畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報告—張利衛(wèi)

《畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報告—張利衛(wèi)》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。

1、燕山大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報告課題名稱：煙霧的真實(shí)感建模與實(shí)時繪制學(xué)院（系）：信息科學(xué)與工程年級專業(yè)：計(jì)算機(jī)應(yīng)用3班學(xué)生姓名：張利衛(wèi)指導(dǎo)教師：宮繼兵完成日期：2013年3月27日一、課題意義科學(xué)意義：真實(shí)感圖形一直是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中最具有挑戰(zhàn)性的研究方向之一，尤其是對不規(guī)則物體的模擬，如煙霧、云、火焰、雨雪等自然現(xiàn)象。而作為自然景物中最為常見的煙霧，它們的建模、渲染及廣泛的應(yīng)用前景更是吸引了眾多圖形學(xué)研究者的關(guān)注。和傳統(tǒng)規(guī)則物體對比來看，它們的建模更具挑戰(zhàn)性，主要原因在于：（1）幾何外形的不規(guī)則性。自然界最為常見的現(xiàn)象——煙霧，由于

2、是氣體，并由大量的微塵顆粒組成，造就了其沒有明顯的表面與邊界，這就使得對其的描述不能使用經(jīng)典的歐幾里德幾何學(xué)，且如果直接用直線、多次曲線和常用的樣條曲線及曲面等對其進(jìn)行建模，也會帶來相當(dāng)大的失真和巨大的時間和空間復(fù)雜度。（2）運(yùn)動特征的不規(guī)則性。由于煙霧是由大量的微塵顆粒組成，顆粒之間的碰撞、吸引和它們的運(yùn)動速度都對整個煙霧的運(yùn)動產(chǎn)生影響，很難用一個數(shù)學(xué)模型對其描述。如果建立的控制運(yùn)動方程過于精確，會使計(jì)算量龐大，影響模擬的實(shí)時性；如果方程過于簡單，又會導(dǎo)致煙霧的細(xì)節(jié)丟失，影響煙霧的真實(shí)性效果。（3）與外界交互的不同作用。在自然界任一景

3、物都不是孤立存在的，它與周圍的環(huán)境及其他的自然景物是時刻相互作用的，如煙霧擴(kuò)散時會受到風(fēng)力的作用，遇到障礙物時會與障礙物交互產(chǎn)生漩渦等。因此模擬煙霧時必須考慮周圍環(huán)境的影響，才能生成逼真的煙霧效果。現(xiàn)實(shí)意義：應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬火災(zāi)煙霧，可以幫助研究者掌握不同火災(zāi)現(xiàn)場煙霧流動的特殊性，對指導(dǎo)火災(zāi)撲救工作有著極其重要的現(xiàn)實(shí)意義；在虛擬戰(zhàn)場的模擬中加入煙霧效果可以使模擬效果更加貼近實(shí)際作戰(zhàn)情形，幫助軍事人員迅速提高作戰(zhàn)能力。此外，煙霧模擬在電影特效、三維動畫和廣告制作等領(lǐng)域中都有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。二、課題國內(nèi)外研究動態(tài)不規(guī)則物體的模擬，早在20世

4、紀(jì)80年代起，就已然有了人們對其的研究。煙霧的模擬也開始展開。隨著對前人經(jīng)驗(yàn)的吸取與新方法的不斷探索，以及流體力學(xué)領(lǐng)域?qū)α黧w物理特性的研究算法日益成熟，目前計(jì)算機(jī)不規(guī)則物體模擬的方法大體分為兩種類型：基于粒子系統(tǒng)的模擬方法、基于數(shù)學(xué)物理模型的模擬方法。下面我們分別探討這兩種方法的研究與應(yīng)用。（1）基于粒子系統(tǒng)的模擬方法最早應(yīng)用粒子系統(tǒng)模擬煙霧的算法可以追溯到1983年W.TReeves提出粒子系統(tǒng)作為模糊物體的建模方法。它的基本思想是將煙霧看作是由粒子形成的粒子微團(tuán)，定義粒子的屬性(粒子的速度、形狀、生命周期等)，粒子隨時間的推移而不斷

5、運(yùn)動，并不斷改變運(yùn)動狀態(tài)，從而模擬出無規(guī)則的物體及其運(yùn)動變化。此方法在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中擁有非常廣泛的應(yīng)用，并且人們也在不斷的完善它拓展它。1992年，Loke改進(jìn)粒子系統(tǒng)算法，用粒子衍生的方法控制粒子運(yùn)動軌跡，繪制出多種焰火效果；Richard和David提出變形物體表面建模方法，模擬了可變形物體表層的斷裂、伸展等效果。1999年謝劍斌等運(yùn)用粒子系統(tǒng)的一般原理，分析了雨點(diǎn)和雪花的靜態(tài)和動態(tài)的屬性特點(diǎn)，提出了基于粒子系統(tǒng)的雨點(diǎn)和雪花降落的實(shí)時模擬生成算法，并根據(jù)一定的原則對算法進(jìn)行了一定的簡化。從而實(shí)現(xiàn)了粒子系統(tǒng)在雨點(diǎn)和雪花模擬上的應(yīng)用。1

6、999年J．X．Chen等從計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)的角度對灰塵的運(yùn)動行為進(jìn)行的三個階段的細(xì)致分析；并且運(yùn)用粒子系統(tǒng)的方法和圖形學(xué)的其他相關(guān)技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)；生成了較好的車輪灰塵效果。2000年N．Adabala等阿3在粒子系統(tǒng)方法中引入渦流元素方法(VEM)作為模擬的動力學(xué)基礎(chǔ)，在氣體體積里面估計(jì)粒子的密度；運(yùn)用蒙地卡羅光線追蹤來估計(jì)粒子的光輝，最后貼上粒子圖，模擬氣體的運(yùn)動變化過程。2005年Selle等人提出了漩渦粒子方法來模擬煙霧、水和爆炸等現(xiàn)象。2006年，MorganMcGuire等提出用粒子系統(tǒng)表述煙霧、用簡單的運(yùn)動方程控制煙

7、霧運(yùn)動，結(jié)合陰影技術(shù)實(shí)時的生成了生動的煙霧動畫序列。2007年，李維松、周曉光等人提出一種基于粒子系統(tǒng)理論和離散濃度場相結(jié)合來模擬煙霧的算法。2010年，WenChanjuan對平滑粒子方法進(jìn)行改進(jìn)，直接在GPU上生成基于哈希的均勻網(wǎng)格以加快相鄰粒子的查找速度，并通過在定點(diǎn)著色器中將紋理樣本化，實(shí)現(xiàn)了粒子位置緩存直接隨粒子定點(diǎn)緩存的內(nèi)容而更新，避免了在CPU和GPU間重復(fù)傳遞數(shù)據(jù)，十分有效利用了GPU的并行計(jì)算能力，顯著提高了模擬速度。2010年，唐勇提出基于粒子數(shù)生成函數(shù)的煙霧模擬，應(yīng)用層次細(xì)節(jié)技術(shù)使模擬中生成的粒子數(shù)量更為合理，在獲

8、得良好視覺效果的同時提高了模擬實(shí)時性。將改進(jìn)的物理模型和粒子系統(tǒng)相結(jié)合，有效提高了煙霧模擬的真實(shí)感。（2）基于數(shù)學(xué)物理模型的模擬方法隨著流體運(yùn)動學(xué)領(lǐng)域中對煙霧的物理特性研究日益成熟，人們越來越多采用基于物理