3D流体仿真技术的研究与实现

• 作 者: 温泉
• 出 处: 电子科技大学
• 发表日期: 2014年01期
• 关键词: Navier-Stokes方程 流体 GPU 双向耦合 光线投射

3D流体仿真技术提供了计算机图形学中让人惊叹的视觉效果。因此,随着人们对于视觉效果的要求越来越高,3D流体仿真逐渐成为了研究者们所关注的焦点。无论是电影特效、三维动画还是视频游戏,都可以看到3D流体仿真的踪迹。同时,3D流体仿真也是模拟多种自然现象的基础。这些因素决定了3D流体仿真不只是目前的一个研究热点,也将成为未来计算机图形学研究的重要方向。本文首先对于3D流体仿真的相关理论和技术进行了深入地研究和分析,包括仿真的物理基础、流体与动态障碍物的耦合以及渲染算法的研究,然后设计并实现了基于GPU的3D流体仿真系统。本文的创新之处在于提出了改进的流体仿真算法、改进的体素化方法以及改进的光线投射算法,并且在本文的实现中将这些创新点进行了应用。本文的主要内容为:1.本文使用了Navier-Stokes方程作为流体仿真的物理基础,根据该方程得到了流体仿真算法。然后,结合本文的具体情况,对流体仿真算法进行了改进。改进的主要内容包括使用MacCormack方法求解平流项、在GPU上使用Jacobi迭代法求解压力项以及一种平流与修正相结合的方法更新水平集,通过使用改进的流体仿真算法可以获得更精确的结果。2.在流体仿真的过程中,加入了动态障碍物对于流体的影响,流体与动态障碍物的耦合是本文的关键。由于在耦合过程中需要使用边界信息和边界的法向信息,因此本文提出了一种改进的体素化方法,通过这种方法可以获得耦合所需要的信息,从而实现双向耦合的过程。对于耦合过程本文进行了实验,并且取得了明显的效果。3.在仿真过程结束后,需要将结果渲染出来。本文兼顾效果和效率这两个方面,采用了光线投射算法的思想。并结合本文的具体情况,对于光线投射算法进行了改进。改进的主要内容包括光线行进距离修正、裁剪以及一种控制透明度的方法,通过使用改进的光线投射算法可以获得正确的结果。最后,以本文之前的研究内容作为基础,实现了基于GPU的3D流体仿真系统,并给出了实验结果与分析。然后,本文对于目前的成果进行了总结,并对以后的工作进行了展望。