PDF《基于物理的流体模拟动画综述》

基于物理的流体模拟动画综述 柳有权1),3) ,刘学慧 1) ,朱红斌 1),3) ,吴恩华 1),2) 1) 中国科学院软件研究所计算机科学实验室 北京

100080 2) 澳门大学科学技术学院电脑与资讯科学系 澳门 3) 中国科学院研究生院 北京

100080 lyq@ios.

ac.cn, [email protected], [email protected], [email protected] 摘要近来基于物理的流体模拟成为计算机动画领域中的一个研究热点,本文回顾了这个领域中基于物理的流体模 拟的发展情况,总结了该方向所采用的各类方法,并结合具体现象的特点分门别类详细展开,其中总体上可以分为欧 拉法和拉格朗日法,涉及的现象包括烟雾、火焰、爆炸、波浪、气泡、以及自由运动界面等. 最后展望了未来发展的 三个重点,即细节策略,加速策略和控制策略,以使整个模拟能够很好地满足人们对真实感、实时性以及灵活性的需 求. 关键词 计算机动画;

纳维-斯托克斯方程;

流体模拟 中图法分类号:TP391.41 Physically Based Fluid Simulation in ComputerAnimation Youquan Liu1),3) , Xuehui Liu1) , Hongbin Zhu1),3) , Enhua Wu1),2) 1) Laboratory of Computer Science, Institute of Software, ChineseAcademy of Sciences, Beijing, China,

100080 2) Department of Computer and Information Science, Faculty of Science and Technology, University of Macau, Macao,China 3) Graduate School of the ChineseAcademy of Sciences, China,

100080 Abstract This paper presents a survey on the development of physically based fluid simulation in computer animation, with a detail introduction to the classification of the topics as well as the methods employed in the field. The methods applied mainly include Eulerian method and Lagrangian method, for simulating the fluid phenomena such as smoke, fire, explosion, wave, bubble, free surface etc. Future work is also discussed, including details techniques, acceleration techniques and control techniques used to meet the demands for reality, real-time, flexibility. Keywords ComputerAnimation;

Navier-Stokes Equation;

Fluid Simulation

1 引言 在图形学领域, 人们一直试图利用计算机再现周围的真实世界, 然而现实世界虽然看上去简单, 却极其复杂. 对于一些自然现象,人们可以采用过程描述的方式来获得某种特定的效果,但是对于 有些现象人们无法找到一个简单的模型来描述它,这个时候只有去追溯该现象本身的物理根源,只 有借助其本身较为精确的物理描述才能真实再现其外在的视觉现象. 随着计算机硬件的不断发展, 计算能力不断增强, PC 机能够完成的算法复杂度不断上升, 使得基于物理的计算机动画的迅速发展 成为可能. 在市场方面,不管是电影特效,还是视频游戏,人们对于基于物理的计算机动画的需求 也很强烈. 这些因素使得基于物理的计算机动画成为目前一个研究热点,也成为一个当前和未来计 算机图形学发展的一个重点方向. 本文主要探讨基于物理的流体模拟计算机动画这个领域,其中涉及的现象包括烟雾[1] ,流体运 基金项目:本文受到国家重点基础研究发展规划项目(2002CB312102)和国家自然科学基金项目(60223005,60473105) ,以及ResearchGrantof Universityof Macau 的资助. 作者简介:柳有权,男,1976 年生,湖北人,博士研究生,研究方向为计算机图形学,计算机动画;

刘学慧,女,1968 年生,湖南人,博士, 副研究员,研究方向为计算机图形学;

朱红斌,男,1978 年生,湖北人,博士研究生,研究方向为计算机图形学,计算机动画;