粒子方法前处理系统的设计与实现

粒子方法作为一种直观而常见的模拟方法,已在化工、材料、生物等领域广泛应用。本文针对粒子方法前处理过程的实际需求,利用开源项目BRLCAD的相关功能,设计实现粒子方法的前处理系统。该前处理系统包含几何建模、粒子生成、边界生成等3个模块,提供图形化交互式的几何建模和前处理结果显示功能,以完成复杂边界,多种粒子的复杂算例前处理工作,扩展性良好。最后用实例,说明利用此系统处理工作时,能以简单的步骤,建立较复杂模拟算例的初始数据。     

改进的流体模拟固体边界处理算法

流体模拟是计算机图形学的一个重要研究分支,流体的固体边界处理一直是流体 模拟的研究重点,光滑粒子流体动力学(SPH)方法中的镜像粒子法是处理固体边界的一个重要方 法。镜像粒子法通过靠近边界的流体粒子在边界外动态生成对应的镜像粒子来处理固体边界问 题,但随着边界复杂程度的提高,传统的镜像粒子法生成镜像粒子的复杂度也随之提高,模拟 效率随之降低。为此,文章对镜像粒子法进行改进,提出一种新的镜像粒子场量求值方法,有 效地降低了复杂边界情况下生成镜像粒子的复杂度,且使靠近边界的流体粒子场量更加均匀。 仿真实验结果表明,随着流体模拟粒子数的增加以及边界复杂程度的提高,该方法比传统镜像 粒子法效率高的优势也更加明显。     

对称区域边界处理方法及基于表面粒子提取的表面张力计算

流固边界处理一直是流体模拟的研究重点,边界力法和虚粒子法是研究流固边界 的常用方法。边界力法通过对铺设在边界上的粒子施加排斥力防止粒子穿透,但边界力的计算 限制了模拟速度。虚粒子法在边界处生成虚粒子,随着粒子数的增加所需的虚粒子数也随之增 加,导致计算速度下降,且会出现流体与边界分离的现象。为此,提出一种对称区域边界处理 方法,在保证逼真度的前提下满足实时性要求,随着粒子数的增加,其耗时增长也明显比其他 传统方法慢,更适合对复杂场景的模拟,同时避免了边界处流体与边界分离的现象。CSF 方法 是处理表面张力常用的方法,可将表面张力看作体积力进行计算,大大减弱了表面形状对曲率 计算的影响,而事实上曲率的计算只与表面的形状有关。为此,对CSF 方法进行了改进,提出 了一种基于表面粒子提取的表面张力计算方法,减小了传统CSF 方法计算曲率的误差,提高了 计算速度。模拟仿真的效果验证了该方法的有效性。     

粒子初始化方法在雷达目标跟踪中应用

粒子滤波技术通过非参数化的蒙特卡罗模拟方法实现递推贝叶斯滤波,适用于非线性目标运动模型、非高斯噪声的目标跟踪。在实际应用中,初始粒子选取的精度对滤波效果往往会造成很大的影响;本文将竞争策略应用于初始粒子的选取,通过初始观测值生成若干粒子群,并在滤波初始阶段统计各粒子群中的有效粒子数量,最后选择有效粒子数量最多的粒子群构造初始化粒子。仿真结果表明,本算法可以提高初始粒子选取的精度,从而改善滤波效果。     

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。     

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.     

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。     

大规模粒子模拟并行前处理系统的设计与实现

粒子模拟是目前化工、材料、生物等领域重要的研究手段之一.随着计算机软硬件的发展和大规模并行集群的出现,可模拟的粒子规模越来越大,模拟对象也越来越复杂.前处理足粒子模拟初始数据的生成环节,它负责将模拟对象转化为粒子系统,并按照模拟算例需求,将粒子数据输出为文件.前处理是连接模拟对象和模拟计算的纽带.是粒子模拟过程中关键的一步.本文提出的设计方案是首先使用BRLCAD建立模拟对象的三维模型,然后将二维模型转换为空间枚举,接着在空间枚举的规则块中填充粒子,同时通过使用元胞法检测粒子之间的冲突来保证粒子的合法性,最后根据粒子的类型和位置计算粒子的物性并将粒子数据输出到文件.本文根据该设计方案结合MPI并行计算技术,实现了大规模粒子模拟并行前处理系统,并进行了一系列的测试证明了该系统的实用性和可靠性.     

