烟雾模拟中Navier-Stokes方程的优化求解方法

针对基于物理方法烟雾模拟中Navier-Stokes方程求解复杂,影响实时性的问题,引入无量纲化处理方法来简化方程形式,减少计算量,提高求解速度。并通过引入MacCormack求解Navier-Stokes方程对流项,实现降低用半拉格朗日方法求解对流项过程中由于时间耗散而导致小尺度细节丢失的问题。实验结果表明,采用文中方法模拟出的效果比较真实,且使基于物理方法的烟雾模拟达到了实时性的要求。     

实时稳定的二维烟雾模拟

烟雾模拟是计算机动画模拟的重要组成部分.在模拟过程中保证实时性和稳定性是烟雾动画模拟的一个重要方面.该文的目的是在计算机上模拟出真实感的烟雾.文中采用无粘不可压欧拉方程作为烟雾的基本物理模型,对这种简化的流体方程求解可以加快计算的速度,使模拟的速度加快.数值上,引入了CIP方法的一种改进形式USCIP方法来求解N-S方程的对流项,该方法是无条件稳定的.求解方法的稳定实现了大时间步长模拟,保证了模拟实时性和稳定性,最后模拟得到二维的烟雾效果.实验证明本方法能实时稳定地模拟出具有真实感的二维烟雾效果.     

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.     

基于物理的流体运动模拟方法研究

提出了一种基于物理的流体运动模拟方法,同传统的模拟技术相比,基于物理的模拟更能表现真实感运动。选用的物理模型是完整的Navier-Stokes方程组,针对完整的Navier-Stokes方程组,利用破开算子法将模型分解成外力、对流、扩散和投影项分别进行计算。因为每一步都稳定,所以整个求解过程也稳定。因此可以用大时间步长来模拟流体运动。Navier-Stokes方程组保证了真实感,而此求解方法保证了效率。     

基于物理的烟雾动画

基于物理的烟雾模拟中,需要求解Navier-Stokes偏微分方程组．通过量纲分析,简化了该方程．在求解对流项时采用半拉格朗日方法,为弥补该方法带来的数值耗散,引入了高阶精度紧致格式,在较粗的网格上亦可得到较高精度的导数值．实验结果表明：该算法效果比较真实,速度较快．     

风环境下烟雾的实时模拟

在复杂环境仿真中,烟雾的模拟具有重要的意义.提出一种基于流体力学方程的烟雾模拟方法,并实现了脉动风与烟雾的交互,使烟雾的形态和运动更加逼真自然.采用简化的Von Karman模型建立风场,并引入特征正交分解技术(POD)和快速傅立叶变换技术(FFT)简化其建立过程.利用非粘性不可压缩的N-S(Navier-Stokes)方程描述烟雾运动,并将风场的作用加入到N-S方程中,利用破开算子法和MacCormack法简化N-S方程的求解过程,减少计算量,并保证求解过程在大的时间步长上的稳定性.同时,引入了"漩涡限制",将数值求解过程中的插值耗散补充回流场,增强烟雾的真实性.实验证明,利用本文的方法能够实时高效的模拟出自然逼真三维烟雾效果.     

一种改进的自适应漩涡限制实时烟雾模拟

针对模拟烟雾过程中,漩涡效果不真实,小尺度漩涡细节丢失的问题,对漩涡限制(Vorticity Confinement)方法进行改进.首先,用可变的空间螺旋性强度取代作用在整个网格上的漩涡系数常量,在低分辨率网格下将自适应漩涡限制作为外力项求解N-S(Navier-Stokes)方程;然后,用B样条插值前采样速度场,减少高分辨率时求解计算量;最后,在高分辨率时将自适应漩涡限制与前采样得到的速度场混合,平滑去除过程中的噪音,产生高分辨率漩涡细节.实验结果表明,采用本文方法改进漩涡限制,烟雾漩涡细节表现更为真实,且达到了烟雾模拟实时性的要求.     

基于物理模型的实时烟雾模拟

针对使用直接绘制法渲染烟雾时,在高网格分辨率下实时性差的问题,文中提出了一种新的基于纹理的烟雾渲染算法。该算法采用不可压缩的Navier-Stokes方程作为烟雾模拟的基本物理计算模型,从而保证烟雾物理运动的真实性,同时利用OpenGL中的纹理映射技术渲染烟雾,保证了烟雾渲染效果真实,烟雾模拟细节更能体现出来;另外文中还给出了在烟雾中添加障碍物时边界条件的计算方式。模拟实验结果表明,该算法既能满足烟雾模拟的实时性,又能真实有效地模拟烟雾流动情况。     

一种烟雾实时模拟的新方法

介绍了一种基于流体力学方程的多尺度流体模型,通过Helmholtz-Hodge算子将模型分解为对流、扩散、外力、投影等项分别进行求解,每一步都稳定,因而整个求解也就稳定。同时利用“涡流限制”的技术提高模拟的真实性。与传统方法相比,该方法能实时高效地模拟具有真实感的二维烟雾效果。     

