层次结构树木物理运动的实时仿真

提出一种在GPU上实现基于力学运动原理的层次结构树木运动的并行仿真技术。该技术通过分析物理运动原理与多层次的矩阵结构(HMSM)算法的并行性,来达到将树木动画在图形硬件CUDA平台上进行加速的目的。首先介绍层次结构树木在外力诸如风力等作用下的物理运动原理;然后,针对树木的物理运动以及层次结构叠加算法详细地进行并行性分析;之后着重阐述CUDA框架下树木运动的并行结构设计过程与并行算法的详细设计方法;最后在GPU上执行树木物理运动仿真。实验结果表明,该技术不但能够生成真实感较强的树木动画序列,还能够实时模拟基于物理的树木运动。同时,该技术给计算机动画的加速算法提供了很好的思想。     

真实感动态树场景的研究与实现

树木的动态显示在自然场景模拟中有着重要的地位。采用Cook-Torrance光照明模型和预计算的半透明贴图实现了叶片的绘制,使用梁模型导出的拟合多项式结合偏移修正实现枝干的快速形变计算,通过索引枝干层级数据贴图实现GPU中多级枝干的形变。预计算和GPU的使用使得模拟过程中真实感和实时性得以平衡。实验结果表明,该方法实现了快速真实的动态树场景渲染。     

GPU上的水彩画风格实时渲染及动画绘制

论文提出了一种基于GPU 的对三维场景进行实时水彩画效果渲染的方法。 该方法的大部分过程使用图像空间的技术实现。算法将画面分为细节层、环境层、笔触层分 别渲染,再进行合成。在过程中使用环境遮挡、shadow mapping 等技术进行快速的阴影计算, 并使用图像滤镜的方法模拟水彩的多种主要特征。由于该方法以图像空间的技术为主,因此 可以利用GPU 并行处理的特点对计算过程进行加速,进而达到实时的渲染速度。最后建立 动画脚本分析系统,进行实时动画渲染,表明该方法在计算机动画、游戏等数字娱乐产业领 域有较大的应用潜力。     

湿地场景的实时动态模拟

实现了一个湿地场景的实时模拟系统,能实时模拟包含数万棵树、数十万棵草,以及自然地形、水面等丰富景观元素的动态湿地场景.为增强场景真实感,提出一种基于环境遮挡的光照算法,以改进几何-图像混合式树木模型的绘制效果;还提出一些高效率的方法近似模拟水面的折射、反射等光学现象,以及晴天、雨天等各种天气条件下的光照效果.在动态模拟方面,结合预计算的关节式形变以及过程式动画2种方法,模拟了树木及花草的随风摇曳效果;还模拟了湖面的微波以及雨天的雨线效果及在水面形成的涟漪,为了提高模拟效率,采用了多种细节层次技术以及最新的GPU加速技术.     

具有散射效果的室内外光束实时绘制

依据空气散射的物理原理,提出一种高效的能够实时模拟动态自然光束的真实感绘制方法.首先推导出散射计算的解析表达式以取代传统的数值积分方法;然后基于 GPU 特点设计了一种有效的光束体表示,作为光束体和阴影体统一形式共同参与 GPU 着色器的运算,从而生成具有阴影效果的光束.该方法不仅可以模拟单个光源形成的光束,还可以实时模拟动态太阳光源产生的多个自然光束.由于采用了 GPU 加速计算,可以满足实时应用需求.     

基于物理的海浪模拟综述

真实感流体的模拟是计算机图形学领域中研究的热点和难点之一,海浪模拟是流体模拟动画的重要组成部分,其真实感、实时性和交互性等直接影响到海面场景逼真的程度。重点回顾了基于物理的海浪模拟研究方法的发展,并对近年来海浪模拟的热点问题如波浪的翻卷和破碎、浪花的飞溅和泡沫、流固耦合、两相流和多相流的模拟进行了详细的分析,最后针对有限的系统资源与随着规模增长的计算资源之间的矛盾,重点讨论了加速策略。未来将结合多种模拟方法的优点,对海浪建模进行合理的简化,改善数据结构,并在此基础上实现GPU并行化,以满足实时仿真的要求,这将是基于物理的海浪模拟的发展方向。     

