基于粒子和波的水行为模拟

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流体模拟是计算机图形学的一个重要研究方向,而实时真实感绘制更是一个挑战性问题,引起众多研究者的兴趣。水行为的模拟是其中一个研究热点。由于水行为的多样性,模拟水的不同状态需要使用不同的模拟原理。国内外现有的研究主要集中在水波和海浪的模拟,采用波动方程为模拟原理,按其实现方法,大致分为两类:欧氏网格和拉格朗日粒子。前者是一个离散的方法——将空间区域细分并控制流体在不同的空间“细胞”中。该方法能够实时模拟多种流体包括高度粘性流体,也可以实现流体的不可压缩性,但是流体的运动波被网格分辨率限制,不能保证小特征的大量保留。拉格朗日方法用波、粒子来模拟流体,粒子方法提供了一个概念简单、多样的模拟框架,因而被广泛使用。但是在流体仿真中,基于粒子的模拟方法难以表征平滑的表面。本文研究了喷泉的模拟,尝试建立一个模拟各种喷泉效果的通用平台。模拟分为两个阶段:喷射状态和水滴与水面的交互。我们使用粒子的自由落体原理来模拟喷射的水滴;第二阶段采用粒子和波相结合的方法模拟水滴和水面及其交互行为。为了避免耗时的求解波动方程,本文采用一维波动方程的圆形扩散来近似模拟水波运动。基于以上原理,我们使用VC++和3D图形引擎OGRE作为开发工具,初步实现了一个模拟平台。我们的喷泉模拟方法利用了粒子的优越性,可以实时绘制较为真实的喷泉效果。
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