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352

作者：

谭捷

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摘要：

无论在现实生活中还是在电影特效领域,诸如狂风暴雨下的海面,徐徐上升的轻烟,四处飞溅的水滴等流体现象有着让人惊叹的视觉效果.摄像师,电影制作人,抑或是游戏创造者都尝试着去捕捉这稍纵即逝的美景(如著名的照片"牛奶争冠"和电影"海神号").人们对电影和游戏的视觉效果要求越来越高,观众们也希望能够看到真实的流体动画效果.然而,由于流体运动的复杂性,传统的由美术工作者逐帧绘制流体效果的方法变得不再可行.于是,基于物理的方法逐渐成为广泛流行的计算机模拟流体的方法. 本文首先详细介绍了描述流体运动的Navier-Stokes方程组并针对基于物理的流体动画技术给出了一个全面的前沿性综述.作为模拟真实流体效果的最常见方法,基于物理的流体动画近几年来产生了大量新的研究成果.本义将现有方法分成三类:拉格朗日法,欧拉法和晶格波尔兹曼方法,对它们进行对比讨论;介绍了七种不同类型流体现象的模拟技术;并重点评述表面跟踪与表示,流体控制,混合方法,模型降级和GPGPU等研究热点.本文还根据最近1-2年以来在SIGGRAPH与ACMSIGGRAPH/Eurographics Symposium on Computer Animation上的论文归纳总结出未来流体模拟的研究趋势和发展方向.这篇文章目的在于给读者提供一篇较完整的参考.即使是刚刚进入该领域的研究者也能从这篇文章中获得一个对该领域的简单介绍,从而无需花费大量时间阅读海量文献来了解其最新的发展状况. 此外,本文提出了一套通用的基于层次化网格的多层流体动画框架,用以解决目前流体模拟中传统欧拉方法所面临的诸多问题,如边界条件的离散,多尺度细节的捕捉等等.多层网格方法将流体计算区域根据视觉重要性和数值计算的难度划分成多个相互嵌套的子区域,然后再在这些子区域内分布不同精度或者不同类型的网格对Navier-Stokes方程进行离散,求解.最后通过边界条件在网格之间传递数据,使局部解收敛于方程的全局解.这种方法不仅能有效捕获流体运动中各个尺度的细节,有效地优化计算资源,还能博众所长,集成不同数值方法的优点.我们采用两个简单的例子:四面体-立方体网格和粗-细精度网格来体现该多层网格框架的应用价值.

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关键词：

基于物理的动与；Navier-Stokes方程；有限差分方法；SPH方法；LBM方法；粒子水平集方法；多层网格框架

学位级别：

硕士

DOI：

CNKI:CDMD:2.2009.140503

被引量：

7