基于粒子系统的自然现象仿真

摘要

自然现象指的是自然界中的一些现象,比如火焰,河流,水面泛起的泡沫,雨雪下降过程,地面的变形和细节变化等。自然现象的建模和渲染是近十几年来计算机图形学的一个重要研究领域,在三维仿真仿真系统中需要尽量真实地再现这些自然现象。在多年前,就已经有游戏使用2D粒子系统来模拟烟雾,粒子系统已经成为游戏或真实的三维仿真平台不可或缺的一部分,以粒子系统模拟的自然现象可带来更真实的视觉效果和体验。本文针对不同的粒子系统构造模型,采用不同的方法,对自然现象的仿真进行研究。
　　本文的主要研究内容和和研究成果包括:本文根据自然现象的景物和物理特征,对自然现象进行分类,实现对自然现象仿真系统的模块划分与系统设计。粒子系统分为质点系模型系统和流质系模型系统。本文通过对下雪的过程,火焰和泡沫仿真来对质点系模型粒子系统进行仿真,通过对自由表面模拟来对流质系模型粒子系统仿真。本论文在自然现象中的自由表面模拟中,主要讨论无网格方法中的光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics)模型。本文首先采用交错线性表查找粒子方法优化了数据结构,最后构造了粒子渲染表面完成了对自由流体表面渲染。
　　本文自主开发了基于粒子系统的自然现象仿真系统,在此系统上实现了粒子系统发射器和粒子系统管理器等等功能。实现了在一个实际的地形中,添加,删除或修改组成自然现象的粒子。同时采用了空间分割,地形的细节纹理合成等方法实现场景绘制。本文的特点在于,在真实的场景环境下讨论基于粒子系统的自然现象仿真,以及多种不同粒子模型的综合应用,借以对SPH模型进行优化,从而贴近实际需要。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 问题的提出

1.2 课题来源

1.3 国内外研究动态和水平

1.4 研究的目的和意义

第2章 粒子系统构造模型方法

2.1 粒子系统的基本原理

2.1.1 计算机图形学与OpenGL

2.1.2 粒子系统基本原理

2.1.3 粒子系统模型

2.2 基于流体力学的构造模型

2.2.1 流体运动学描述

2.2.2 流体力学基本方程

2.3 系统模块划分与设计

2.3.1 自然现象的分析

2.3.2 系统模块划分与设计

2.4 本章小节

第3章 质点系模型粒子系统

3.1 质点系粒子系统研究

3.1.1 建模方法分类

3.1.2 粒子系统类设计

3.1.3 粒子发射器设计

3.2 质点系粒子系统建模与实现

3.2.1 雪与雪地建模

3.2.2 火焰建模

3.2.3 泡沫建模

3.3 本章小节

第4章 流质系模型粒子系统

4.1 SPH模型

4.1.1 无网格方法

4.1.2 SPH求解原理

4.1.3 SPH模型基础

4.2 自由表面流体的研究实现

4.2.1 数据结构优化

4.2.2 表面连续化

4.2.3 仿真结果分析

4.3 本章小节

第5章 场景管理模块实现

5.1 地形管理模块

5.1.1 地形的生成

5.1.2 地形的绘制与实现

5.2 粒子系统管理

5.2.1 粒子系统管理结构

5.2.2 粒子系统管理类设计

5.3 场景绘制技术

5.3.1 空间分割

5.3.2 BSP树

5.3.3 场景渲染结果

5.4 本章小节

第6章 研究总结

6.1 全文总结

6.2 创新点

6.3 改进与展望

参考文献

致谢

附录攻读期间发表的论文和参加的项目