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基于几何特征的流体动画控制方法

计算机辅助设计与图形学学报 2014年第10期26卷 1827-1834页

作者：张桂娟陆佃杰吕蕾刘弘王永健朱登明山东师范大学信息科学与工程学院济南250014 山东省分布式计算机软件新技术重点实验室济南250014 中国科学院计算技术研究所虚拟现实实验室北京100190

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... 详细信息

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.

关键词：流体动画几何特征流体控制

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流体动画方法综述

计算机工程与应用 2008年第2期44卷 1-4,15页

作者：王晓华张田文柴旭东哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院哈尔滨150001 北京仿真中心北京100854

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... 详细信息

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。

关键词：流体动画计算流体力学自然现象模拟

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流体动画模型降维加速技术

流体动画模型降维加速技术

作者：杨双才上海交通大学

学位级别：硕士

流体动画一直以来都是一个难题。计算机图形学自引入流体动画模拟以来,一直在追求高效的流体计算方法。流体动画模拟效率低下的主要原因是物理模型天然的复杂性。由于无法计算解析解,因而只能用插值或拟合的方法对解数值逼近,这样就必... 详细信息

流体动画一直以来都是一个难题。计算机图形学自引入流体动画模拟以来,一直在追求高效的流体计算方法。流体动画模拟效率低下的主要原因是物理模型天然的复杂性。由于无法计算解析解,因而只能用插值或拟合的方法对解数值逼近,这样就必须构造离散网格,导致计算复杂度正比于离散网格的复杂度。因此提出与网格精度无关的加速算法就很有意义。本文的主要成果包括如下内容:(1)本文尝试了在流体动画的模拟部分引入了平衡截断的模型降维方法,并将其与本征正交分解的模型降维方法结合,得到了性能比较高的平衡截断方法。(2)本文还针对模型降维方法灵活性差的缺点,提出了模型降维的上采样方法,将模型降维方法的结果与低精度模拟的结果相结合,得到了灵活性较高的上采样修正方法。还提出了能量修正的方法以解决上采样过程能量不能保持恒定的缺点。(3)为了更进一步提升整体流体模拟的效率,本文还提出了快速流体粒子表面重构方法。由于粒子对流的计算复杂度正比于粒子个数而与网格无关,因此能够通过改变粒子采样来调节模拟性能。这种方法基于粒子重构效果比较好的异构核方法进行了并行加速,改进了每个重构步骤的速率,从而提升了整体性能。

关键词：流体动画模型降维有限差分子空间重模拟粒子表面重构

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高精度流体动画快速模拟

高精度流体动画快速模拟

作者：王教团上海交通大学

学位级别：硕士

随着计算机技术的快速发展,基于物理的流体模拟技术已经在相关行业取得了巨大成就,电影工业、游戏产业、虚拟现实等都离不开流体动画。目前,基于欧拉网格法的流体模拟技术,已经能够让计算机生成非常逼真的流体动画。但是,该传统方法仍... 详细信息

随着计算机技术的快速发展,基于物理的流体模拟技术已经在相关行业取得了巨大成就,电影工业、游戏产业、虚拟现实等都离不开流体动画。目前,基于欧拉网格法的流体模拟技术,已经能够让计算机生成非常逼真的流体动画。但是,该传统方法仍然面临非常多的困难和挑战,其中一个瓶颈就是模拟效率低。在本文中,为了克服模拟效率低的问题,我们提出了一套新颖的流体模拟框架,用于高精度流体的快速模拟。首先,本文简要介绍了传统欧拉网格的流体模拟基本框架,包括对流、外力和压强三部分。另外,本文分析了传统流体模拟技术的局限性以及存在的瓶颈。其次,针对传统模拟技术的瓶颈,本文提出了一种基于高-低精度网格耦合的流体模拟框架。在我们的框架下,首先用高精度网格进行对流,然后利用样条核函数的降采样方法将高精度对流速度场映射到低精度网格上,再对该低精度流场求解泊松方程,满足不可压缩条件,最后利用本文提出的改进的线性插值上采样方法将低精度无散流场映射回高精度网格。实验结果表明,由于我们的框架将高精度的泊松方程转化为低精度的泊松方程以及一个上采样操作,这样便可以大大提高模拟效率,达到高精度流体的快速模拟。另外,本文也分析了改进的线性插值上采样方法的局限性。最后,我们针对改进的线性插值上采样方法存在的局限性,结合信号系统的理论,利用傅里叶变换构造快速傅里叶变换上采样算子,该算子具有超强的信号恢复能力,非常适合用于流场上采样重建。因此,本文采用快速傅里叶变换上采样算子作为高-低精度耦合框架下的上采样方法,提出了基于快速傅里叶变换上采样算子的高-低精度网格耦合的流体模拟框架。在该框架下,我们引入了快速傅里叶对流方法,同时,对三类不同的边界条件均进行了处理。实验结果表明,基于傅里叶变换上采样算子的高-低精度耦合框架能够快速模拟高精度流体,同时模拟质量接近于采用传统高精度模拟技术模拟出的效果。另外,通过与经典对流方法的结果比较,可以发现傅里叶对流方法具有显著的优势,它能够降低对流过程中的数值耗散,从而保留高精度的细节。

