SPH体积映射流固交互的稳定性及细节提升方法

针对现有的光滑粒子流体动力学(SPH)流固交互方法中存在的稳定性以及流体细节表现不佳的问题,提出一种改进的体积映射流固交互方法.首先采用无散度SPH方法对流体进行建模,保证流体的不可压缩性;然后引入体积映射方法处理固体边界,以隐式函数的形式表示边界而无需使用粒子,解决粒子采样的固体表面不平滑的问题;再引入移动最小二乘法对固体边界上的压强进行插值,避免压强镜像带来的误差,提升体积映射方法中压强和压强梯度计算的精确性,提高系统的稳定性;最后引入粒子重采样方法进行流体表面细化,充分表现流体表面区域的不同粒子特征,增强流固交互后的流体细节,提高真实感.在斯坦福大学公开的基本三维模型上的实验结果表明,所提方法能够真实、稳定地表现不可压缩流体与固体的交互现象,处理多个静态或动态固体的复杂场景,并且能够有效地刻画流体细节.     

真实感固流交互动画的统一物质点法模拟

固流交互模拟是基于物理的流体模拟技术的重要研究内容,其中如何解决非穿透 和滑移接触是难点。为此,提出一种真实感固流交互动画的统一物质点法模拟方法。首先,给 出一种基于物质点法的快速微可压缩流体模拟方法,并在统一背景欧拉网格上对固体和流体动 量方程进行求解;其次,检测固流接触区域并在其上构建局部多重背景网格,给出一种动量守 恒保持的速度修正方法对固体和流体各自网格结点进行速度修正,从而实现固流交互的非穿透 和滑移接触效果模拟。实验结果表明,该方法可以模拟稳定、真实的固流交互动画,适用于计 算机图形学和虚拟现实领域中的真实感模拟应用。     

流-固交互及可变形体破裂的真实感模拟

为了模拟流体与动态环境的相互作用,提出一种流-固交互及可变形体破裂的真实感建模与绘制的算法.该算法使用光滑粒子流体动力学(SPH)与有限单元法(FEM)分别对流体与变形固体进行建模;再根据流-固交互作用的特点,给出一种快速分离液体表面粒子与固体表面网格的交互方法,并采用虚节点的流-固耦合模型模拟了液-固相互作用力.文中算法可用于多个流-固交互破裂的现象,如水管崩裂、水冲堤坝等.     

SPH扩展方法实现液体与固体交互实时模拟

为解决模拟液体和固体交互时速度缓慢与效果不真实的问题,对传统SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)方法进行扩展.首先,将液体和固体均视为粒子的集合,使用SPH扩展方法模拟液体的流动,固体粒子作为液体粒子的一部分与液体交互,同时保持固体自身的形状,减少了计算量;其次,为了加快搜索液固交互时相互作用粒子的速度,解决SPH中搜索最近相邻粒子速度较慢的问题,提出链表搜索方法搜索相互作用的粒子;最后,运用Marching Cubes体绘制算法重建液体表面,实现液固交互的真实模拟.实验表明:5000粒子规模以下、光滑半径为0.01时,液固交互的绘制帧率达到14-74帧/秒;同时,液体的飞溅及漩涡表现更加真实.     

物质点法的物体断裂细节绘制算法优化

针对物体断裂仿真中因采样不均匀导致的断裂细节不真实问题,提出一种优化基于物质点法的断裂表面细节的方法.首先采用物质点法处理断裂过程中出现的大的拓扑变化,增强碰撞和断裂处理的效率,减少计算量;然后引入弹性与塑性之间的流动规则,解决物体断裂时屈服条件不稳定的问题,增强真实性;最后采用重采样方法处理产生的空洞区域,改进网格的划分方式,从而增加断裂面的细节,有效地体现断裂效果.实验结果表明,与现有的物质点法的物体断裂相比,所提方法在保证帧率、时间步长等相关参数稳定的前提下,填补了断裂空洞,能够在视觉上表现更加丰富的断裂面细节.     

液固交互过程中固体破碎现象的实时模拟

提出一种适用于液固交互过程中的固体破碎模拟方法.针对传统液固交互边界处理算法复杂,难以实时模拟固体破碎的缺陷,本文基于SPH算法,提出对液体与固体使用统一的粒子表示,将预测校正方案应用于处理液固交互过程中固体之间的碰撞问题,从而将固体破碎过程简化为固体碎片边界粒子生成的过程,并使用形状匹配算法对固体碎片进行形状约束.实验结果证明,采用文中方法能够实时模拟出液固交互过程中,细节丰富的固体破碎现象,效果真实.     

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.     

