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基于物理模型的音乐喷泉仿真

张从辉  
【摘要】:自然景物的模拟一直是视景仿真领域的一项重要研究内容。尤其是对动态自然景物如云、雾、烟、雪、水流、火花等的模拟,更具挑战性,这是由于传统的造型方法很难描述它们的形状和运动。总的来说,模拟自然景物的方法有两种:一种是采用基于物理的造型技术,另一种是采用粒子系统。 在对自然景物的模拟上,针对不同的情况,人们提出了许多成功的算法。但在人工可控的景观上,相应的工作却并不多见。本文以音乐喷泉为切入点,探讨基于物理模型的人工可控的自然景观的模拟。音乐喷泉即由音乐来控制喷泉水流的运动,其难点在于音乐与喷泉的同步。基于流体动力学和粒子系统,本文给出一个模拟音乐喷泉水流运动的方法。与以往通过求解流体动力学中复杂的Navier-Stokes方程来模拟水流的做法不同,本文通过求解该方程的一个特例和简单的粒子动力学方程,并结合音频数据来控制水滴从圆管中喷出的位置及初始速度,达到喷泉高度与音乐强度同步的效果。为取得实时参数调节与高度真实感之间的平衡,本文提出了一个混合式绘制框架:一方面采用OpenGL作为绘制引擎,以支持用户交互调节音乐喷泉的控制参数:另一方面,采用Blobby隐式曲面作为粒子结合光线跟踪方法,以实现音乐喷泉水流的高度真实感模拟。


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