关键词：流体动画欧拉网格法高-低精度网格耦合框架改进的线性上采样算子快速傅里叶上采样算子傅里叶对流方法

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使用频域分析生成流体动画细节的方法

使用频域分析生成流体动画细节的方法

作者：曹舒恬上海交通大学

学位级别：硕士

流体模拟作为现今计算机图形学的一个重要分支,已经得到了比较充分的发展。一方面,其注重视觉效果,传统艺术家采用手工绘制的方法表现流体的形态。另一方面,其注重物理运动规律,通过求解计算流体力学中的Navier-Stokes方程组来表现流体... 详细信息

流体模拟作为现今计算机图形学的一个重要分支,已经得到了比较充分的发展。一方面,其注重视觉效果,传统艺术家采用手工绘制的方法表现流体的形态。另一方面,其注重物理运动规律,通过求解计算流体力学中的Navier-Stokes方程组来表现流体的动态。基于物理的流体模拟将两者结合起来,既保证了视觉效果,又使得模拟出的流体遵循基本的物理规律。随着人们对大场景、高分辨率和逼真效果的需求量越来越大,流体动画的细节模拟在基于物理的流体模拟领域中变得越来越重要。而目前细节模拟面临的主要问题是:如何在保证视觉效果和物理规律的同时,使用尽量少的计算资源。本文从现行的流体模拟基本框架出发,分析了其细节丢失的原因,并指出了丢失细节的各个环节。首先,针对其中的一个环节,即半拉格朗日法的插值步,通过理论上的分析,提出了细节增强的方法延缓细节丢失的速度,从而尽量保存那些经插值步后仍未被丢失的细节。细节增强通过将流体场与修改后的拉普拉斯核进行卷积来实现。其次,针对整个框架的各个环节产生的细节丢失,本文通过理论推导,提出了细节重构的方法找回这些已经丢失了的细节,从而在现有的缺少细节的流体场中补充细节。细节重构法将流体场通过一个通用的重构滤波器,而此滤波器由丢失细节的流体场与细节丰富的流体场对比得到。再次,针对细节增强和细节重构法所采用的傅立叶变换产生的吉布斯效应,本文将流体场的突变部分进行平滑,从而减轻其影响。边界平滑法将突变的流体场向外插值若干个网格,用来模拟平滑的流体场。在每个部分的最后,通过一系列的实验及数据分析,分别验证了细节增强法和细节重构法在视觉效果及时间效率上的优势,同时也说明了边界平滑在减轻吉布斯效应时的有效性。相较于以往的工作,本文对信号的频域分析和处理在流体模拟中的应用进行了更深入的研究。本文的主要创新为:（1）首次从频域角度,分析了半拉格朗日法产生细节丢失的原因,并推导出了两种解决方案的原理,即细节增强和细节重构;（2）第一次使用滤波器的概念,对流体的细节模拟框架进行改进,在频域上将流体场作为信号来处理;（3）这两种解决方案的实现使得本文的流体模拟框架可以高效地添加细节,并且使添加进的细节更具物理性。

关键词：流体动画 Navier-Stokes方程组细节模拟增强重构吉布斯效应

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基于OpenGL的流体动画模拟研究

基于OpenGL的流体动画模拟研究

作者：庞新辽宁师范大学

学位级别：硕士

近十几年来,随着影视动画、虚拟现实、数字娱乐和计算机游戏等领域的不断发展壮大,计算机动画技术在这些产业的推动下也有着巨大进步,而且随着时代的发展,这一技术将会越来越多的走进人们生活的各个方面。近几年来对流体如云、雾、烟、... 详细信息

