大规模流体场景的真实感与实时模拟

目的 基于物理的流体动画模拟是计算机图形学领域中的研究热点,针对实际应用中仍难以实现大规模流体场景的真实感与实时模拟,提出了基于shallow water方程的物理模拟方法。方法 首先,给出shallow water方程的稳定欧拉数值求解方法,解决模拟过程中存在的毛刺、陡坡水滴斑点等数值求解的不稳定性问题;其次,提出刚体和粒子系统与流体高度场的稳定耦合模型,实现双向固流耦合和流体表面细节的真实感模拟;最后,设计高度场的多精度网格算法以及粒子的隔点采样方法,加速大规模流体的物理模拟计算。结果 实验结果表明,本文方法解决了传统欧拉方法求解shallow water方程的流体模拟过程中存在的不稳定和计算复杂等问题,在300×300网格分辨率和2.2×10⁴粒子数的规模下,达到了20帧/s的实时模拟速度。结论 本文算法具有良好的高效性和稳定性,适用于电子游戏和视景仿真等实时应用领域中的大规模流体场景的真实感模拟。     

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.     

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LBM算法的大规模人群疏散研究

人群聚集活动越来越多地出现在各种公共场合,而由此引发的各种安全问题也逐渐受到社会各界的重视.在重要建筑和人群密集场所突发重大恐怖事件时,将人员在较短的时间内紧急疏散至安全地带是恐怖事件紧急救援的首要任务.文中提出一种基于LBM的高效的人群疏散算法及模型,该模型将Lattice Boltzmann Method的D2Q9模型应用于人流疏散的模拟过程.该模f的着重点在于研究人群的疏散过程,从人流整体的运动特点考虑疏散问题.针对大规模人群紧急疏散的模拟,可比较精确地预测人流紧急疏散的过程与现象.     

一种视频数据驱动的水体表面模型生成方法

针对视频数据噪声及计算误差造成重建流体高度场时域跳变的问题, 提出一种视频数据驱动的流体表面模型生成方法。首先, 在折射的流体表面重建算法基础上, 利用水下场景视频数据生成初始流体表面高度场; 其次, 为了提高模型的时间连贯性, 用数据驱动方式获取浅水波模拟关键参数的最优值; 最后改进了浅水波模拟的计算求解过程, 并将其作为物理约束来修正初始模型。基于真实数据的实验结果表明, 该方法能够有效平滑流体模型高度场的跳变, 使水体表面重建结果更加准确和连贯。     

基于N-S方程的真实感流体仿真

本文以耐维-斯托克斯(Navier-Stokes)方程这一计算流体力学领域的经典方程为基础,通过对其进行离散化求解,实现对二维及三维流体的真实感实时仿真.这种基于物理的模型能够更真实的反映流体的细节信息,并且可以方便的实现流体与固体的实时交互以及其它一些复杂场景的仿真.这里进一步引入了多种技术来解决求解过程中出现的数值离散问题.     

基于物理的流体模拟动画综述

基于物理的流体模拟近年来成为计算机动画领域的一个研究热点.回顾了该领域中基于物理的流体模拟的发展情况,总结了该研究方向所采用的各类方法,并结合各种现象的特点分门别类地详细展开.其方法总体上可以分为欧拉法和拉格朗日法,涉及的现象包括烟雾、火焰、爆炸、波浪、气泡以及自由运动界面等.最后展望了未来发展的3个重点：细节策略、加速策略和控制策略,以使整个模拟能够更好地满足人们对真实感、实时性以及灵活性的需求.     

Physically-based fluid animation: A survey

In this paper, we give an up-to-date survey on physically-based fluid animation research. As one of the most popular approaches to simulate realistic fluid effects, physically-based fluid animation has spurred a large number of new results in recent years. We classify and discuss the existing methods within three categories: Lagrangian method, Eulerian method and Lattice-Boltzmann method. We then introduce techniques for seven different kinds of special fluid effects. Finally we review the latest hot research areas and point out some future research trends, including surface tracking, fluid control, hybrid method, model reduction, etc. Supported partially by the National Basic Research Program of China (Grant No. 2009CB320804), and the National High-Tech Research & Development Program of China (Grant No. 2006AA01Z307)     

一种拉格朗日粒子流体的高效表面重建方法

为了在几何表示层面捕获拉格朗日粒子流体的表面细节特征以进行真实感绘制,提 出一种高效的基于八叉树的自适应流体表面重建方法。首先进行流体表面粒子的精确检测;然后 根据结点中是否包含流体表面粒子,对流体粒子的包围盒进行基于八叉树的自适应剖分;最后只 在包含流体表面粒子的叶子结点里建立隐式距离场。该方法在流体表面重建过程中的内存消耗和 计算复杂度只取决于流体表面而不是流体体积,适合大规模粒子流体场景的表面提取和绘制。     

