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基于物理过程的高能爆炸场景生成与绘制技术

作　者: 蒋阳
导　师: 蔡勋
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: NS方程流体模拟拉格朗日法欧拉法 GPU
分类号: TJ510.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 11次
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内容摘要

随着科学技术的发展,视景仿真技术已经渗透进了军事生活的各个方面,在虚拟战场环境、军事训练和武器装备的研制等方面都开展了大量应用。大气层高能爆炸宏观景象是最为直观的判断高能爆炸效果的重要依据之一,以往基于视觉外观的模型已不能满足实验和训练的需求,基于物理的高能爆炸宏观景象模拟开始成为国际上的研究热点和难点。本文在系统地研究与分析基于物理的流体模拟与绘制方法的基础上,对模拟方法的优缺点以及绘制方法的适用情况进行了分析。针对高能爆炸场景模拟的需求,对基于欧拉网格的蘑菇云与基于拉格朗日粒子的冲击波模拟方法进行了研究,完成了相关算法和模型的实现。本文的主要工作及取得的研究成果包括:1)提出了基于拉格朗日粒子的冲击波模拟方法,该方法通过构建冲击波拍击地面的外力模型,采用光滑粒子流体动力学方法模拟地面沙尘流动扩张景象。提出了一种八网格的空间搜索算法。通过对中心粒子所处网格的三维划分,对光滑粒子流体动力学方法中邻居粒子主要范围进行了约束,与相邻体元空间搜索方法相比,搜索效率提高了70.4%,与传统的八网格搜索算法相比,命中率提高了46.4%;2)提出了基于不同外力结构的高能爆炸模型。针对以往高能爆炸模拟的蘑菇云外形与实际景象有较大出入的情况,分析主要的外力构成,基于不同环境、不同当量构建了相应的外力结构。实验结果表明该模型具有良好的适应性,能够有效表现蘑菇云外形的结构特征;3)提出基于半拉格朗日法的高能爆炸宏观景象特效形成方法,采用涡流限制技术有效减少了半拉格朗日对流中形成的数值耗散,采用基于Catmull- Rom样条的立方体插值方法代替原有的线性插值方法提高了标量场的计算精度,减少了模型中尖锐的棱角,使模型表面更加自然和柔和;4)针对传统半拉格朗日法烟雾模拟中生成的锥形顶端问题,采用对流扩散方程求解温度值,并通过密度和温度值确定浮力方程克服了该问题,并使用普朗克辐射法则根据各点温度对模拟结果进行绘制,表现出了蘑菇云场景中基本的温度分布;5)综合上述算法,结合GPU并行计算技术,使用计算统一设备架构将网格空间进行线程块划分,在保证实时模拟的基础上,将传统CPU网格规模扩大8~10倍,有效提高了计算和绘制的精度。

全文目录

摘要  9-10
ABSTRACT  10-11
第一章绪论  11-21
  1.1 课题研究背景  11-15
    1.1.1 虚拟现实  11-12
    1.1.2 流体模拟原理  12-15
  1.2 国内外研究现状  15-19
  1.3 论文结构  19-20
  1.4 论文研究成果  20-21
第二章基于物理的流体模拟与绘制方法研究  21-31
  2.1 流体模拟方法  21-24
    2.1.1 拉格朗日法  21-22
    2.1.2 欧拉法  22-23
    2.1.3 格波尔兹曼方法  23-24
  2.2 三种模拟方法的比较  24-25
  2.3 绘制方法  25-29
    2.3.1 Marching Cubes  25-26
    2.3.2 Ray Tracing  26-28
    2.3.3 Ray Marching  28-29
  2.4 绘制方法适用情况分析  29
  2.5 本章小结  29-31
第三章冲击波场景生成与绘制方法  31-41
  3.1 冲击波模型的构建  31-33
  3.2 空间搜索算法  33-35
  3.3 物理量计算方法  35-39
    3.3.1 光滑粒子流体动力学方法  35-37
    3.3.2 活动粒子半隐式方法  37-39
  3.4 冲击波模拟结果  39-40
  3.5 本章小结  40-41
第四章基于粒子的蘑菇云生成与绘制方法  41-53
  4.1 随机湍流有限差分研究  41-44
    4.1.1 离散方法  42-43
    4.1.2 质量守恒  43-44
  4.2 半拉格朗日法研究  44-47
    4.2.1 算法前提  44-45
    4.2.2 实现步骤  45-47
  4.3 方法实现与GPU加速  47-49
    4.3.1 数据结构  48-49
    4.3.2 空间划分  49
  4.4 实验结果与分析  49-52
  4.5 本章小结  52-53
第五章基于网格的蘑菇云生成与绘制方法  53-69
  5.1 半拉格朗日法的改进  53-54
    5.1.1 涡流限制技术  53
    5.1.2 基于迭代的半拉格朗日法  53-54
  5.2 绘制过程  54-55
  5.3 基于温度的光谱映射  55-60
  5.4 外力构成与插值方法  60-64
    5.4.1 涡流限制力  60-61
    5.4.2 热浮力和重力  61-62
    5.4.3 立方体插值方法  62-64
  5.5 柏林噪声的生成  64-65
  5.6 实验结果与分析  65-68
  5.7 本章小结  68-69
第六章总结与展望  69-71
  6.1 工作总结  69-70
  6.2 未来展望  70-71
致谢  71-72
参考文献  72-75
作者在学期间取得的学术成果  75

基于物理过程的高能爆炸场景生成与绘制技术

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