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烟雾模拟的细节增强方法研究

烟雾模拟的细节增强方法研究

作者：徐义鑫天津大学

学位级别：硕士

基于物理的流体模拟一直是计算机图形学中的热门研究领域之一。其中，烟雾模拟因其重要的应用价值，更是成为了人们研究的重点。它广泛应用在游戏引擎、影视特效、灾难场景的模拟等诸多方面。烟雾模拟的一个关键是表现丰富的烟雾细节，... 详细信息

基于物理的流体模拟一直是计算机图形学中的热门研究领域之一。其中，烟雾模拟因其重要的应用价值，更是成为了人们研究的重点。它广泛应用在游戏引擎、影视特效、灾难场景的模拟等诸多方面。烟雾模拟的一个关键是表现丰富的烟雾细节，使模拟更具有真实感。本文将主要对烟雾模拟的细节增强方法展开研究。首先，本文提出了一种基于二尺度网格的烟雾细节增强方法。设计了一种自适应的非均匀网格划分机制。该机制不仅可以添加较丰富的细节，而且减少了均匀划分网格所导致的较大计算代价。该方法先在粗网格中模拟，然后将部分需要处理的粗网格划分为精网格，再对精网格添加漩涡限制力来增强细节，最后将精网格的速度场采样到粗网格中得到最终的速度场。在计算精网格漩涡限制力添加湍流细节时，考虑了螺旋性与能量级联。考虑螺旋性可以避免漩涡力参数设置过大导致的失真及飞散现象。此外，考虑能量级联使模拟结果更加符合物理规律。实验表明，该方法可以得到较好的结果。其次，基于小波变换，首次提出了在小波域对速度场进行处理来添加湍流细节的方法。该方法先在粗网格中模拟，然后对粗网格的速度进行插值得到精网格速度，再对其进行小波变换得到小波域。受到基于小波变换的图像融合方法启发，本方法在小波域对粗精网格的速度场进行融合以提高插值的效果。在小波域的高频部分添加高频方向的漩涡限制力以提高烟雾的细节。最后对小波域进行逆变换得到最终的速度场。通过与其他几种方法的比较，可以看出本方法在增加了细节的同时提高了模拟的速度。

关键词：基于物理烟雾模拟细节增强小波变换

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基于粒子数生成函数的烟雾模拟

计算机应用研究 2010年第2期27卷 754-756页

作者：唐勇李晓艳吕梦雅高英慧燕山大学信息科学与工程学院河北秦皇岛066004

在大规模虚拟战场仿真和复杂环境仿真中,烟雾作为其中的重要组成部分,其模拟具有重要的意义。针对烟雾模拟中难以达到真实性和实时性平衡的问题,引入层次细节技术,减少了模拟中所需要的粒子数目,在满足视觉效果的前提下提高了实时性。... 详细信息

在大规模虚拟战场仿真和复杂环境仿真中,烟雾作为其中的重要组成部分,其模拟具有重要的意义。针对烟雾模拟中难以达到真实性和实时性平衡的问题,引入层次细节技术,减少了模拟中所需要的粒子数目,在满足视觉效果的前提下提高了实时性。引入改进的物理模型与粒子系统相结合,增强烟雾的细节,生成真实感较强的烟雾。此外,还利用烟气抬升高度的阈值控制法来判断粒子的生命情况,使烟雾的模拟更加真实。实验证明,本系统利用有限的粒子数生成了满足视觉真实性和视景系统实时性要求的烟雾场景。

关键词：烟雾模拟粒子系统层次细节阈值控制

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纹理球方法的烟雾模拟

小型微型计算机系统 2013年第7期34卷 1685-1688页

作者：王继州袁雪霞中原工学院信息商务学院计算机系郑州450006 郑州经贸职业学院计算机系郑州450006

烟雾是普遍存在的自然现象.影视、动画、图形技术日益深入发展,各个领域对于烟雾的真实模拟已不可或缺.模拟需求越来越多、要求也越来越高.传统粒子系统不能满足实际需要;数学物理方法计算复杂,影响其广泛应用;基于纹理的方法越来越受... 详细信息

烟雾是普遍存在的自然现象.影视、动画、图形技术日益深入发展,各个领域对于烟雾的真实模拟已不可或缺.模拟需求越来越多、要求也越来越高.传统粒子系统不能满足实际需要;数学物理方法计算复杂,影响其广泛应用;基于纹理的方法越来越受到重视.本文采用基于纹理球的快速模拟方法.分析了真实的烟雾特点、运动变化等因素;设计了关键的控制变量.算法具有灵活的处理方式和开放的可扩展性.最后给出了实际的模拟效果,基本能够达到实时性要求.