耦合压力与温度修正算法对流体流场数值仿真

深入研究了目前流体流场的数值仿真问题,由于流体流场中可能存在着马赫数变化很大的流动情形,通常的方法不能较好地计算出准确的结果,因此找出一种能计算任意马赫数流动的算法是非常必要的.使用了一种耦合压力与温度修正算法求解Navier-Stokes方程.是通过连续方程和能量方程推得压力修正值与温度修正值的方程,并将压力修正值方程与温度修正值方程联立求解,而其它求解变量采用分离式求解的思想,求解中对流项差分格式采用了AUSM 格式,并在低马赫数时进行了改进.通过对喷管和圆弧凸包的数值仿真,较好地反映出了流场中的激波现象,计算表明方法能适应任意马赫数范围的流体流动,并且具有一致的计算精度.     

基于物理模型的实时卡通烟雾模拟算法

提出一种流体力学模型结合粒子系统的卡通烟雾实时模拟算法。通过Navier-Stokes方程建立烟雾流体场的物理模型,以保证运动轨迹真实感。为粒子属性引入浓度函数和作用半径,从而只需少量粒子就可快速获得浓度场分布。为了实现卡通化效果,使用代表动画师个人风格的卡通图元在不同浓度区域进行纹理贴图。试验结果证明,该算法高效快速,能实时生成自然生动的卡通烟雾效果。     

基于物理模型的三维火焰实时渲染

火焰等无规则物体的模拟近年来成为计算机图形学中的一个研究热点。传统的基于粒子和纹理技术生成的火焰,并不能真实地反映物体的运动过程,生成的火焰效果图具有随机和生硬的特点。为了解决火焰模拟过程中难以实现的实时性和真实感的问题,文中采用一种基于物理模型的火焰实时渲染方法,应用有限差分法求解Navier-Stokes方程,采用半拉格朗日法求解平流项,扩散方程则利用隐式迭代方法进行求解,利用GPU强大的并行计算能力对求解过程进行加速,利用光线投射算法对火焰进行渲染,最后生成了逼真的火焰图像。实验结果表明该方法实现简单,渲染速度快,显示的效果真实。     

Advections with significantly reduced dissipation and diffusion

Back and forth error compensation and correction (BFECC) was recently developed for interface computation using a level set method. We show that BFECC can be applied to reduce dissipation and diffusion encountered in a variety of advection steps, such as velocity, smoke density, and image advections on uniform and adaptive grids and on a triangulated surface. BFECC can be implemented trivially as a small modification of the first-order upwind or semi-Lagrangian integration of advection equations. It provides second-order accuracy in both space and time. When applied to level set evolution, BFECC reduces volume loss significantly. We demonstrate the benefits of this approach on image advection and on the simulation of smoke, bubbles in water, and the highly dynamic interaction between water, a solid, and air. We also apply BFECC to dye advection to visualize vector fields     

基于物理模型的实时烟雾模拟

针对使用直接绘制法渲染烟雾时,在高网格分辨率下实时性差的问题,文中提出了一种新的基于纹理的烟雾渲染算法。该算法采用不可压缩的Navier—Stokes方程作为烟雾模拟的基本物理计算模型,从而保证烟雾物理运动的真实性,同时利用OpenGL中的纹理映射技术渲染烟雾,保证了烟雾渲染效果真实,烟雾模拟细节更能体现出来;另外文中还给出了在烟雾中添加障碍物时边界条件的计算方式。模拟实验结果表明,该算法既能满足烟雾模拟的实时性,又能真实有效地模拟烟雾流动情况。     

一种改进的遗传算法在情感特征选择中的应用

为了解决情感特征选择问题,提出了一种改进的遗传算法。该算法利用从基因和个体两个方面设计的种群多样性算子产生较好的初始种群分布,随着遗传算子将群体中的个体吸引到局部最优点附近时,调用禁忌搜索算法(TS)对群体中各个个体进行局部搜索。仿真试验结果表明,该算法拓展了搜索空间,有效地防止了早熟现象的出现,能够得到令人满意的最优特征子集。     

GMRES算法求解烟雾仿真N-S方程

烟雾在大规模战场仿真和复杂环境仿真中扮演着重要角色,因此研究烟雾仿真具有重大意义。提出用广义极小残差算法(GMRES)来求解烟雾仿真中的N-S方程。首先给出GMRES算法的计算原理;其次用GMRES算法对烟雾仿真N-S方程进行求解,并对求解结果进行收敛性分析,分析结果表明GMRES算法可以对烟雾仿真N-S方程进行求解,结果收敛;最后运用GMRES算法通过计算机技术对烟雾进行可视化仿真,仿真结果表明,采用GMRES求解算法的烟雾仿真效果比较真实,基本符合现实中的烟雾。