基于物理的流体动画综述

文中针对基于物理的流体动画技术给出了一个全面的前沿性综述.作为模拟真实流体效果的最常见方法,基于物理的流体动画近几年来产生了大量新的研究成果.文中将现有方法分成3类:Lagrange法、Eular法和晶格Boltzman方法,对它们进行对比讨论:介绍了7种不同类型流体现象的模拟技术,并重点评述表面跟踪与表示、流体控制、混合方法、模型降级和GPGPU等研究热点.     

耦合几何特征的高精度流体动画建模方法

动漫制作中涉及到大量的流体动画特效,视觉逼真性是它们的基本追求.然而,传统的物理模型计算代价高、效率低且流体细节易丢失.针对这些问题,文中提出一种耦合几何特征的高精度流体动画生成方法,通过利用不同流体细节(如水面和水花)之间的相关性提高计算效率和计算精度.该方法首先建立几何模型,对流体表面易于产生流体细节的区域即细节敏感区域进行定位、量化和跟踪.然后将几何模型与高精度流体动画物理模型相耦合,通过将几何模型中的定位量化函数映射为粒子密度函数,以此调整物理模型中的粒子集,从而更有效地产生高精度的流体水面和水花等细节效果.实验结果表明,文中方法能够提高流体动画计算的效率和精度,高效地生成更具有视觉真实感的流体动画.     

基于粒子的动态流体模拟与GPU实现

针对动态流体模拟的细节复杂特性，采用一种基于粒子的新方法，当流体发生大幅动态变化时，该方法在描述流体细节方面取得更好效果。在模拟实现方面，在GPU上采用并行处理，提高模拟速度，实现计算机动画的实时模拟。     

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。     

基于几何特征的流体动画控制方法

在流体动画中,流体控制是生成可控流体运动的关键技术.为产生视觉逼真、行为可控的流体动画效果,提出一种基于几何特征的流体控制方法.首先通过构建流体形状的时变几何分区,实现对可控流体形状的表达及动态跟踪;在此基础上设计异构控制模型,以增强流体运动控制的灵活性,该模型采用了带约束优化的刚性控制和基于弹簧模型的柔性控制2种方法;最后将异构控制模型与高精度流体物理模型相耦合,生成视觉逼真的可控流体运动效果.实验结果表明,该方法能够在保持流体角色形状的同时产生丰富的流体细节,满足动画师的设计需求.     

流体模拟动画技术新进展

自然场景的模拟一直是计算机图形学研究的热点,随着动画影视、虚拟现实以及计算机游戏的飞速发展,对流体模拟技术的绘制速度与场景细节真实感的要求也在不断提高。通过描述最近几年来流体动画模拟领域的新技术,对流体模拟计算仿真的主要步骤细节技术进展进行分析讨论,并指出流体动画模拟技术进一步的发展方向。     

流体动画方法综述

介绍了二维流体和三维流体动画方法。流体动画制作分为两步：流体表面建模和流体绘制。二维流体建模主要采用参数建模方法,基于傅立叶变换原理,合成波动的二维流体表面。三维流体建模一般基于Navier-Stokes流体方程,利用流体内部的速度建立流体表面的方程。流体绘制主要采用光线跟踪方法。流体动画的挑战和发展方向在于：流体动画控制、实时绘制、细节表现。     

流体动画模拟的一种新方法

近年来基于物理的流体模拟成为计算机动画领域中的一个极具有挑战性的问题,针对有限差分方法和有限元方法对流体动画模拟的局限性,利用光滑流体动力学方法实现了流体的动画模拟,该方法不依赖网格,适合于计算具有极大变形的流体计算,溃坝坍塌现象的模拟实验表明：方法既能模拟流体的整体演进特征,又能表现流体飞溅、破碎的现象,能够真实有效地模拟水流运动情况。     

非均匀粒子流体模拟

基于物理模型的流体模拟能精确描述流体的运动,但计算量大、实时性较差。根据流体的物理模型,提出了一种基于光滑粒子动力学(SPH)的非均匀粒子模拟流体的方法。提出了一种多因素决定粒子精细度的方法,显著减少了实际模拟需要的流体粒子数目,提高了模拟的速度而又不降低模拟真实感。流体的表面重构采用了一种新的基于屏幕空间的高真实感、高速的重构算法。实验结果表明,与传统的SPH方法相比,该方法在模拟同样场景情况下能大幅降低需要的粒子数目,提升了算法的效率。     

