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基于物理的飞行模拟流体动画仿真技术及其策略加速研究

佟志忠  
【摘要】: 飞行模拟器作为地面再现飞机空中飞行行为,实现虚拟训练的有效设备,其关键技术研究引起了学者们的广泛关注。视景仿真系统作为重要组成部分,所营造的虚拟环境为飞行员提供了70%的感觉信息。烟雾、流体、云等特效作为视景仿真不可或缺的主要元素,直接影响虚拟环境的真实感和飞行模拟的训练任务覆盖率。发掘现象内在的物理本质,是准确建立计算模型、真实再现物理现象的前提,对于这类流体动画仿真必须采用基于物理的计算机动画技术。 标准的Stable Fluids流体仿真技术和CFD领域移植的SMAC/MAC方法是目前应用较多的方案,然而这些技术或存在一定的数值耗散、或边界处理过于简化、或研究仅限于2D仿真,更为重要的是研究仅限于计算机图形学领域。故而对其进行改进和拓展,将SMAC方法推广到3D流体流动仿真。移植了CFD领域兼顾分析对象物理特性的处理边界方法,问题处理更为合理,捕捉了以前算法尚未复现的物理细节,相对真实地再现了自然流动现象,为计算机图形学领域的流体仿真技术向工程领域的渗透进行了探讨性研究。 可编程图形处理器(GPU)能够将通用计算从CPU向GPU转移,从而获取极佳的并行加速计算性能,因此提出基于GPU的进行流体动画仿真。采用预处理过程进行节点类型分类和辅助计算纹理生成,通过对算法有效的数据组织和并行处理,实现了实时仿真和绘制的加速,为飞行模拟的云实时交互仿真奠定了基础。 在传统的交互式飞行仿真中,云的类型较多、复杂随机、动力学和光照处理较为困难,这些因素直接影响飞行仿真的逼真性,因此云的特效模拟是飞行模拟器视景仿真急需解决的问题。本文提出基于粒子系统和Texture Sprites生成方法从而实现覆盖云谱、表征虚拟环境的、实现交互建模的有效方法,其能够满足艺术驱动(Artist-driven)的开发要求。对云物理光照的辐射传输模型进行了改进,提出采用粒子尺度相关的加权相函数模型,并建立了大气密度变化影响的模型,可实现具有明暗层次、颜色真实的体云绘制效果,相比较前人工作更为合理并且提高了物理精度。为达到实时绘制,采用了动态生成Impostor技术,并对基于GPU加速的动态粒子云仿真进行了探索性研究。将本文提出的云仿真及绘制技术集成到飞行模拟视景系统之中,虚拟环境的真实感、沉浸感得到了增强,为飞行模拟的实时云仿真及绘制提供了解决方案。此外,对基于云动力学和物理光照的云仿真进行了探讨,虽然在大面积覆盖率、覆盖云谱的仿真上存在困难,但其对飞行模拟、气象学等领域是很有意义的尝试。


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