用MC算法优化基于SPH的海浪粒子模型.pdf

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1、第36卷第2期2017年4月海洋技术学报JOURNALOFOCEANTECHNOLOGYV01．36．No．2Apr，2017doi：10．3969／j．issn．1003-2029．2017．02．007用MC算法优化基于SPH的海浪粒子模型刘文龙-．张静z(1．中国地震局第一监测中心，天津300180；2．山东科技大学测绘科学与工程学院，山东青岛266510)摘要：结合风浪场复杂的动力学、时空特性以及对目前海浪仿真方法的研究总结，针对海浪仿真模拟中存在的真实感不足，难以模拟海浪破碎等问题，根据流体的物理特性，采用光滑粒子流体动力学

2、(SPH)的方法实现了海浪的动态演变仿真。然后针对基于SPH方法的海浪粒子模型存在的离散性和真实感较差的问题，采用一种基于移动立方体法(Mc)的海浪运动的自由表面抽取算法，完成了海浪场的表面建模．优化了基于粒子系统的海浪模拟效果。实验表明，用MC算法优化的方法既满足了海浪动态演变的仿真要求．又使水体模型更加连贯，更接近真实水体效果，优化效果较为明显．是综合利用体绘制与面绘制法实现三维可视化模拟的一次成功的探索。关键词：海浪模拟；光滑粒子流体动力学：移动立方体法中图分类号：P731；TP391．9文献标志码：A文章编号：1003—202

3、9(2017)02—0041—05海浪仿真是近些年来计算机图形学领域研究的热点之一，它在虚拟现实应用、计算机游戏以及电影制作中起着重要的作用【11。另外，海浪的仿真模拟是构建海洋环境信息可视化平台的一个重要组成部分，平台的建立可显著提高我国海洋信息的可视化水平。海浪具有复杂的动力学、时空特性，对其三维模拟有着特殊的要求，这使得海浪建模及绘制成为海浪仿真模拟中的难点。海浪建模的本质是海浪的真实感绘制，它是海洋环境仿真的基础，在很大程度上决定了仿真效果的好坏[21。针对海浪复杂的特性，本文在基于粒子的拉格朗Et法(SPH方法)建立的海浪粒

4、子模型基础上采用移动立方体(MC算法)算法对海浪粒子表面建模，在海浪动态演变的连贯性方面做出改进，形成更为逼真的海浪动态演变效果。1基于SPH的海浪建模体动力学公式的近似数学解决方案的方法【3]，该方法的基本思想是将连续的流体(或固体)用相互作用的质点组来描述[4]，各个物质点上承载各种物理量，包括质量、速度等，通过求解质点组的动力学方程和跟踪每个质点的运动轨道，求得整个系统的力学行为。SPH方法是一种纯Lagrange方法，能避免Euler描述中欧拉网格与材料的界面问题，特别适合于求解高速碰撞等动态大变形问题[51。因此，SPH是一

5、种适合于三维流体的模拟方法。采用SPH方法进行海浪建模时必须首先将其粒子化。这些海浪粒子在仿真初始的时候给定，所有的粒子都使用统一的光滑核半径，而且都具有质量、密度、速度、加速度、位置等属性，这些属性在模拟仿真过程中会不断地发生变化。本文在．NET环境下利用0penGL设计并实现一个粒子系统。SPH海浪运动模拟主要包括以下3个方面分析建立海浪运动模型。(1)初始化粒子的属

6、!生，生成基本的海浪粒子SPH方法是一种由一组粒子代替流体获得流类；收稿日期：2016—05—19作者简介：刘文龙(1987一)男，硕士，主要研究方向为地理信息系统

7、。E—mail：liuwenlonl987@126．eom42海洋技术学报第36卷(2)分析海浪粒子受力情况，计算粒子速度、加速度等属性的变化，模拟海浪的运动状态；(3)计算粒子位置，判断是否会与周围环境障碍物发生碰撞；若发生了，重新计算粒子加速度、速度等变量，以确定粒子碰撞后的位置。图1为渲染效果图。图1SPH渲染效果2基于MC的粒子群表面建模由于SPH方法的局限性，从基于SPH方法的海浪粒子系统的模拟中可以看出海浪模型只是一堆离散的水粒子，流动水体的连贯性和真实感较差。针对此问题，提出了一种基于移动立方体法(MC算法)的海浪运动的

8、自由表面抽取算法，对海浪场的表面建模。MC算法是应用最广泛的等值面方法，其研究主要集中在算法的改进和算法在不同领域的应用上。MC算法在三维流体可视化中的应用己成为计算机图形学中一个重要研究热点[61。MC算法的不断完善和发展，使得提供直观、逼真而且能够包含原始信息中隐含的丰富的三维信息成为可能。在混合流和多相流的模拟中，不同流体间的界面绘制极其重要，利用Ma方法来进行绘制将成为一个广泛的应用方法。将计算流体力学的数值方法MC方法结合起来完成对流体三维可视化的模拟对分析结果的准确性和正确性有深远意义，并促进了应用领域的发展[71。密度是

9、海浪粒子的一个重要属性，通过比较密度值的大小可确定海浪与大气环境之间的交界面，即海浪的自由运动表面，这在海浪仿真模拟中起着重要的作用。本文采用MC算法从海浪密度场中提取海浪表面，主要包括下面几个方面的内容。2．1基于立体