基于模态分析法的变形动画技术

运动物体碰撞变形动画在电脑动画领域中有着重要作用。模拟物体的碰撞变形方法主要有基于几何模型法和基于物理模型法。随着多媒体和电脑动画技术的发展,对于物体变形动画模拟的真实性要求越来越高,采用物理模型法能得到更加逼真的模拟效果。针对运动物体的碰撞变形动画,采用模态分析法将复杂的非线性系统转换为能单独求解的线型方程组,从而提高了变形动画模拟的求解速度。结果表明,所述方法能获得变形动画模拟的实时性和视觉效果的逼真性。     

基于Particle Level Set的流体模拟与并行实现

目前,在计算机动画领域,欧拉法与拉格朗日法是流体模拟的主要方法,但欧拉法的数值耗散较多,拉格朗日法构造表面几何复杂。因此,采用ParticleLevelSet方法,将欧拉法与拉格朗日法相结合,用半拉格朗日法求解对流项,保证计算稳定性,适合各种运动界面的流体。在模拟实现方面,使用并行处理方法,提高模拟速度,实现计算机动画的实时模拟。     

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。     

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.     

基于物理模型的火苗动画

本文提出了一种基于物理模型的火苗数值模拟方法。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。本文在用非粘性不可压欧拉方程表示火苗物理模型的基础上,利用破开算予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。     

Markov-Type Vector Field for endless surface animation of water stream

In this paper, we propose a hybrid (physical-stochastic) model of surface element (surfel) fluctuations for the visual simulation of an endlessly running water surface. This model comprises two main phases: preprocessing and endless animation phases. First, we simulate a physics-based method for a specific period of time during the preprocessing phase. We construct a stochastic vector field in the simulation, referred to as a Markov-Type Vector Field (MTVF), using only the surface values of the fluid flow. Next, we import the MTVF data into the main endless animation phase and create a surface fluctuation animation by surfels and temporary velocity field modeling of the MTVF using a random sample. In our approach, the surfel edges that cover the fluid flow domain are transferred simply via a temporary single velocity and the new flow surface is determined directly based on their positions. MTVF allows us to generate a water surface animation endlessly in real time without the time-consuming processes of solving the corresponding physical equations. We describe the MTVF construction method and the endless surface animation steps, as well as present the results of experiments that demonstrate the plausibility of our method.     

稳定且维护细节的液体与烟雾模拟算法

半拉格朗日方法在欧拉模型的液体与烟雾模拟中,因均值运算过多而存在数值粘性的问题,且表面提取算法会抹平液体表面的细节。为此,提出一种稳定且维护细节的液体与烟雾模拟算法。采用精确的数值方法求解对流项,在流体的边界及内部分布隐式的无质量粒子,利用简单的插值策略以及粒子和网格的双向影响,保证数值的稳定性,减少数值粘性,并结合基于显式曲面机制的表面追踪方法来实现丰富的视觉效果。实验结果证明该算法具有维护细节的能力。     

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.     

Markov-type velocity field for efficiently animating water stream

In computer graphics, one of the most challenging tasks is continuously varying phenomena such as waving, swaying, and flowing motions. In this paper, we present a novel hybrid model (physical-stochastic) to create an endless animation in which offline simulation is used to produce an infinitely varying real-time animated result. In this particular case, a water stream model is proposed. Most fully 3D physically based simulation methods for depicting fluid flows are very time and memory consuming. Thus, these methods are still reserved for offline simulations and small-domain real-time simulations, especially in the case of fluid flows with irregularly repeating patterns. The proposed model is based on the tracer particle technique, uses a non-static velocity field, and consists of two main phases. In the first phase, we construct the stochastic velocity field by using the physically based method. The second phase is the main part, in which we create real-time endless animation. Here, we introduce a new type of velocity field which we refer to as a Markov-type velocity field (MTVF). MTVF allows us to animate a water stream endlessly in real-time by avoiding the time-consuming process of solving the corresponding equations for every simulation step.