混合流及其与固体耦合的触觉渲染技术研究

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1、混混混合合合流流流及及及其其其与与与固固固体体体耦耦耦合合合的的的触触触觉觉觉渲渲渲染染染技技技术术术研研研究究究ResearchonTechniquesofHapticRenderingforMixingFluidandItsCouplingwithSolid专业：计算机科学与技术作者姓名：马超指导教师：刘世光教授天津大学计算机科学与技术学院二零一七年十二月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得

2、天天天津津津大大大学学学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名:签字日期:年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天天天津津津大大大学学学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天天天津津津大大大学学学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名:导师签名:

3、签字日期:年月日签字日期:年月日摘摘摘要要要触觉渲染一直是计算机图形学领域中的研究热点，其中包含固体的触觉渲染、流体的触觉渲染等。目前关于混合流与固体耦合触觉渲染的研究工作还不多见。该研究在VR游戏、虚拟仿真等领域均有较高的应用价值。由于混合流模拟过程中存在流体之间的混合，传统的单相流与固体耦合的触觉渲染方法不能直接运用到混合流与固体的触觉交互中。目前，存在一些模拟混合流与固体耦合的触觉渲染方法，但是这些方法仍存在准确度不高、稳定性不强等问题。本文提出了一种新的触觉渲染方法，该渲染方法在稳定性和真实性上都有一定的提高。为了解决混合流与

4、固体耦合的触觉渲染过程中不稳定的现象，本文使用了一种新的粘滞力计算方法，从而解决了传统方法中由于附近粒子稀少而导致触觉力不稳定的问题。其次，实际生活中影响触觉力的因素有很多，而且传统方法仅仅考虑到压力和粘滞力的计算。本文在触觉力计算时考虑浮力和摩擦力的影响，有效地提高了触觉渲染的真实性。影响触觉渲染另一个因素是效率。传统方法可以较好地实现单相流的触觉交互模拟，然而不同程度的存在效率较低的问题。而当前模拟混合流与固体耦合的触觉渲染方法效率低的问题更为突出。为此，本文提出了一种高效的混合流与固体的触觉交互模拟方法。其中，使用FEM(Fin

5、iteElementMethod)方法对固体建模，使用SPH(SmoothedParticleHydrodynamics)方法对混合流建模。通过FEM-SPH模型计算触觉力及GPU并行加速，在一定程度上提高了混合流与固体耦合触觉渲染的效率，提升了用户体验。关键词：混合流，触觉渲染，触觉力，SPHIABSTRACTHapticinteraction,includinghapticrenderingofsolid,hapticrenderingbetweensolidandfluid,hasalwaysbeenahottopicinthec

6、omputergraphicsoverdecades.However,existingstudylackmethodsforthehapticinteractionbetweenthemixingfluidandsolids.HapticinteractionbetweenmixingfluidandsolidhashighvalueinVRgames,virtualsimulationandotherfields.Atpresent,thereareafewmethodstosimulatethehapticinteractionbetw

7、eenmix-ingfluidandsolid,butthosemethodsstillhavesomeproblems,suchaslowaccuracyandlowstability.Especiallyintheprocessoffluidmixing,thoseproblemsaremoreprominent.Ourpaperpresentsanewhapticrenderingmethodbetweenmixingfluidandsolid.Ourmethodhasacertainincreaseinthestabilityand

8、authenticity.Inordertosolvetheunstablephenomena,ourpaperusesanewmethodtocalculatethehapticforcesoastosolvetheu