基于物理模型的音乐喷泉仿真

摘要

自然景物的模拟一直是视景仿真领域的一项重要研究内容。尤其是对动态自然景物如云、雾、烟、雪、水流、火花等的模拟，更具挑战性，这是由于传统的造型方法很难描述它们的形状和运动。总的来说，模拟自然景物的方法有两种：一种是采用基于物理的造型技术，另一种是采用粒子系统。 在对自然景物的模拟上，针对不同的情况，人们提出了许多成功的算法。但在人工可控的景观上，相应的工作却并不多见。本文以音乐喷泉为切入点，探讨基于物理模型的人工可控的自然景观的模拟。音乐喷泉即由音乐来控制喷泉水流的运动，其难点在于音乐与喷泉的同步。基于流体动力学和粒子系统，本文给出一个模拟音乐喷泉水流运动的方法。与以往通过求解流体动力学中复杂的Navier-Stokes方程来模拟水流的做法不同，本文通过求解该方程的一个特例和简单的粒子动力学方程，并结合音频数据来控制水滴从圆管中喷出的位置及初始速度，达到喷泉高度与音乐强度同步的效果。为取得实时参数调节与高度真实感之间的平衡，本文提出了一个混合式绘制框架：一方面采用OpenGL作为绘制引擎，以支持用户交互调节音乐喷泉的控制参数；另一方面，采用Blobby隐式曲面作为粒子结合光线跟踪方法，以实现音乐喷泉水流的高度真实感模拟。

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文摘

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第一章绪 论

1.1粒子系统简介

1.2粒子系统的应用和发展

1.3本文主要内容

第二章音乐喷泉粒子动力系统

2.1音乐喷泉水流运动的流体粒子系统

2.1.1流体动力学简介

2.1.2粒子运动动力学

2.2风力模型

2.3音乐文件格式分析与声音数据的读取

2.3.1音乐文件格式分析

2.3.2声音数据的读取

2.4音频采样

2.4.1音频采样和视频输出之间的不一致

2.4.2三种采样方法比较

2.5小结

第三章音乐喷泉的绘制

3.1音乐喷泉的绘制框架

3.2实时绘制与绘制结果

3.2.1在OpenGL中的实时绘制

3.2.2音乐的播放

3.2.3绘制结果

3.3真实感绘制方法与绘制结果

3.3.1 RenderMan简介

3.3.2 RenderMan中的Blobby隐式曲面简介

3.3.3 RenderMan中光线跟踪算法的用法

3.3.4三维场景的建立

3.3.5绘制结果

3.4小结

第四章结论与展望

参考文献

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