真实感海底场景的实时绘制

海底场景的仿真对于动画游戏、海洋勘测、航海驾驶、灾害救援等有着重要的应用意义。由于涉及更加复杂的海水与光线、地形等的交互,海底场景中的复杂刻蚀、光束、散射等效果是实时绘制海底场景的难点。基于海底环境的物理机理,首先提出基于线框绘制模式结合高斯滤波的方法来模拟精细的刻蚀效果,采用贴近真实的散射相位函数计算海底散射来模拟水下海水颜色,采用柱面组织的光束算法来模拟海底光线效果,并进一步给出一种基于空间划分的海底场景绘制优化方案,最后基于GPU加速技术实现了不同情况下的真实感海底场景的实时绘制。     

基于视频的树木运动信息提取和动画生成技术研究

为了快速模拟树木在风中的运动和形变,提出了一种基于视频的树木运动信息提取和动画生成方法,可以在虚拟场景中快速绘制具有动态效果的三维树木模型.该方法首先将含有树木运动的视频转化为多个关键帧,以提取树木的形态和运动信息,并通过数据最小二乘拟合方法计算出其运动轨迹,然后对其进行三维模型重建和运动模拟.实验表明,该方法可以快速地建立树木的三维模型,并能较好地模拟树木的运动和形变.     

基于GPU的实时雾效模拟

在复杂的三维仿真系统中模拟雾效对系统的实时性和真实性都提出了较高的要求。在分析传统雾效模拟方法的基础上,提出了一种基于GPU的实时雾效模拟方法。基本思想是建立一个表示雾随高度渐变的指数函数,然后根据提出的算法公式在GPU上实时计算出雾浓度,最后将所计算出的雾效因子与片元颜色进行混合计算。实验证明,该方法能够实时生成真实感较强的雾效。     

基于Perlin噪声函数和动力学的树木折枝模拟

针对树木在风中摇曳的自然现象,提出风力过大引起的折枝现象的模拟。采用Perlin噪声函数模拟动态风场变化,应用动力学知识分析树枝的运动细节得出树枝变形的公式,加入到字符龟解释中,并使用多种规则表达式进行编程实现。实验结果表明树枝在风场作用下作为一个整体运动并最终随机断裂,符合物理上的连续性和一致性。该方法模拟的树木折枝逼真,可应用于游戏、娱乐等行业的形态模拟中。     

Modeling and animation of fracture of heterogeneous materials based on CUDA

Existing techniques for animation of object fracture are based on an assumption that the object materials are homogeneous while most real world materials are heterogeneous. In this paper, we propose to use movable cellular automata (MCA) to simulate fracture phenomena on heterogeneous objects. The method is based on the discrete representation and inherits the advantages from both classical cellular automaton and discrete element methods. In our approach, the object is represented as discrete spherical particles, named movable cellular automata. MCA is used to simulate the material and physical properties so as to determine when and where the fracture occurs. To achieve real-time performance, we accelerate the complex computation of automata’s physical properties in MCA simulation using CUDA on a GPU. The simulation results are directly sent to vertex buffer object (VBO) for rendering to avoid the costly communication between CPU and GPU. The experimental results show the effectiveness of our method.     

三维树木随风运动真实感模拟

提出了一种真实感较强的模拟树在风中摇曳的方法。该方法采用I、系统建立树的有限元模型。引入Pcrlin 噪声函数建立具有自然风的1/f波动特性的风速模型;采用材料力学中梁的运动模型模拟枝干受风力弯曲。详细分 析了树对风的遮挡:枝干遮档和叶子遮档,即风场与树之间的“流固藕合”现象,特别是在处理枝干遮挡过程中,采用了 流体力学中的圆柱绕流模型。实验结果表明,该方法模拟的风吹树动效果逼真,可以达到实时显示的效果。     