筛选和记忆相结合的粒子群算法*

针对粒子群算法优化高维复杂问题出现局部最优的缺陷,提出初始粒子筛选和最差粒子记忆相结合的粒子群算法。利用熵度量粒子分量分布的均匀性,只有各分量满足均匀性要求时,该粒子才被筛选为初始粒子,以控制粒子在解空间的分布。在速度更新过程中引入最差粒子,避免粒子重复搜索曾经找到的最差位置,以提高算法的搜索效率。根据粒子寻优的成功率动态调整权重,以有效平衡深度和广度搜索能力。用本文算法优化6个经典测试函数,与3种改进的PSO算法相比,本文提出的算法不仅可以平衡局部和全局的搜索能力,还可以提高算法的搜索效率和精度。     

基于混沌粒子群算法的阵列天线容差分析

研究阵列天线性能优化设计,针对阵列天线幅相误差对天线性能的影响,传统的阵列天线容差分析采用统计理论方法,前提需要假设幅相误差服从某种概率分布,导致不同分布的幅相误差对应不同的结论形式,并且公式推导过程复杂.为了在建立阵列天线最坏情况容差分析的数学模型,提出了一种混沌粒子群算法简单实用的阵列天线最坏情况容差分析方法.通过在粒子群算法中利用混沌技术优化初始种群,并对位置更新时引入混沌扰动项和位置更新后进行边界约束,进行仿真,提高了粒子群算法的全局搜索能力.结果验证了算法在最坏情况分析时,可以得到在准确性和稳定性方面的优化结果.     

基于混沌粒子群算法的物流配送路径优化

通过结合混沌的遍历性和粒子群的快速性的优点,提出了一种用于求解物流配送路径优化问题的混沌粒子群优化算法。该算法利用混沌变量产生初始粒子群,对子代部分粒子群进行微小扰动,随着搜索过程深入逐步调整扰动幅度,通过调整惯性权重因子克服标准PSO算法的早熟和易陷入局部最优值等缺陷。将混沌粒子群优化算法用于物流配送路径优化,建立了数学模型,在此基础上设计了相应的算法。将该算法和遗传算法、标准粒子群算法进行比较,证明了其收敛速度和寻优能力的优越性。     

基于粒子系统的实时雨模拟

基于流体动力学和粒子系统理论，给出了一种实时生成三维雨的方法。算法以矩形基本粒子对雨粒子进行造型，采用动态纹理映射技术和透明度扰动方法，根据雨滴的降落运动方程，来描述不同大小雨粒子受到重力和空气浮力、阻力影响时的运动效果，采用与视点相关技术动态生成三维降雨场景。与传统的雨模拟算法相比，该算法既正确模拟了雨的运动行为，又降低了计算复杂性，真实再现了雨的三维视觉效果，在满足实时交互漫游的前提下表现出较强的真实感，具有一定的实用价值。     

自适应群体结构的粒子群优化算法

粒子群优化算法中,群体结构的组织模式直接决定了粒子间信息的共享和交流方式.根据复杂网络形成过程中的动力学原理,提出了一种自适应群体结构的粒子群优化算法.算法初期粒子空间分布分散,搜索过程中不断产生新的连接,群体的搜索模式由L_best? 模型逐渐进化为G_best? 模型,群体结构的这种进化方式有利于算法早期的“勘探”和后期的“开采”.实验结果表明,新算法在收敛性能上获得了较大提高.     

