虚拟战场爆炸特效的研究与实现

摘要

虚拟战场是利用虚拟现实技术，通过计算机仿真合成的交互式战场空间。虚拟战场中特殊效果的模拟能够增强虚拟战场的真实感和沉浸感，其中爆炸特效是虚拟战场中最为常见、最为重要的一种特殊效果。爆炸特效的模拟效果对整体虚拟战场的动态仿真质量起着至关重要的作用。由于爆炸特效中爆炸火球的快速膨胀和发光效果，爆炸烟雾的复杂运动和不规则的形状，以及爆炸烟灰的产生和运动等原因，爆炸特效的模拟一直是计算机图形学领域的研究重点和难点。
　　本文以虚拟战场为背景，对爆炸特效的模拟进行了深入的研究。首先，从物理的角度分析了真实爆炸的本质和原理，以及爆炸发生后所产生的连续现象，全面地回顾了关于爆炸的仿真模拟历程，还对国内外各种相关研究成果进行了系统的总结，为爆炸模拟的应用提供了参考；然后，分析目前爆炸特效模拟方法存在的缺陷主要是爆炸过程和爆炸烟雾分开模拟，导致真实感较差。本文提出新的算法模拟爆炸的全过程，重点在于爆炸过程中爆炸物和爆炸烟雾的交互。模拟对象包括爆炸物、爆炸火球以及爆炸后形成的烟雾和烟灰。本算法将爆炸特效主要分为两个阶段：爆炸第一阶段是爆炸产物燃烧迅速膨胀形成爆炸火球；第二阶段是爆炸烟雾伴随着爆炸产物烟灰扩散上升随即下降的过程。对爆炸物、爆炸烟灰和爆炸烟雾分别采用粒子系统和Navier-Stokes方程(简称NS方程)建立物理模型。为了保证模拟效果的真实性和实时性，并根据本算法的模拟目标作适当的修改和简化NS方程，对它的求解采用简单快速的有限差分方法，并在流体中引入涡流限制来弥补有限差分方法的数值损耗和增加爆炸烟雾的小尺度漩涡效果。最后，基于 VS2010和 OpenGL，采用本文提出的爆炸算法以及相应的数值求解方法，实现了二维爆炸特效的全过程模拟，包括多重爆炸以及在爆炸场景中存在障碍物的条件下爆炸特效的模拟，并对爆炸中心的温度和速度及爆炸直径和爆炸高度变化进行数据分析，对实验结果进行了验证，仿真速度快效果良好，该算法也适用于三维爆炸。另外，本文中还讨论了本算法的局限性及后续工作。

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第1章 绪论

§1.1研究背景及意义

§1.2国内外研究现状

§1.3本文的主要内容

§1.4本文的组织结构

第2章 爆炸模拟基础

§2.1流体概述

§2.2计算流体力学

§2.3 Navier-Stokes方程组

§2.4基于物理流体模拟的求解方法

§2.5网格生成

§2.6有限差分技术

§2.7涡流限制

§2.8粒子系统理论

§2.9粒子的属性

§2.10粒子的生命周期

§2.11本章小结

第3章 基于NS方程的流体建模

§3.1流体物理模型的建立

§3.2流体网格的生成

§3.3流体边界的处理方法

§3.4流体模型速度更新

§3.5流体模型温度更新

§3.6本章小结

第4章 基于粒子系统的爆炸物建模

§4.1爆炸物模型建立

§4.2粒子的存储结构

§4.3爆炸粒子的初始化

§4.4爆炸粒子属性更新

§4.5 粒子位置更新

§4.6本章小结

第5章 粒子模型和流体模型交互

§5.1爆炸粒子燃烧对流体网格属性的影响

§5.2流体网格的内部运动对爆炸粒子速度的影响

§5.3本章小结

第6章 算法仿真实现及结果分析

§6.1开发平台和环境

§6.2仿真程序的框架设计

§6.3爆炸特效仿真

§6.4爆炸仿真数据分析

§6.5本章小结

第7章 全文总结及后续工作

§7.1增强系统实时性的技术

§7.2全文内容总结

§7.3本文的不足及后续工作

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间的主要研究成果