近十几年来,随着影视动画、虚拟现实、数字娱乐和计算机游戏等领域的不断发展壮大,计算机动画技术在这些产业的推动下也有着巨大进步,而且随着时代的发展,这一技术将会越来越多的走进人们生活的各个方面。近几年来对流体如云、雾、烟、火、雨、水、礼花等进行模拟,已经成为计算机图形学领域的研究热点。而基于物理的自然景物模拟是人们研究的热点方向,它通过探索真实世界中自然现象的物理本质,利用计算机为物体建立精确的运动模型,从而更加逼真的表现物体的形象和运动。由于自然现象的形成和运动受到许多规律的控制,在这些规律共同作用和影响下,真实准确的用物理方程将其描述出来是非常困难的。虽然现在计算机的处理速度已经非常快了,但是对于处理这么多复杂的方程,这样大的数据量,还是有些困难。所以基于物理的计算机动画总是存在耗时严重的问题,满足不了许多对时间要求较高的图形学应用领域的要求。本文以流体动画模拟作为研究目标,试图在模拟的真实感和效率之间寻求一个良好的平衡点,在损失一定逼真度的情况下达到较好的实时性,满足个别对真实感要求较低,而对显示效率要求略高的游戏的要求。本文对这一课题的研究主要集中在以下两个方面:第一,设计了基于动态云的实时动画模拟。与用分形、隐函数、Perlin Noise、粒子系统等方法相比,本文根据云没有固定的形状和颜色并且运动速度和方向比较自由等特点,采用了更简单的二维纹理图片,通过重复纹理映射技术、缩放、平移及雾化等变换方法实现了对三维云的模拟。其优点是算法简单,容易实现,占用资源少。第二,采用一种非严格的基于物理的方法——粒子系统,设计了一种基于OpenGL的礼花粒子系统的动画模拟。通过分析礼花运动的物理过程,在传统粒子系统模型的基础上,提出用四边形代替传统粒子系统中的粒子,在绘制时将粒子纹理映射到四边形上,依靠该系统来模拟礼花的燃放现象。所使用的两种流体动画模拟算法可应用于计算机游戏和动画相应场景的制作中。

关键词：流体动画粒子系统纹理映射实时模拟礼花云

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流体动画生成方法研究综述

集成技术 2017年第1期6卷 69-81页

作者：张娟王昱哲商柳朱登明中国科学院计算技术研究所虚拟现实实验室北京100190

计算机图形学下的真实感流体动画生成技术,在影视特效和广告、三维游戏开发、虚拟现实等领域有着重要的应用价值。文章回顾了近些年来流体动画的发展趋势,将其研究成果归纳为三类:经验方法、物理方法和数据驱动方法,并总结这些方法的优... 详细信息

计算机图形学下的真实感流体动画生成技术,在影视特效和广告、三维游戏开发、虚拟现实等领域有着重要的应用价值。文章回顾了近些年来流体动画的发展趋势,将其研究成果归纳为三类:经验方法、物理方法和数据驱动方法,并总结这些方法的优缺点。其中重点介绍了主流的物理方法和最新发展的数据驱动方法。

关键词：流体动画物理方法数据驱动

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流体动画背后的物理原理

电脑知识与技术（过刊） 2009年第5X期15卷 3811-3812页

作者：黄梅娟安徽工商职业学院安徽合肥230041

过去的十年,计算机图形业一直专注于制造烟雾、水、火的真实效果。而现在,这个行业开始转向创作面部表情、毛发和衣服运动的真实效果。但是尽管如此,由于基于物理的计算复杂的限制和光照计算机的耗时性,设计一个交互设计更为方便,能达... 详细信息

过去的十年,计算机图形业一直专注于制造烟雾、水、火的真实效果。而现在,这个行业开始转向创作面部表情、毛发和衣服运动的真实效果。但是尽管如此,由于基于物理的计算复杂的限制和光照计算机的耗时性,设计一个交互设计更为方便,能达到实时性,几乎完全真实地体现自然界中各种流体动画的系统,仍然是一个很有挑战性的问题,还存在很多课题值得深入研究。

关键词：流体动画基于物理的计算真实效果

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流体动画背后的物理原理

电脑知识与技术 2009年第14期5卷 3811-3812页

作者：黄梅娟安徽工商职业学院

关键词：流体动画基于物理的计算真实效果