基于物理的雾凇生长模拟算法

• 作 者: 李晔
• 出 处: 北京林业大学
• 发表日期: 2020年04期
• 关键词: 物理方法 软凇 硬凇 生长模拟

随着计算机硬件设备和图形学技术的不断优化和发展,自然景物的真实感模拟得到了很大程度上的进步。目前尽管对树木、草地、海洋等自然景物的模拟技术已经取得了非常真实的效果,并已广泛应用于游戏、动画、林学研究、园林规划等领域,但对于雾凇这一独特自然景观的真实感模拟却鲜有人涉及。因此,本文选取雾凇生长动态过程进行真实感动态模拟。雾凇是冬季比较常见的一种自然景观,具有很高的观赏价值,同时在特定的生长条件下,雾凇也会转化为破坏力巨大的自然灾害,危害人们的生命、财产安全。本文通过观察自然界中两种主要雾凇(软凇和硬凇),提出了一种基于物理的雾凇生长动态模拟算法,算法主要模拟雾凇在不同风速、温度等生长环境下的形态和生长方向。首先,在模型的三角面片上进行生长点的选取,并引入柏林噪声来模拟风场,以生长点的坐标为参数计算每个生长点对应的风速和风向,同时对噪声函数进行平滑化处理以增强自然真实的效果;其次,利用基于流体力学和热力学原理建立的覆冰模型,计算每个生长点对应的雾凇单次生长长度;最后,结合扩散限制凝聚方法,以每个雾凇生长点为凝聚核,模拟风对雾滴粒子凝聚产生的影响下的软凇形态;利用分节的方法,通过对风环境中雾凇生长模型的每一节进行受力分析,计算每一节的生长终点,最后依次连接每一节的生长终点得到硬凇的形态。实验结果表明:本文算法能够真实、有效地模拟自然界中的软凇和硬凇生长过程,特别是对于雾凇生长结果细节的展示,在游戏动画、虚拟现实、自然灾害防御等领域具有一定的科学研究价值和实际应用价值。