基于改进粒子群优化算法的路径规划

针对二维静态环境下移动机器人路径规划问题,该文提出一种改进的粒子群算法求解最优路径。首先,由于传统的粒子群算法初始化粒子时并未考虑到粒子初始位置是否占障碍物空间,没有对占障碍物空间的粒子进行处理,导致粒子初始有效性低下,全局寻优不准确和全局寻优时间长。然后,为解决此问题,在初始化时采用一种修正粒子算法,解决初始时粒子有效性低下的问题。比较传统粒子群算法和该文算法的仿真结果。仿真结果表明,采用这种方法极大限度地增大了初始粒子的有效性,使算法迭代时可以更加快速准确地得到全局最优路径,所提方法有效可行。     

改进粒子滤波算法及其应用仿真

针对目标跟踪中粒子滤波算法的估计精度不高、粒子退化问题,文中提出了一种GH．RPF算法．在粒子滤波的基础上,应用高斯．厄米特滤波来产生重要密度函数,同时对重采样采用正则变换以改善采样粒子的多样’生．将该算法应用于非线性、非高斯的目标跟踪中,仿真结果表明,与标准粒子滤波及EKPF相比,该算法的滤波精度更高,具有更高的跟踪性能．     

独立自适应调整参数的粒子群优化算法

针对传统粒子群优化算法在求解复杂优化问题时易陷入局部最优和依赖参数的取值等问题,提出了一种独立自适应参数调整的粒子群优化算法。算法重新定义了粒子进化能力、种群进化能力以及进化率,在此基础上给出了粒子群惯性权重及学习因子的独立调整策略,更好地平衡了算法局部搜索与全局搜索的能力。为保持种群多样性,提高粒子向全局最优位置的收敛速度,在算法迭代过程中,采用粒子重构策略使种群中进化能力较弱的粒子向进化能力较强的粒子进行学习,重新构造生成新粒子。最后通过CEC2013中的10个基准测试函数与4种改进粒子群算法在不同维度下进行测试对比,实验结果验证了该算法在求解复杂函数时具有高效性,通过收敛性分析说明了算法的有效性。     

基于GPU粒子系统的大规模雨雪场景实时模拟

基于粒子系统的雨雪模拟大幅提高了三维场景的真实感,但传统的基于中央处理(CPU)的粒子系统的渲染效率难以达到在大规模场景中进行雨雪渲染的要求.为此,提出了一种基于GPU的粒子系统来渲染雨雪场景的算法.该算法在视点前的一个固定区域内产生和绘制粒子,在顶点着色器中进行粒子属性的更新,在几何着色器中将粒子从点扩展为矩形,并对每一帧中的粒子的属性进行缓存处理,保证了粒子属性更新的连续性.此外,采用多幅雪花纹理与粒子随机组合,使雪花效果符合多样性和随机性.实验结果表明,该算法能在大规模场景中进行雨雪效果的实时渲染,并有较高的真实感.     

虚拟手术流血模拟的GPU加速实现

目的 流血效果是虚拟手术模拟器视觉效果的重要组成部分,血流与固体交互的庞大计算量使取得实时的流血模拟效果具有很大的挑战性。提出一种基于图形处理单元(GPU)加速的虚拟手术流血效果模拟方法。方法 该方法以Müller等人提出的光滑粒子动力学(SPH)作为基础,采用温度项使粒子具有不同速度模拟血流形成的血槽,同时基于构建均匀空间网格的思想,利用通用并行计算架构(CUDA)多线程并行加速技术完成粒子控制方程的求解和血流与固体交互的计算,从而取得实时的效果。结果 实验结果表明,本文方法能够满足虚拟手术中切割表面流血和血液在器官中流动的模拟需求,在粒子个数为9000时仅需20 ms,对比于纯CPU的实现取得20.15倍的加速比,实现了大量粒子下的实时流血模拟。 结论 本文方法具有较好的灵活性和实时性的特点,可以应用于虚拟手术仿真系统之中。