基于表面微结构与BRDF的真实感渲染

物体表面细微结构(Mesostructure)对于表现物体表面的形状起着非常重要的作用。如何有效表现物体的表面微结构一直都是计算机图形学领域研究的一个重要课题。文中提出了一种基于光线跟踪的表面微结构渲染方法。该方法通过首先构造一张表面微结构的网格,然后在该网格上进行光线跟踪决定表面微结构上的自阴影和遮挡,最后使用测量得到的BRDF数据确定表面在不同视角和光线角度下的反射系数,能很真实地渲染出物体表面的细微结构和光泽特性。     

基于GPU编程的真实感水面模拟绘制

提出基于GPU编程的真实感水面的优化实时渲染算法。介绍了各种水面渲染需要使用到的图形,数学处理技术。通过固定的顶点流实现了水波建模,凹凸映射贴图和纹理混合,水面的反射和折射等多种特效,并使用可编程流水线的补色渲染完成最后的水面绘制。实验证明该方法可以很好地模拟真实水面的渲染要求,可以满足3D游戏和动画中对水面渲染的需要。     

基于GPU编程的真实感水面模拟绘制

提出基于GPU编程的真实感水面的优化实时渲染算法。介绍了各种水面渲染需要使用到的图形,数学处理技术。通过固定的顶点流实现了水波建模,凹凸映射贴图和纹理混合,水面的反射和折射等多种特效,并使用可编程流水线的补色渲染完成最后的水面绘制。实验证明该方法可以很好地模拟真实水面的渲染要求,可以满足3D游戏和动画中对水面渲染的需要。     

基于Lattice Boltzmann模型的液-液混合流模拟

引入了一种二元Lattice Boltzmann Model（LBM）,实现丁两种液体组成的混合流的模拟．不同于其它的类似模型,它区分考虑了流体的粘性和扩散特性,可以很容易地模拟各种互溶或者不互溶的混合流现象．此外,由于LBM的运算大都是线性的局部运算,这使得它很容易在可编程图形处理器（Graphics Process Unit,GPU）上进行加速,从而进行实时模拟．给出了若干二元混合流的模拟结果．     

Numerical Method Based on the Lattice Boltzmann Model for the Kuramoto-Sivashinsky Equation

In this paper, we proposed a lattice Boltzmann model based on the higher-order moment method for the Kuramoto-Sivashinsky equation. A series of partial differential equations obtained by using multi-scale technique and Chapman-Enskog expansion. According to Hirt’s heuristic stability theory, the stability of the scheme can be controlled by modulating some special moments to design the fifth-order dispersion term and the sixth-order dissipation term. As results, the Kuramoto-Sivashinsky equation is recovered with higher-order truncation error. The numerical examples show the higher-order moment method can be used to raise the accuracy of the truncation error of the lattice Boltzmann scheme for the Kuramoto-Sivashinsky equation.     

基于混合编程的真实感图形生成课件

真实感图形学是《计算机图形学》课程中重要的组成部分,也是实践性很强的教学环节。通过对教学实践过程中存在具体问题的思考,指出了开发真实感图形生成（Realistic Rendering）辅助教学课件的必要性。介绍了基于OpenGL和Cg（C for Graphics）合编程的课件制作方法。课件投入教学使用后,使学生在了解真实感图形学基本原理的基础上,可以掌握最新的图形技术发展动态,动手能力得到了普遍增强,教学效果也明显得到了提高。     

基于混合编程的真实感图形生成课件

真实感图形学是《计算机图形学》课程中重要的组成部分,也是实践性很强的教学环节。通过对教学实践过程中存在具体问题的思考,指出了开发真实感图形生成（Realistic Rendering）辅助教学课件的必要性。介绍了基于OpenGL和Cg（C for Graphics）合编程的课件制作方法。课件投入教学使用后,使学生在了解真实感图形学基本原理的基础上,可以掌握最新的图形技术发展动态,动手能力得到了普遍增强,教学效果也明显得到了提高。     

Parallel Lattice Boltzmann Method with Blocked Partitioning

This paper presents and discusses a blocked parallel implementation of bi- and three-dimensional versions of the Lattice Boltzmann Method. This method is used to represent and simulate fluid flows following a mesoscopic approach. Most traditional parallel implementations use simple data distribution strategies to parallelize the operations on the regular fluid data set. However, it is well known that block partitioning is usually better. Such a parallel implementation is discussed and its communication cost is established. Fluid flows simulations crossing a cavity have also been used as a real-world case study to evaluate our implementation. The presented results with our blocked implementation achieve a performance up to 31% better than non-blocked versions, for some data distributions. Thus, this work shows that blocked, parallel implementations can be efficiently used to reduce the parallel execution time of the method.     

格子波尔兹曼方法的医学图像同步去噪增强算法

格子波尔兹曼的理论基础为分子动理学和统计力学,具有算法简单高效,执行速度快,易于并行处理等优点,近年来成功地应用于图像处理领域.本文针对医学图像反差较低且包含噪声污染的特点,通过设计分段线性拉伸函数作为格子波尔兹曼方程的外力项,实现医学图像的同步去噪和反差增强.同时构建基于TV下降流的PDE反差增强模型与本文的方法进行对比,实验表明,本文的方法处理效果优于TV下降流对应的效果.