,同时利用OpenGL中的纹理映射技术渲染烟雾,保证了烟雾渲染效果真实,烟雾模拟细节更能体现出来;另外文中还给出了在烟雾中添加障碍物时边界条件的计算方式。模拟实验结果表明,该算法既能满足烟雾模拟的实时性,又能真实有效地模拟烟雾流动情况。     

基于物理的火焰实时渲染

为了实时渲染具有真实质感的火焰,针对现在物理模型计算量大的特点,引入一种改进的物理方法,采用可压缩的Navier-Stokes方程,只求解速度与密度两组物理量。使用解出的密度场数据刻画火焰的形态,再通过火焰的蓝核模型,对密度场数据进行分段插值得出火焰的颜色。该方法可降低解N-S方程的计算规模,提高计算速度,呈现效果真实的动画,能表现出火焰被风吹以及障碍物遮挡的效果。     

A fourth-order accurate compact scheme for the solution of steady Navier-Stokes equations on non-uniform grids

This paper deals with the formulation of a higher-order compact (HOC) scheme on non-uniform grids in complex geometries to simulate two-dimensional (2D) steady incompressible viscous flows governed by the Navier-Stokes (N-S) equations. The proposed scheme which is spatially fourth-order accurate is then tested on three nonlinear problems, namely (i) a problem governed by N-S equations with a constructed analytical solution, (ii) lid-driven cavity flow problem, and (iii) constricted channel flow problem. In the process, we have also expanded the scope of fourth-order 9-point compact schemes to geometries beyond rectangular. It is seen to efficiently capture steady-state solutions of the N-S equations with Dirichlet as well as Neumann boundary conditions. In addition to this, it captures viscous flows involving free and wall bounded shear layers which invariably contain spatial scale variations. Our results are in excellent agreement with analytical and numerical results whenever available and they clearly demonstrate the superior scale resolution of the proposed scheme.     

On the Use of Compact Streamfunction-Velocity Formulation of Steady Navier-Stokes Equations on Geometries beyond Rectangular

In this paper, a new methodology has been proposed to solve two-dimensional (2D) Navier-Stokes (N-S) equations representing incompressible viscous fluid flows on irregular geometries. It is based on second order compact finite difference discretization of the fourth order streamfunction equation on computational plane. The important advantage of this formulation is not only to overcome the difficulties existing in the velocity-pressure and streamfunction-vorticity formulations, but also for being applicable to complex geometries beyond rectangular. We first apply the proposed scheme to a problem having analytical solution and then to the well-studied benchmark problem (problem of lid-driven cavity flow) in viscous fluid flow. Finally, we demonstrate the robustness of our proposed scheme on flow in a complex domain (e.g. constricted channel and dilated channel). It is seen to efficiently capture steady state solutions of the N-S equations with Dirichlet as well as Neumann boundary conditions. In addition to this, it captures viscous flows involving free and wall bounded shear layers which invariably contain spatial scale variations. Estimates of the error incurred show that the results are very accurate on a coarser grid. The results obtained using this scheme are in excellent agreement with analytical and numerical results whenever available and they clearly demonstrate the superior scale resolution of the proposed scheme.     

基于物理模型的烟雾模拟

在分析研究流体物理特性算法基础上,提出一种新的烟雾模拟实现方法。该方法基于物理模型的求解简化方程模拟烟雾的动态变化过程。模型中采用了非粘性欧拉方程,通常它比其他用粘性Navier-Stoke方程建模的更适合用来对气体进行建模并且减少计算量。实验验证该模型还可以正确处理烟雾与移动的物体之间的相互作用。     

应用多重网格技术进行烟雾与障碍物交互模拟

烟雾在高精度网格中与大量障碍物交互十分耗时.为改善障碍物周围的局部视觉细节并进一步提高模拟的实时性,引入多重网格技术与结点分组方法相结合.使用结点分组方法处理障碍物边界条件;在每个障碍物周围,包围一张局部网格,在每个时间步,为每张网格分别求解N-S方程组并在局部和全局网格间传递信息.实验表明,采用文中方法,在障碍物局部模拟精度和单独使用结点分组方法相近的前提下,模拟速度提高了近3倍,达到了更高的实时性.     

MacCormack方法优化烟雾模拟中Navier-Stokes方程对流项的求解

烟雾作为大规模虚拟战场和复杂环境仿真中的重要组成部分,对其进行模拟具有重要的意义.针对基于物理方法烟雾模拟中Navier-Stokes方程求解复杂、影响实时性的问题,提出用MacCormack求解Navier-Stokes方程对流项的方法.首先利用前向对流算子求解前向烟雾速度,然后利用后向对流算子求解后向烟雾速度,最后通过误差评估来修正已经计算的前向对流速度,得到下一时刻的烟雾速度.该方法简化了进退误差补偿修正方法对直接影响烟雾模拟实时性和真实性的对流项的求解步骤,从而减少计算时间.实验结果表明,采用文中方法模拟出的效果比较真实,且使基于物理方法的烟雾模拟达到了实时性的要求.