基于sph的流体控制与触觉交互研究

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1、基于SPH的流体控制与触觉交互研究FluidcontrolandhapticinteractionbasedonSPH领域：计算机技术作者姓名：张枭勇指导教师：刘世光教授企业导师：张宏涛高工天津大学计算机科学与技术学院二零一五年十一月摘要基于物理的流体动画一直是计算机图形学领域的研究热点，其中，基于物理的流体控制与交互是流体动画制作的重要内容。该研究在游戏动画、数字娱乐、虚拟仿真等领域具有较强的应用价值。现有的SPH流体控制方法大多采用控制力的方法来控制SPH粒子。在控制力的人工粘性力的作用下，会丢失流体细节，而使用低通滤波方法等全局添加流体细节的方法

2、则容易破坏流体控制的结果。为解决这一问题，本文用随机生成的涡粒子制造湍流以丰富流体细节，并在制造湍流的同时保持形状细节，最后通过加入CUDA并行计算框架提升程序的运行效率。本文对网格模型提取外层带有曲率信息的采样粒子，再填充模型内部的无曲率的采样粒子，并把这些粒子作为控制粒子控制流体的流动。控制粒子使用弹簧约束的方法提升运动中的控制粒子的吸引能力，而曲率信息用来表示在该控制粒子附近的形状复杂程度，通过控制粒子的曲率值来控制流体表面湍流细节的产生以加强流体控制中的动态效果，同时仍能忠实于目标形状的形状细节。在虚拟现实教育和游戏中，常常需要在流体交互时进行

3、搅拌，如游戏中的炼金，炼药动作，如果使用力反馈设备进行搅拌的话，会给游戏体验者更高的真实感，提高游戏体验效果。本文研究了SPH流体触觉交互的关键技术，以弥补SPH混合流的真实交互反馈方面的研究相对不足的现状。本文使用力反馈交互设备Geomagictouch进行交互控制研究，该设备是六自由度力反馈设备。本文基于混合流模型对SPH多相流模拟进行改进，使模拟在保证真实的多相流混合效果的同时，尽量简化方法以提高效率，并使用统一粒子模型实现场景中各种粒子的模拟以处理固液耦合，通过滤波器将刚体粒子所受的合力以高频率传回力反馈设备以实现平滑的触觉体验，本文的方法最终

4、提供了一种虚拟现实环境中搅拌混合液体的交互体验。关键词：流体控制，粒子采样，湍流，CUDA，力反馈，混合流IABSTRACTPhysics-basedfluidanimationisahottopicincomputergraphicsdomain.Physics-basedfluidcontrolandinteractionareimportantpartsofthefluidanimation.Physics-basedfluidcontrolandinteractionhasresearchpotentialoncomputeranimation

5、,digitalentertainment,virtualreality,etc.SincemostoftheexistingSPHfluidcontrolmethodsemploythestrategyofcontrolforcetocontrolfluidparticles.Theartificialviscosityintroducedbycontrolforcewouldleadtothelossoffine-scaledetails.Althoughtheintroductionofthelow-passfiltercanadddetails

6、,itmayeasilydestroythetargetshape.Toremedytheaboveproblems,wegeneratevortexparticlesrandomlytointroduceturbulencedetailstorichfluiddetails,meanwhilemaintainingtheshapedetails.WerunSPHfluidsimulationonCUDAandgreatlyimprovetheefficiencyoffluidcontrol.Wesamplethecontrolparticleswit

7、hcurvatureinformation,andfilltheshapemodelbycontrolparticleswithoutcurvature.Controlparticles’springforcesconstraintcanimprovetheattractforceeffectofmovingcontrolparticles.Curvatureinformationofcontrolparticlescanrepresenttheshapecomplexity,controlparticles’curvaturecancontrolth

8、egenerationofturbulenceonthecontrolledfluid’ssu