关键词：粒子系统烟雾烟雾模拟纹理球气体现象

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一种改进的自适应漩涡限制实时烟雾模拟

小型微型计算机系统 2012年第12期33卷 2676-2679页

作者：唐勇吴娱吕梦雅宋志杰燕山大学信息科学与工程学院河北省计算机虚拟技术与系统集成重点实验室河北秦皇岛066004

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(... 详细信息

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.

关键词：自适应漩涡限制 MacCormack方法 N-S方程烟雾模拟

一种基于可编程GPU的实时烟雾模拟算法研究

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计算机科学 2019年第S11期46卷 604-608页

作者：邓定胜四川民族学院理工学院

随着国内经济的日益增长和科技的进步,人民的生活质量以及生活水平也得到了逐步提升,同时精神文化需求也越来越强烈,对动画、影视及其相关方面提出了更高的要求。提出一种在可编程GPU基础上对烟雾模拟进行有效计算的实时算法。在预先确... 详细信息

随着国内经济的日益增长和科技的进步,人民的生活质量以及生活水平也得到了逐步提升,同时精神文化需求也越来越强烈,对动画、影视及其相关方面提出了更高的要求。提出一种在可编程GPU基础上对烟雾模拟进行有效计算的实时算法。在预先确定的烟雾实时状态的基础上,通过实验实现可编程GPU的实时烟雾模拟算法,且以非常自然的烟雾流动来达到向目标的形状和状态进行转换的目的。通过对于可编程GPU的实时烟雾模拟算法的相关分析和研究,希望可以对我国相关技术和相关产业的进一步发展提供借鉴价值和指导作用。

关键词：可编程GPU 烟雾模拟实施算法纹理帧

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基于二维流体场的烟雾模拟算法

工程图学学报 2005年第5期26卷 69-73页

作者：杨志凌董兴辉华北电力大学(北京)计算机系北京102206

通过Navier-Stokes方程建立烟雾流体场的物理模型,以保证视觉的真实感。为了保证运算的实时性,烟雾流体场以二维网格空间(MN)为基础,在每个网格单元的中心点,采用简化的流体方程求解算法计算烟雾的速度场分布和浓度场分布,然后通过双线... 详细信息

通过Navier-Stokes方程建立烟雾流体场的物理模型,以保证视觉的真实感。为了保证运算的实时性,烟雾流体场以二维网格空间(MN)为基础,在每个网格单元的中心点,采用简化的流体方程求解算法计算烟雾的速度场分布和浓度场分布,然后通过双线性插值得到整幅图像中每个像素的浓度。将烟雾模拟技术用于图像的显示特技中,以产生图像消散成烟雾的视觉效果,得到了比较满意的模拟效果。

关键词：计算机应用烟雾模拟流体力学 Navier-Stokes方程

基于物理模型烟雾模拟的真实感增强和实时性改进

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基于物理模型烟雾模拟的真实感增强和实时性改进

作者：王正熙燕山大学

学位级别：硕士

计算机图形学中，烟雾的模拟在电子游戏、影视制作及军事等方面有着广泛的前景，图形学工作者希望获得快速逼真的烟雾模拟效果。基于物理模型的烟雾模拟物理方程复杂，计算求解耗时;并且因为烟雾本身其特有的复杂多变性，研究具有一定... 详细信息

计算机图形学中，烟雾的模拟在电子游戏、影视制作及军事等方面有着广泛的前景，图形学工作者希望获得快速逼真的烟雾模拟效果。基于物理模型的烟雾模拟物理方程复杂，计算求解耗时;并且因为烟雾本身其特有的复杂多变性，研究具有一定的挑战性。为了提高烟雾模拟真实感和增强烟雾模拟实时性，本文做了以下的实验研究。首先，在提高烟雾模拟真实感方面，由于烟雾模拟中的流体细节能有效的提高模拟的真实感，本文通过改进经典流体力学模型Navier-Stokes方程组，在外力项中加入了热浮力和漩涡力，设定适当的外力值，在不增加计算量的基础上，通过加入这些烟雾所具有的细节特性来使得烟雾表现的更加逼真。其次，在烟雾模拟实时性改进方面，本文提出了采取了逆向追踪的方法，通过计算出单位网格范围内所有的目标粒子，逆向追踪到这些目标粒子最短长度的网格粒子路径，把此路径作为所有在此单位网格中粒子的路径，以此来减少计算量。借此有效的提高了因重复计算所引起的数值消耗的弊端，使得烟雾的效果能够实时的显示出来。最后，本文利用工具VC++和开放图形接口OpenGL在Windows平台上设计出烟雾的模拟系统，在烟雾模拟真实感和实时性上进行了实验验证。成功的实现了烟雾快速真实的模拟。

