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基于OpenGL的离散粒子系统仿真的设计与实现

作　者: 胡英芳
导　师: 江顺亮
学　校: 南昌大学
专　业: 计算机
关键词: OpenGL GLUT 粒子系统光滑粒子法仿真
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

离散粒子系统包括物理的离散粒子系统和虚拟的离散粒子系统,物理的离散粒子系统是指有大量颗粒构成的系统。虚拟的离散粒子系统,就是把连续的介质简化为大量粒子而形成的粒子系统。由于粒子系统一般包含大量的粒子,高效地计算和显示技术显得尤为重要。本文采用的离散粒子系统是用光滑粒子法模拟流体运动的粒子系统,该方法具有无网格及拉格朗日性质。本文使用的图形标准是OpenGL和GLUT工具包,模拟的实例是池中的造浪过程。光滑粒子法模拟流体运动现在是研究热点,这方面做的比较好且有开放源代码的是Fluids v.l(2008年发布),我们的工作就是在这基础上进行的。Fluids v.l采用显示列表来实现粒子的显示,本文将详细分析离散粒子显示系统的各个模块及其用到的显示技术,并对它进行了一些改进。本文将从GLUT开始,分析如何在GLUT的框架下开发显示系统,然后介绍用光滑粒子法对流体进行模拟的整个流程。对于显示模块,本文将分析系统中的显示列表技术、软阴影的实现和其用到的shadow map技术、系统中为加快显示速度使用的显卡拓展功能、及将阴影帧绑定到帧缓存对象FBO(Frame Buffer Object)上的帧缓存技术。Fluids v.l采用球模型和显示列表来实现粒子的显示,它的局限是用相同的单一球模型来显示每个粒子,而且球模型是由相当数量的三角形构成。但实际的离散粒子系统,粒子的尺寸是不一致的,用不同精度的模型来显示不同粒子更为合理。但如果采用不同的球模型来显示每个粒子,Fluids v.l的性能将有数量级的下降。本文从两个方面来改进粒子的显示：一,用多个显示列表来显示不同大小的粒子模型；二,用更少的三角形来表示一个球体,而显示效果没有降低。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第1章绪论  8-13
  1.1 引言  8-9
  1.2 光滑粒子动力学方法(SPH)  9-11
  1.3 OpenGL的发展和应用  11-12
  1.4 论文的内容和结构  12-13
第2章 GLUT技术  13-23
  2.1 OpenGL体系  13-14
  2.2 OpenGL的功能  14-15
  2.3 GLUT类库的产生及其功能  15-16
    2.3.1 OpenGL与GLUT  15
    2.3.2 GLUT基本功能  15-16
  2.4 GLUT基本结构  16-18
    2.4.1 GLUT的初始化  16
    2.4.2 创建显示窗口  16-17
    2.4.3 设置"事件"回调函数  17
    2.4.4 窗口消息的检查  17-18
  2.5 GLUT对键盘控制的实现  18
  2.6 利用GLUT类库进行绘制  18-23
    2.6.1 GLUT的安装  18-19
    2.6.2 用GLUT实现3D动态效果  19-23
第3章离散粒子系统:流体流动的光滑粒子动力学  23-28
  3.1 计算流体动力学方法  24
  3.2 光滑粒子动力学(SPH)法  24-28
    3.2.1 核函数的选择  25-26
    3.2.2 SPH的粒子力的计算  26
    3.2.3 SPH的计算过程  26-28
第4章离散粒子系统显示的实现  28-41
  4.1 离散粒子系统的常用模块  28-30
    4.1.1 粒子初始化模块  28
    4.1.2 粒子的支持域搜索模块  28-29
    4.1.3 时间积分  29-30
    4.1.4 边界处理和推进模块  30
  4.2 系统的GLUT框架  30-33
    4.2.1 窗体创建模块  30-31
    4.2.2 显示模块  31
    4.2.3 窗口改变处理模块  31-32
    4.2.4 鼠标键盘事件模块  32-33
  4.3 粒子阴影模块  33-41
    4.3.1 软阴影显示  33-34
    4.3.2 Shadow map技术  34
    4.3.3 使用一般纹理对象实现Shadow map  34-37
    4.3.4 使用帧缓存对象实现shadow map  37-41
第5章离散粒子显示的改进  41-68
  5.1 GLUT的画球函数  41-43
    5.1.1 glutSolidShpere函数  41-42
    5.1.2 模拟glutSolidShpere函数  42-43
  5.2 使用MSC绘制球体  43-45
  5.3 绘制网格  45-51
  5.4 实现MSC接口  51-54
  5.5 加入帧率测量模块  54-55
  5.6 实现自适应性的粒子显示系统  55-56
  5.7 使用显示列表加强显示效果  56-58
  5.8 实验及结果分析  58-68
结束语  68-69
致谢  69-70
参考文献  70-73

基于OpenGL的离散粒子系统仿真的设计与实现

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