雨水积聚及侵蚀效果的实时绘制方法研究与实现

admin · 发表于 2022-9-23 13:45:26

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自然现象的实时逼真模拟是当前虚拟现实技术应用领域的研究热点之一，自然现象的种类和特性表现极为丰富，本文主要针对降雨这一自然现象，围绕降雨过程的视觉仿真、雨水积聚及其对地面侵蚀过程中的流体特性表现等内容展开研究，以期在消费级计算机上能够实时地对雨天条件下的虚拟环境进行高沉浸感的视觉仿真。本文以虚拟现实技术与系统国家重点实验室“实时三维图形平台BH_GRAPH”为背景开展研究工作，主要研究了以下几个方面的内容：1. 研究并实现了一种基于GPU粒子系统的降雨实时模拟方法。首先分析降雨的特点及规律，在此基础上建立了雨滴运动模型。然后设计并实现了一种基于图形硬件处理单元(GPU)的粒子系统，使粒子的状态更新完全在GPU上并行完成，在虚拟场景中实现了降雨过程的实时逼真模拟，提高了运算效率。2. 研究并实现了基于光滑粒子流体动力学（SPH）的雨水积聚效果模拟。首先以流体力学中的拉格朗日方法为基础，将以偏微分方程形式给出的连续流体的守恒方程转换成积分方程，并通过粒子形式的无网格离散方法将连续的控制方程转换成了离散形式的控制方程。然后，使用合适的光滑核函数和邻接粒子快速搜索方法，实现了对流体动力学方程的实时求解，满足了基于物理的雨水积聚效果的实时逼真模拟需要。3. 研究并实现了水流对地面侵蚀过程的模拟。针对水流对土壤的侵蚀过程，采用流体粒子的容积率来表示水中悬浮物的含量，而并非使用真正的悬浮颗粒，提高了计算效率。同时悬浮物在水流中运动时还要受重力作用以及因浓度差异而引起的扩散等因素的影响，因此，提出了供体－受体策略来模拟悬浮物在水流粒子间的转移，并依托虚拟的边界粒子来进行水流与地面物质交换的计算，实现了水流对地面侵蚀效果的实时逼真模拟。上述工作将封装成一个可重用的功能组件，集成到实时三维图形平台BH_GRAPH中，以增加BH_GRAPH对降雨效果模拟的真实感。

雨水积聚及侵蚀效果的实时绘制方法研究与实现

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