光滑粒子流体动力学流体仿真交互性研究

为了加强虚拟水体的交互性,在基于物理的水体仿真基础上,应用并扩展了光滑粒子流体动力学技术,提出了一种基于粒子的流体仿真算法.该算法通过对光滑粒子流体动力学基本算法进行扩展,解决了虚拟水体与虚拟场景中的静态实体以及动态实体的交互问题,并给出了仿真算法的程序实现方法.实验表明,该算法既满足了虚拟水体渲染的实时性要求,同时又解决了虚拟现实场景中水体与其它物体的交互性问题.     

基于改进SPH的皮肤表面血流模拟算法

针对现有血流真实感绘制中采用的动力学模型精度较低的问题,提出一种基于改进光滑粒与动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)的皮肤表面血流模拟算法。首先对血液模拟算法进行分析,选取Casson流体作为血液流动现象的流体动力学模型;然后,根据Casson流体的动力学方程的特点,对传统的SPH方法进行改进,并用改进后的方法对血液流动现象进行数值计算;最后将得到的血液粒子运动学信息用于模拟皮肤表面的血流过程。试验结果证明,该方法降低了传统方法的复杂度,提高程序的计算精度,为虚拟手术中对皮肤切口出血的仿真研究提供了新思路。     

SPH耦合有限元方法的水射流弹塑性碰撞模拟

针对有限元分析（FEA）处理流固耦合及超大变形问题时所存在的困难,提出了光滑粒子流体动力学（SPH）耦合有限元的方法来模拟水射流与刚性表面和塑性表面的碰撞过程.在SPH计算中,采用计算几何中的Voronoi图给每个SPH粒子赋予质量,并采用可变光滑长度考虑大变形中粒子相互间距的变化.分析了水射流与刚性表面的弹性碰撞,给出了射流变形与压力传播过程.对于水射流与塑性表面的碰撞,将SPH方法与有限元方法通过接触算法加以耦合,其中水射流以SPH粒子建模,而目标体以有限元方法建模.通过该耦合模型研究了在不同射流速度下切割深度与成坑孔径的变化,为理解切割机理和优化工作参数提供了参考.     

三维水面模拟的研究与实现

简述了基于正弦波的水波模拟的算法,重点介绍了使用GPU编程对水波进行实时模拟和渲染的方法.该方法充分利用GPU提供的可编程特性及强大的计算能力,既能绘制具有真实感的水面,又能满足实时渲染的速度要求.     

光滑粒子流体动力学方法在拱坝中孔泄流冲击水垫塘模拟中的应用

为验证光滑粒子流体动力学方法的计算程序对自由表面大变形问题的模拟结果是否准确,基于光滑粒子流体动力学方法,建立溃坝模型,通过与物理模型试验结果对比,两者自由液面相似度为91.7％,内部压强分布合理,说明该程序能相对准确模拟流体大变形问题.在此基础上,建立了拱坝泄流模型,模拟了中孔泄流冲击水垫塘过程,结果显示:下泄水流流...     

基于粒子系统的3D动态火焰模拟

为了在虚拟场景中绘制复杂的火焰,解决模拟火焰时在实时性和逼真性方面所出现的问题,提出了一种基于粒子系统的火焰模拟方法。通过粒子系统的几何建模方法,实现火焰粒子的不断生成和消亡,得到在三维场景中具有动态感的火焰;通过引入Gyarmathy模型和控制粒子行为的Perlin噪声,实现模拟火焰的运动效果;通过对每个粒子进行纹理贴图及渲染处理,增加三维场景中物体的真实感。实验表明,重力和风力反映了火焰的消亡规律和运动情况,并实时模拟复杂火焰模型;纹理贴图增强了火焰的立体效果,实现了复杂火焰模型的逼真性。     

两种SPH算法在模拟不可压缩流中的比较

基于二维腔剪切流模型,对弱可压缩光滑粒子流体动力学（WCSPH）和不可压缩光滑粒子流体动力学（ISPH）两种SPH算法进行了对比分析。分别使用了排斥力方法与静态粒子法来设置边界。结果显示：ISPH算法在计算速度场和压力场时,计算精度均较WCSPH算法高;时间步长不像WCSPH算法受声速的限制,计算效率更高。     

面向飞行模拟的云仿真及其实时绘制

改进并建立了云光照模型,引入了大气密度与海拔高度间的关系,并基于粒子尺度对散射相函数进行加权以提高仿真精度。针对飞行模拟的静态/动态云绘制,提出了基于粒子系统和Texture Sprites实现云谱交互建模的有效方法。为达到实时绘制,采用动态生成Impostor技术和GPU加速仿真及实时绘制。将本文提出的粒子云绘制技术集成于飞行模拟器的视景系统,能够增强虚拟环境的真实感、沉浸感,并满足限时系统的交互要求。     

