SPH实现管道流体实时可视化及在GPU上的优化

作     者：陈英建 

作者单位：燕山大学 

学位级别：硕士

导师姓名：唐勇

授予年度：2012年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：虚拟现实 管道流体模拟 SPH GPU编程 多维树搜索 

摘      要：流体模拟在计算机虚拟现实技术中有着重要的地位，近年来，随着计算机图形学的进步，各种流体模拟技术也在不断发展，但是在处理大尺度流体模拟时仍然存在效果不够逼真和模拟速度慢等问题，所以流体模拟与实现已经成为计算机虚拟现实领域的挑战性课题之一。基于以上分析，本文提出一种基于GPU的管道流体模拟方法，对管道流体模拟的逼真性和模拟速度进行优化。 首先，构建管道流体模拟的交互架构，对无网格粒子法的发展和优缺点进行了分析，指出用无网格粒子法模拟管道流体的可行性，采用无网格方法中的SPH粒子法对管道流体粒子进行处理，构建出管道流体模拟的交互构架。 其次，实现管道流体在虚拟场景中的初步模拟，用SPH粒子方法对初步模拟进行扩展，以SPH粒子重构了模拟场景中的简单粒子，增加了流体粒子的复杂性，同时也提高了流体流动效果的真实性。 再次，对得到的管道流体模拟系统在GPU上进行优化，通过对光滑核函数的分析构造出最优的光滑核函数，对当前常见的几种相邻粒子搜索算法进行分析，提出一种新的多维树搜索算法，该算法基于GPU编程，可以大大加快SPH方法中相邻粒子的搜索速度，从而提高管道流体模拟的场景渲染速度。 最后，构建了管道流体模拟的实验平台，对管道流体模拟系统进行了设计，实现了虚拟场景中管道流体的流动和流体形成的漩涡、溅射等效果，并将实验结果和当前流行的流体模拟算法进行了对比。实验结果表明，利用本文的方法可以满足管道流体可视化系统实时性和真实性的要求。