关键词：烟雾模拟 N-S方程组真实感实时性逆向追踪

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脉动风场中烟雾模拟方法的优化研究

脉动风场中烟雾模拟方法的优化研究

作者：翟松青燕山大学

学位级别：硕士

在计算机图形学中,真实的再现烟雾等自然现象一直是最具有挑战性研究方向之一。传统的粒子系统和纹理映射等方法模拟出烟雾真实感较差,无法满足高真实性要求。随着流体力学领域中对流体物理特性的研究日益成熟,基于物理的方法得到了广... 详细信息

在计算机图形学中,真实的再现烟雾等自然现象一直是最具有挑战性研究方向之一。传统的粒子系统和纹理映射等方法模拟出烟雾真实感较差,无法满足高真实性要求。随着流体力学领域中对流体物理特性的研究日益成熟,基于物理的方法得到了广泛的应用,它从烟雾的内在物理特性出发,建立精确的物理模型,模拟出高精确度的烟雾动画。本文采用基于物理的方法进行烟雾模拟,并针对烟雾模拟的实时性和真实性要求进行研究。首先,在提高实时性方面,采用非粘性不可压缩Navier-Stokes方程组建立烟雾物理模型,利用有限差分法结合GPU加速技术求解烟雾物理方程,将求解区域离散化,并对烟雾基本物理方程进行简化,减少计算量。同时,应用MacCormack方法求解对流项,减少传统方法的求解步骤,提高计算速度并保证求解过程的无条件稳定性。其次,在提高真实性方面,引入风场的作用,使烟雾的形态和运动更加逼真自然。采用优化的卡门谱建立风场的互谱密度矩阵,引入特征正交分解(POD)技术求解矩阵,并利用快速傅立叶变换(FFT)技术求出脉动风在频域空间的速度场,将脉动风场以外力的形式加入到描述烟雾运动的物理方程中,实现风场与烟雾的交互作用。再次,将烟雾的重力、热浮力和漩涡约束力加入到影响烟雾运动的特征因素集中,改善烟雾的运动细节,增强运动的真实性。此外,考虑烟雾的密度和温度随速度场的变化,以准确的计算烟雾的重力和热浮力。最后,利用VC++语言和开放性图形接口OpenGL设计烟雾的实时仿真系统,对改进后的烟雾模拟算法进行验证,实验证明:利用本文的算法可以实时的生成在脉动风环境下逼真自然的烟雾。

关键词：烟雾模拟 Navier-Stokes方程组风场模拟谐波合成法 MacCormack方法

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基于物理模型的烟雾模拟技术的研究

基于物理模型的烟雾模拟技术的研究

作者：孙萌阳新疆大学

学位级别：硕士

在计算机图形学中,从20世纪80年代就开始了对烟雾的模拟,但直到现在,烟雾动画仍然是一个有意义并且具有挑战性的课题。传统的粒子系统和纹理映射等方法难以满足高真实感要求的烟雾动画模拟。因此本文采用基于物理的方法,即从烟雾运动的... 详细信息

在计算机图形学中,从20世纪80年代就开始了对烟雾的模拟,但直到现在,烟雾动画仍然是一个有意义并且具有挑战性的课题。传统的粒子系统和纹理映射等方法难以满足高真实感要求的烟雾动画模拟。因此本文采用基于物理的方法,即从烟雾运动的内在物理特性出发,建立烟雾运动的真实物理模型,然后对此物理模型进行数值求解,得到烟雾运动过程中每一时刻的运动状态参数,并根据此状态参数进行绘制而得到烟雾运动过程中的每一幅画面。本文把不可压缩无粘性的流体流动作为烟雾运动的物理模型,并通过在此物理模型上加入约束力的方法实现对烟雾运动的控制。在对此物理模型的数值求解方法上,在用有限差分法数值求解模型方程时,采用非交错网格离散求解区域,可避免由于采用交错网格而引入的插值运算。另外,还采用了线性半拉格朗日方法、快速线性求解器等各种简化处理和快速求解算法,以减少计算量,提高求解速度。用以上方法模拟烟雾的运动,可以获得较为逼真的烟雾视觉效果和更好的速度性能。在烟雾运动的控制方面,在烟雾运动的物理模型的基础上通过施加吸引力和驱动力的方法来实现烟雾在流动的过程中快速有效的形成人为指定的形状。吸引力的作用是使烟雾流向模型,并阻止模型内的烟雾向外流出。内部驱动力则会驱动模型内的烟雾从高烟雾密度区向低密度区扩散,可使烟雾快速地填充满整个几何模型。实验结果表明该方法提高了烟雾形状的可控性,操作更加方便,并且能实时高效地模拟具有真实感的烟雾动画效果。

关键词：计算流体力学计算机图形学烟雾模拟