SPH固流交互中的实时固体破碎动画模拟

目的 针对固流交互中的固体破碎现象模拟研究较少、物理模型复杂、多求解器耦合性差、真实感与实时性难以兼顾等问题,提出一种适用于光滑粒子流体动力学（smoothed particle hydrodynamics,SPH）固流交互统一粒子框架的实时固体破碎模拟方法。方法 首先,结合断裂力学理论与统一粒子框架下固体边界粒子的空间和物理特性,构建基于物理的能量分析模型。然后,通过实时分析固体与流体之间的能量转化和自身能量平衡,将满足条件的粒子作为破碎发生的启发点。最后,采用基于几何的碎块生成方法,将启发点集作为种子点构建Voronoi图,完成碎块的生成。为确保模拟系统实时性,将模拟系统进行并行优化并加载至图形处理器（graphics processing unit,GPU）并行执行。结果 通过在不同复杂度和粒子规模的实验场景中进行模拟得到的结果表明,本文方法能够稳定地模拟固体受到流体冲击后发生的破碎现象,破碎细节真实感良好,在百万级粒子规模下能够满足实时性要求,可大规模并行执行且GPU加速效果显著,加速收益随场景规模增大而增大。结论 与现有研究相比,本文方法充分结合物理与几何方法的优点,与SPH统一粒子框架具有更高的耦合性,能够稳定地模拟固流交互中的固体破碎现象,细节符合现实世界物理规律,真实感渲染效果良好,可应用于洪涝、海啸、溃坝和泥石流等自然灾害的交互式预演、电子游戏特效等领域。     

基于完全拉格朗日粒子方法的物理动画模拟

自然界中不同类型物体和行为的真实感模拟是物理动画的重要内容,但实现基于统一数值方法的模拟仍是研究难点。基于光滑粒子动力学方法和连续介质力学物理模型,提出一种基于完全拉格朗日粒子方法的物理动画模拟算法,模拟刚性物体、弹性物体和不可压缩流体的动力学行为。此外,结合固体表面粒子的自适应采样方案和相对贡献计算方案,提出一种稳定的固流交互算法。实验结果表明,该方法适合于虚拟环境中不同类型物体运动和交互的统一建模和模拟。     

多精度混合弹性变形及其交互模拟

固体的弹性变形模拟作为计算机物理动画领域的重要内容,如何在保证模拟真实感的同时尽可能地提高计算效率以满足交互应用,一直是其研究难点.为此,提出一种多精度混合弹性变形模型来高效地模拟固体的弹性变形及其交互.该模型通过对物体计算空间进行物理和几何区域的用户自定义比例划分,并混合处理交界面处计算结点,实现2种变形区域的稳定耦合;利用虚拟顶点算法对物理变形区域进行稳定和光滑的虚拟切割模拟;提出自适应边界粒子采样的固流耦合算法模拟固流交互.实验结果表明,文中模型通过调整2种区域计算结点的比例,控制和调整弹性变形模拟的效率和精度,可以满足虚实交互和固流交互模拟中稳定和高效的性能需求.     

基于窄带的自适应Level Set方法

Level Set模型将运动界面表示为高维场函数的零等值面,自然而鲁棒地解决了界面演化中拓扑结构改变的问题,但计算效率不高.文中提出了基于窄带的自适应Level Set方法.自适应方法首先构建粗网格满足界面演化的整体需求,同时估算粗网格点的曲率值,使用快速扩散法聚类高曲率点,通过主元分析估算点集朝向,构建细网格捕捉演化中的细节区域.粗、细网格均为独立的计算单元,定义为存储网格中的有向包围盒.这种数据结构可以有效避免频繁的坐标变换和插值操作,同时保证了数值解的精度.实验结果与误差分析表明,自适应方法能有效减少计算量,达到更好的界面跟踪效果.     

基于透视网格的自适应窄带表面粒子提取方法

为了提升基于粒子的流体表面重建效率,提出了一种基于透视网格的自适应窄带表面粒子提取方法。与基于物体空间的方法相比,该方案根据粒子密度、离散系数等信息自适应提取视锥范围内最靠近视点的表面粒子,使表面粒子数、内存消耗仅与可见的表面区域相关,而不是整个流体表面或模拟域。此外,利用透视网格沿视线排布的优势,提出了基于粒子密度的自适应厚度估计方法。实验结果表明,该方案有效减少了40%～76%的表面粒子和30%～50%的内存开销,解决了表面粒子冗余和空洞问题,并以较低的代价获取了厚度信息。该方案为后续的表面重建和渲染带来了明显的性能提升,可以更好地处理大规模粒子集的重建和渲染。     

SPH 流固耦合模拟自适应采样固壁虚粒子边界处理方法

固壁虚粒子边界处理方法是流体模拟中一种主要边界处理方法,但其不能确保流 体粒子不穿透固体边界,并且计算量较大。为防止流体粒子穿透边界,在边界附近设置一个阻 尼区,阻尼区内的流体粒子被边界施加一个弹性力和一个和流体粒子运动速度方向相反的阻尼 力,使得边界附近流体粒子更加稳定。为减少计算量,提出两种边界粒子自适应采样法：一种 是依据边界周围粒子数目的不同,边界粒子自适应地采样质量不同的大小粒子;另一种是依据 边界周围粒子数目的不同,边界粒子自适应的采样不同层数的相同质量粒子。与传统的固体边 界粒子采样方法相比,该方法减少了边界粒子数目,加快了模拟速度,节省了计算机内存,基 于GPU 加速技术实现的三维流体模拟,能够进行实时交互。     

可互溶液体的真实感模拟

液体互溶混合现象在日常生活中非常常见,但是由于不同液体之间的交互扩散过程非常复杂,对于这类现象的真实感模拟非常困难.为此,提出一种基于体积函数的方法来模拟液体之间的互溶扩散现象.该方法中,流体方程采用二阶精度的有限体积法求解,通过在每个计算网格单元中跟踪记录每种液体组分在网格单元内所占的体积比例,来模拟不同液体之间的交互扩散过程;并利用基于八叉树的自适应网格细分算法对计算过程进行加速.实验结果表明,与已有方法相比,文中方法更加稳定,更容易获得细节丰富的液体交互模拟结果.     