基于SPH耦合有限元法的喷丸残余应力场数值模拟

针对有限元方法不能有效模拟喷丸加工过程中大量弹丸反复冲击的现状,使用光滑粒子流体动力学法(smoothed particle hydrodynamics,SPH)耦合有限元法(finite element method, FEM)模拟喷丸强化过程。工件采用FEM建模,弹丸采用SPH建模,通过接触算法实现SPH和FEM的耦合以模拟弹丸对工件的强化作用。提出弹丸流的材料模型,分析了相关参数对工件残余压应力分布和能量利用率的影响。结果表明,随着弹丸打击次数的增加,工件表面残余压应力分布逐渐趋于稳定;高覆盖率能有效改善工件表面残余压应力分布,低覆盖率则会降低喷丸效果;适当提高弹丸速度虽然可以使残余应力层深度和最大残余压应力值增加,但会降低能量利用率。通过与相关实验数据的比较,验证了仿真模型和结果的正确性。     

非均匀玉石真实感实时渲染方法

针对具有非均匀特性的半透明高光玉石真实感渲染问题,提出一种利用高光层、散射层光照模型叠加的模拟方法。该方法结合散射剖面实现非均匀玉石多重散射的效果,同时利用预计算的本地厚度贴图结合高斯模糊,实现基于表面厚度的光透射表现,并通过与基于微平面的高光反射项在能量守恒的基础上叠加,达到模拟真实感的效果。实验结果表明,该方法能实现不同种类非均匀玉石的真实感渲染,并保证了模型片面数较多情况下的实时效率。     

虚拟手术中缝合过程的相关技术

针对虚拟手术缝合过程中软组织与缝合线交互模拟实现困难的问题,提出一种新的缝合模拟方法。首先,采用质点弹簧模型对软组织建模,为使软组织形变更加真实,在软组织质点间引入内摩擦力系数;其次,为更好地保持缝合线的刚体特征的同时,保证软组织和缝合线的交互过程接近物理真实,几何和物理方法相结合建模缝合线,运用质点弹簧模型可以对产生交互的软组织结点和缝合线结点进行受力分析,采用跟踪头结点算法计算缝合线的新位置;最后,考虑到多次缝合时软组织形变相互影响,利用已缝合结点的对应缝合点计算两个软组织的形变。实验表明,该方法有效提高了软组织形变和缝合线运动真实感,同时保证了模拟过程的实时性。     

基于分块的大规模地形实时渲染方法

将地形数据分块技术、层次细节模型（LOD） 技术、改进的ROAM 算法和数据预取技术等相结合,提出了一种超大规模地形数据实时渲染方法.通过分块策略对规则网格进行区域分割,采用空间填充曲线对分块网格进行多分辨率排列,并建立三角形节点顺序与剖分点之间对应关系的快速检索,实现数据快速调度;视见体投影简化分块裁剪算法降低可见性判断的复杂度,提高了计算效率;改进的四队列ROAM实时构网算法,很好地利用了相邻帧的相关性,有效地提高了渲染速度;基于视点预测、部分数据常驻内存的多线程数据预取实现了场景规模基本不相关的连续LOD实时渲染.实验结果表明,该算法高效可行,适合于海量地形场景的快速渲染和交互漫游应用.     

利用混合语言编程实现计算流体动力学计算结果可视化

探讨了混合语言编程技术在实现计算流体动力学模拟结果可视化应用中的一些主要技术问题,在此基础上,具体实现了对二维温差泊肃叶流数值模拟的交互式控制和实时流场显示,对克服流体流动数值模拟过程中的非直观性和不能进行交互处理具有一定的应用和参考价值.     

基于涡粒子的真实感烟雾快速模拟

基于物理的流体模拟方法通过数值求解流体的控制方程可获得逼真的模拟结果,但求解中易产生数值耗散造成流体细节丢失.本文提出采用涡粒子模拟流体,通过求解涡度形式的流体控制方程获得涡度场,再将涡度场转换为不可压的速度场,可降低对流数值耗散,自动保证速度场散度为零,因而能够保持更丰富的流体细节.针对算法在涡度转换为速度时需求解泊松方程的性能瓶颈,基于图形处理器（GPU）设计并实现了一个高效的预条件共轭梯度法求解方程,比现有求解器加速超过10倍.实验结果表明,与现有方法相比,本文算法能够获得真实感更强的流体模拟效果,且模拟速度显著提升.     