基于分形三维L系统的真实树木摇曳动态模拟

如何真实且快速地模拟树在风中的自然摇曳是计算机图形学中一个非常具有挑战性的问题。针对树在风中的摇曳变形,提出了一种将分形技术和物理力学变形技术相结合的方法。该方法首先利用分形技术建立了树木模型,然后根据风力级数的强弱模拟风场,并结合树的层次结构特点,给出了风力模型,在此基础上根据物理力学原理进一步模拟了树的摇曳变形。实验表明,用该算法模拟树在风中的摇曳,可以简便快速地得到效果较好的动画系列画面,生成的树木逼真且多姿多态。     

织物动感模拟的研究与实现

织物的动感模拟是虚拟现实、计算机动画以及3D游戏等领域中的一个热点问题。为了实现织物动感模拟的实时性和真实感,选用质点-弹簧模型进行物理建模。然而,质点-弹簧模型在应用中存在过度拉伸的问题,针对这个现象进行了处理,提出采用平滑过度的方法来解决此类问题。同时,提出了一种风力模拟算法,简化了运算,增强了织物在风中运动的显示效果。实验证明,这些方法使织物动感模拟达到了较强的实时性和真实感。     

Wind projection basis for real-time animation of trees

This paper presents a real-time method to animate complex scenes of thousands of trees under a user-controllable wind load. Firstly, modal analysis is applied to extract the main modes of deformation from the mechanical model of a 3D tree. The novelty of our contribution is to precompute a new basis of the modal stress of the tree under wind load. At runtime, this basis allows to replace the modal projection of the external forces by a direct mapping for any directional wind. We show that this approach can be efficiently implemented on graphics hardware. This modal animation can be simulated at low computation cost even for large scenes containing thousands of trees.     

Physically Guided Animation of Trees

This paper presents a new method to animate the interaction of a tree with wind both realistically and in real time. The main idea is to combine statistical observations with physical properties in two major parts of tree animation. First, the interaction of a single branch with the forces applied to it is approximated by a novel efficient two step nonlinear deformation method, allowing arbitrary continuous deformations and circumventing the need to segment a branch to model its deformation behavior. Second, the interaction of wind with the dynamic system representing a tree is statistically modeled. By precomputing the response function of branches to turbulent wind in frequency space, the motion of a branch can be synthesized efficiently by sampling a 2D motion texture.
Using a hierarchical form of vertex displacement, both methods can be combined in a single vertex shader, fully leveraging the power of modern GPUs to realistically animate thousands of branches and ten thousands of leaves at practically no cost.     

火焰动画快速模拟的新方法

针对火焰动画难以快速建模和绘制的问题,提出了完全利用GPU过程化生成火焰动画的高效算法。先用建模工具在预处理阶段构建一个由平面正方形组成的三维模型,在绘制阶段通过GPU编程对这些方形进行Billboard方式的变换,并用一些简单公式对他们的运动方式、大小和颜色来用过程化方式进行控制,最后通过alpha混合得到最终结果。算法完全在GPU里实现,能满足实时的绘制要求。     

具有真实感的三维人脸动画

具有真实感的三维人脸模型的构造和动画是计算机图形学领域中一个重要的研究课题.如何在三维人脸模型上实时地模拟人脸的运动,产生具有真实感的人脸表情和动作,是其中的一个难点.提出一种实时的三维人脸动画方法,该方法将人脸模型划分成若干个运动相对独立的功能区,然后使用提出的基于加权狄里克利自由变形DFFD(Dirichlet free-form deformation)和刚体运动模拟的混合技术模拟功能区的运动.同时,通过交叉的运动控制点模拟功能区之间运动的相互影响.在该方法中,人脸模型的运动通过移动控制点来驱动.为了简化人脸模型的驱动,提出了基于MPEG-4中脸部动画参数FAP(facial animation parameters)流和基于肌肉模型的两种高层驱动方法.这两种方法不但具有较高的真实感,而且具有良好的计算性能,能实时模拟真实人脸的表情和动作.