细节保护的流体表面绘制方法

为了在流体仿真中实现逼真的可视化效果,有效地保护流体表面细节,提出一种面向粒子流体的表面绘制方法.首先定义了一个自适应标量场计算模型,用自适应的椭球型核函数取代传统的球型核函数,并通过约束校正的方法获得自适应的粒子半径;为了降低内存消耗,提出表面粒子提取方法,根据粒子的数量自动计算网格的分辨率,并仅在接近表面的粒子上生成标量场;在绘制阶段,将场景中物体的几何绘制与光照计算解耦和,在着色中采用屏幕空间的折射与焦散方法.实验结果表明,在不同规模的粒子流体场景中,该方法都具有很好的可视化效果和性能.     

微可压缩SPH流体的稳定性固体边界处理算法

固流耦合,即流体的固体边界处理一直是基于物理的流体模拟技术的研究重点.为解决SPH流体模拟中固流耦合存在的交界面处流体粒子衰减和穿透问题,提出一种固体采样边界粒子与动量守恒保持的位置-速度修正方案相结合的固流耦合方法.首先在预处理阶段对快速格子形状匹配(fast lattice shape matching,FLSM)模型表示的固体边界进行表面和内部边界粒子采样;然后在运行过程中计算流体粒子密度和受力时考虑边界固体粒子的相对贡献;最后利用动量守恒保持的位置-速度修正方案对流体粒子进行位置和速度的修正.为了提高计算速度以满足交互式应用需求,把每个迭代步长内的计算完全并行化后加载到GPU上进行加速处理.实验结果表明,该算法实现了微可压缩SPH流体与刚体以及弹性体的双向耦合,并可以高效、稳定地模拟固流耦合中的非穿透、液滴飞溅、溶解等复杂现象.     

固体入水的边界压力处理及表面粒子位置的修正

基于传统光滑粒子流体动力学(SPH)方法的边界力法、虚粒子法或耦合力法处理固体入水时,流体与固体交互界面的粒子密度不连续、压力不稳定、固体边界处会发生部分流体粒子穿透或分离等现象,而流体表面因为受到力的作用,表面破碎后,液面较粗糙.针对上述问题,结合边界力和虚粒子的优点,对耦合力法进行改进,处理运动固体边界,阻止流体粒...     

基于SPH 的雨滴打击不规则边界的模拟方法

为实现对雨滴打击树枝等不规则边界过程的模拟,研究了流体粒子在网格表示的 固体边界处的受力情况,提出了一种不需要粒子采样的边界受力模拟方法。采用高斯积分法则 对网格模型的三角面片进行积分,并就此对固液边界的粒子的密度进行修正,以积分的方法对 固体边界处的压力、粘性力等参数进行计算,从而保证边界粒子受力的连续性。同时,还提出 了一种吸引力模型,用来控制粒子在沿着物体表面滑落时的运动。实验结果表明,该方法在模 拟水滴铺展、收缩、沿着边界流动等现象时达到了较为真实的效果。     

几种溃坝问题的SPH方法数值模拟

光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)法是近二十年来发展起来的一种纯的拉格朗日无网格粒子方法.由于它计算空间导数时不需要使用网格并且具有自适应性质,从而避免了高维拉氏网格法中的网格缠结和扭曲的麻烦,被广泛地应用到了各种领域.通过介绍SPH方法并结合浅水波方程,引入处理边界问题常用的虚粒子方法.利用SPH方法结合虚粒子的方式讨论了对于溃坝问题中常见的漂浮物和障碍物的模拟,并通过数值实验的方式证明了此方法在模拟复杂流体运动上的可行性,为SPH方法的进一步发展和广泛应用奠定了基础.     

基于增强PyrLK光流法的三维树木骨架重建方法

针对树木骨架重建要求手工交互多、不精确的问题,提出了用增强Pyr LK光流法对树木骨架进行重建,且可以基于多幅图像完全自动化地进行树木建模.首先在传统Pyr LK光流法的基础上加入了特征点的仿射变换和迭代追踪,提出增强Pyr LK光流法,解决了传统Pyr LK光流法不支持特征点旋转和双向匹配验证的问题;其次利用邻域的泛洪和局部点云的拟合进行高速、准确的树木骨架抽取,提出了三维体素泛洪和最小二乘拟合的方法.实验结果表明,文中方法能够快速重建出极具真实感的三维树木骨架模型.