毕业设计开题报告—张利卫

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1、燕山大学本科毕业设计（论文）开题报告课题名称：烟雾的真实感建模与实时绘制学院（系）：信息科学与工程年级专业：计算机应用3班学生姓名：张利卫指导教师：宫继兵完成日期：2013年3月27日一、课题意义科学意义：真实感图形一直是计算机图形学中最具有挑战性的研究方向之一，尤其是对不规则物体的模拟，如烟雾、云、火焰、雨雪等自然现象。而作为自然景物中最为常见的烟雾，它们的建模、渲染及广泛的应用前景更是吸引了众多图形学研究者的关注。和传统规则物体对比来看，它们的建模更具挑战性，主要原因在于：（1）几何外形的不规则性。自然界最为常见的现象——烟雾，由于

2、是气体，并由大量的微尘颗粒组成，造就了其没有明显的表面与边界，这就使得对其的描述不能使用经典的欧几里德几何学，且如果直接用直线、多次曲线和常用的样条曲线及曲面等对其进行建模，也会带来相当大的失真和巨大的时间和空间复杂度。（2）运动特征的不规则性。由于烟雾是由大量的微尘颗粒组成，颗粒之间的碰撞、吸引和它们的运动速度都对整个烟雾的运动产生影响，很难用一个数学模型对其描述。如果建立的控制运动方程过于精确，会使计算量庞大，影响模拟的实时性；如果方程过于简单，又会导致烟雾的细节丢失，影响烟雾的真实性效果。（3）与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，它与周围的环境及其他的自然景物是时刻相互作用的，如烟雾扩散时会受到风力的作用，遇到障碍物时会与障碍物交互产生漩涡等。因此模拟烟雾时必须考虑周围环境的影响，才能生成逼真的烟雾效果。现实意义：应用计算机模拟火灾烟雾，可以帮助研究者掌握不同火灾现场烟雾流动的特殊性，对指导火灾扑救工作有着极其重要的现实意义；在虚拟战场的模拟中加入烟雾效果可以使模拟效果更加贴近实际作战情形，帮助军事人员迅速提高作战能力。此外，烟雾模拟在电影特效、三维动画和广告制作等领域中都有着相当广泛的应用。二、课题国内外研究动态不规则物体的模拟，早在20世

4、纪80年代起，就已然有了人们对其的研究。烟雾的模拟也开始展开。随着对前人经验的吸取与新方法的不断探索，以及流体力学领域对流体物理特性的研究算法日益成熟，目前计算机不规则物体模拟的方法大体分为两种类型：基于粒子系统的模拟方法、基于数学物理模型的模拟方法。下面我们分别探讨这两种方法的研究与应用。（1）基于粒子系统的模拟方法最早应用粒子系统模拟烟雾的算法可以追溯到1983年W.TReeves提出粒子系统作为模糊物体的建模方法。它的基本思想是将烟雾看作是由粒子形成的粒子微团，定义粒子的属性(粒子的速度、形状、生命周期等)，粒子随时间的推移而不断

5、运动，并不断改变运动状态，从而模拟出无规则的物体及其运动变化。此方法在计算机图形学中拥有非常广泛的应用，并且人们也在不断的完善它拓展它。1992年，Loke改进粒子系统算法，用粒子衍生的方法控制粒子运动轨迹，绘制出多种焰火效果；Richard和David提出变形物体表面建模方法，模拟了可变形物体表层的断裂、伸展等效果。1999年谢剑斌等运用粒子系统的一般原理，分析了雨点和雪花的静态和动态的属性特点，提出了基于粒子系统的雨点和雪花降落的实时模拟生成算法，并根据一定的原则对算法进行了一定的简化。从而实现了粒子系统在雨点和雪花模拟上的应用。1

6、999年J．X．Chen等从计算流体动力学(CFD)的角度对灰尘的运动行为进行的三个阶段的细致分析；并且运用粒子系统的方法和图形学的其他相关技术加以实现；生成了较好的车轮灰尘效果。2000年N．Adabala等阿3在粒子系统方法中引入涡流元素方法(VEM)作为模拟的动力学基础，在气体体积里面估计粒子的密度；运用蒙地卡罗光线追踪来估计粒子的光辉，最后贴上粒子图，模拟气体的运动变化过程。2005年Selle等人提出了漩涡粒子方法来模拟烟雾、水和爆炸等现象。2006年，MorganMcGuire等提出用粒子系统表述烟雾、用简单的运动方程控制烟

7、雾运动，结合阴影技术实时的生成了生动的烟雾动画序列。2007年，李维松、周晓光等人提出一种基于粒子系统理论和离散浓度场相结合来模拟烟雾的算法。2010年，WenChanjuan对平滑粒子方法进行改进，直接在GPU上生成基于哈希的均匀网格以加快相邻粒子的查找速度，并通过在定点着色器中将纹理样本化，实现了粒子位置缓存直接随粒子定点缓存的内容而更新，避免了在CPU和GPU间重复传递数据，十分有效利用了GPU的并行计算能力，显著提高了模拟速度。2010年，唐勇提出基于粒子数生成函数的烟雾模拟，应用层次细节技术使模拟中生成的粒子数量更为合理，在获

8、得良好视觉效果的同时提高了模拟实时性。将改进的物理模型和粒子系统相结合，有效提高了烟雾模拟的真实感。（2）基于数学物理模型的模拟方法随着流体运动学领域中对烟雾的物理特性研究日益成熟，人们越来越多采用基于物理