基于D3bQ15晶格离散三维风场的飘雪模拟

摘要

自然景物的模拟一直是计算机图形学中最具挑战性的问题之一。自然景观中飘雪的模拟，可以大大提高虚拟场景的逼真效果。雪花形态的不规则性、运动的无规律性以及受环境因素影响大的特点，决定了其建模方式和运动描述方法更为困难。真实感的飘雪模拟是要让雪花粒子真正的浸入到风场中。为此，本文着重从以下几方面进行研究和探讨。
　　首先，用 D3bQ15晶格改进风场模型。用LBM建立风场模型时，如果所用笛卡尔晶格的离散速度数少，则风场模型的数值精确度低；反之，则会导致系统的计算效率低。而D3bQ15晶格更好的各向同性及特定空间较少的采样数，调和了由离散速度数决定的风场模型的精确度和计算效率之间的矛盾，更好的满足了飘雪场景模拟中真实性和实时性的要求。
　　其次，规划雪花粒子的运动。基于D3bQ15晶格建立风场模拟飘雪场景时，雪花粒子必须沿晶格线运动，但下一时刻雪花粒子的位置不一定正好对应于三维空间的晶格节点。用基于概率的方法处理，保证了雪花粒子的平均位置随预期速度流变化的同时，沿着晶格线运动。这样既模拟了雪花飘动的随机性，又保证了雪花粒子的飘动在宏观上是准确的。
　　最后，为验证基于D3bQ15晶格离散三维风场模拟飘雪场景的有效性，设计并实现了飘雪模拟系统。实验证明：用D3bQ15晶格建立风场模型模拟飘雪场景，能更好的满足飘雪场景真实性和实时性的要求。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 飘雪场景模拟的难点

1.3 飘雪模拟的研究现状

1.4 研究内容

1.5 文章结构

第2章 飘雪的特点及飘雪模拟的关键问题分析

2.1 飘雪特点的分析

2.2 粒子系统在模拟飘雪中的应用及存在的问题

2.3 模拟风场两种途径优缺点的剖析

2.4 本章小结

第3章 基于D3bQ15晶格改进风场模型

3.1 LBM原理的阐述及分析

3.2 基于笛卡尔晶格建立风场模型的局限性分析

3.3 BCC晶格模型D3bQ15的提出

3.4 基于D3bQ15晶格的风场模型的性能分析

3.5 边界条件的设置

3.6 风随时间振荡变化的处理

3.7 基于D3bQ15晶格的风场流程图

3.8 本章小结

第4章 雪花粒子的运动处理及绘制

4.1 雪花粒子的定义及其密度、直径的确定

4.2 雪花粒子在风场中的运动模拟

4.3 飘雪场景的绘制

4.4 本章小结

第5章 系统设计与实验验证

5.1 实验平台的搭建

5.2 飘雪模拟系统的设计

5.3 实验结果与分析

5.4 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

作者简介