欧拉模型中多烟雾自由融合实时绘制算法研究

摘要

烟雾融合是自然界中常见的现象，对其模拟也经常应用在各种仿真中，给人们的生活增添了几分色彩，满足人们的视觉享受。对烟雾的模拟仍然是计算机图形学和虚拟现实技术领域的研究难点及热点。目前，对烟雾的模拟多集中在单股烟雾的真实性和实时性上，而很少有对多烟雾融合的模拟，为此本文提出一种基于欧拉模型的多烟雾自由融合方法，快速精准绘制真实世界中的多烟雾自由融合现象。
　　首先，为表现同一场景中多烟雾融合现象，根据场景和烟雾源位置等初始条件，对欧拉网格进行预处理，提出域划分算法，从结构层解决了多烟雾自由随机运动的描述问题，弥补了传统烟雾模拟在一个力场作用下运动态势的单调性，实现对不同数量以及不同属性烟雾融合的模拟效果，并利用Unity3D平台构建虚拟现实场景，加入风场和障碍物增强多烟雾融合模拟的真实性。
　　同时，以动量守恒定律与能量守恒定律为依据，采用高斯平滑技术对多烟雾融合进行局部控制，解决多烟雾融合时边界不连续问题，并辅助以整体调节的方法使多烟雾融合时的浓度实现合理的流动与过渡。
　　然后，为更逼真地表现多烟雾融合的效果，提升多烟雾融合的真实感，实现体绘制算法中的Ray-casting(光线投射)算法，并根据不同烟雾密度属性，绘制不同颜色，用多种颜色累加混合策略清晰地表现出多烟雾的融合细节。
　　最后，利用GPU的并行计算方法和D3D技术中的计算着色器，创建多个线程并行计算，有效地解决了N-S方程求解速度慢的问题，提高仿真效率，获得了多种不同属性烟雾融合过程的实时绘制。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景与意义

1.2 课题相关的国内外研究现状

1.3 多烟雾融合模拟存在的问题

1.4 研究的内容及预期目标

1.5 论文结构

第2章 构建多烟雾融合的数学控制方程

2.1流体模拟的基本方法介绍

2.2多烟雾自由融合仿真流程

2.3 多烟雾融合的控制方程组

2.4 求解多烟雾融合控制方程组

2.5 本章小结

第3章 融合烟雾域划分方法的数学描述

3.1 全局网格区域划分原则

3.2 局部速度调整

3.3 整体速度平衡

3.4 融合烟雾遇到障碍物

3.5 虚拟场景中的融合烟雾

3.6 本章小结

第4章 多烟雾自由融合渲染

4.1 着色语言

4.2 渲染流水线

4.3 光线投射算法描述

4.4 烟雾颜色混合策略

4.5 本章小结

第5章 多烟雾融合实验的设计与结果分析

5.1 实验结果的展示与分析

5.2 多烟雾自由融合实时性分析

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