SPH耦合FEM模拟弹丸撞击对表面形貌的影响

为消除有限元法(finite element method, FEM)处理切屑分离及大变形问题的局限,使用光滑粒子流体动力学法(smooth particle hydrodynamics, SPH)耦合FEM模拟此类问题。工件使用SPH建模,弹丸使用FEM建模,二者通过接触算法实现耦合,通过仿真实验研究锐边弹丸在不同入射条件下撞击工件时,弹丸的翻转效应对工件表面弹坑深度、切屑堆积高度的影响。结果表明:当前倾角较大时,弹丸向前翻转,对工件表面产生碾压作用,形成尖锐的弹坑,切屑堆积在弹坑前部边缘不与工件分离;当前倾角较小时,弹丸向后翻转,对工件表面产生铲削作用,切屑与工件分离,弹坑横截面光滑而平缓。通过与相关实验及理论数据的比较,验证了仿真模型及结果的正确性,为锐边弹丸侵蚀工件表面的仿真研究提供新的手段。     

SPH和FEM耦合法模拟磨料水射流中单磨粒加速过程

针对Eulerian和ALE(arbitrary lagriange eulerian)方法仿真研究磨料水射流喷嘴中磨料粒子加速过程的局限性,提出采用SPH(smoothed particle hydrodynamics)耦合FEM(finite element method)的方法研究后混式磨料水射流喷嘴中低速磨料粒子在高速水射流作用下的流体动力学特性和磨粒加速后撞击靶材的全过程。水用SPH建模,磨料粒子、喷嘴和工件用FEM建模,通过接触算法实现SPH和FEM的耦合以模拟后混式磨料水射流加工的全过程。仿真研究了磨粒和水在喷嘴中各自的速度变化过程;单磨粒在喷嘴中的运动轨迹;不同直径的磨料粒子在不同水压作用下的速度变化过程;不同直径的磨粒在不同直径的混合管中出口速度的变化规律;磨料粒子在工件上的撞击深度。通过与相关实验及理论数据的比较,验证了仿真模型和结果的正确性。     

基于粒子系统的降雪过程模拟

对降雪现象的模拟,可以大大提高三维场景的真实感.粒子系统是实时模拟降雪效果的一种有效方法.本文基于粒子系统的基本原理建立了雪粒子系统模型,模型分析了雪粒子的属性、雪粒子的运动及雪粒子的绘制等,并提出了基于粒子系统和OpenGL的降雪实时模拟生成算法.实现结果表明,该方法可以实时绘制出比较真实的降雪现象.     

基于Virtools的虚拟商场漫游系统的设计与实现

介绍了3DS Max结合Virtools开发工具的虚拟现实设计方法及整个三维虚拟商场的制作流程,采用3DS Max构建3D模型,制作3D动画,在模型构建中,采用层次细节技术和纹理贴图技术相结合的方式,在节省创作时间的基础上,提高了场景的实时渲染速度。在场景的交互设计中,本系统利用碰撞检测技术来保证系统漫游的真实感,最终实现了具有沉浸感、现实感、交互感的商场漫游系统。     

基于粒子系统的Direct3D火焰模拟改进算法

针对火焰难于精确描述的不规则、不确定动态特性,提出了一种改进的实时火焰模拟算法。在初始化火焰粒子的位置属性时,设计半球面火焰粒子发射器,优化火焰粒子的初始位置;将火焰模型设计成5层颜色模型,简化火焰的复杂运动;采用Direct3D点精灵技术,提高系统的时间性能;分层控制运动场的运动,实现火焰形状的动态改变。同时启动 Alpha混合处理,使火焰在不同颜色层次混合,极大地增强了火焰的真实感。实验结果表明,改进后的算法大大减少了粒子数量,降低系统运行时间,达到了实时的要求,而且所生成的火焰具有较强真实感的颜色变化和动态摇曳等特性。     

肥皂泡颜色形状及其在风场中运动的真实模拟

带有虹彩效果的肥皂泡及其运动的模拟是真实环境模拟或电影游戏的重要组成部分,在具体应用中由于光干涉现象的复杂度影响了模拟的速度和效果。几何结构方面采用基于余弦定理和相似三角形的方法,计算任意半径的肥皂泡合并后中间薄膜所在球的半径及位置,公式更具有普遍性;颜色渲染方面利用基于动态纹理的反射光线计算方法,并引入精确光学折射算法,绘制肥皂泡表面的虹彩颜色;与风场交互运动方面,通过计算基于三角面片的肥皂泡上每个点的受力方程,控制整体运动。实验在保证肥皂泡真实度的前提下,提高了模拟速率和可视化效果。