大规模真实感固流交互实时绘制方法

针对大规模水面固流交互模拟过程中物体运动和水波扩散不真实且实时性差的问题,提出一种大规模水环境实时交互绘制方法.首先采用分区模拟的方法取代传统的整体高度细节方法,实时模拟大型水域环境,降低计算复杂度;然后在物体运动过程中引入波浪力,结合自定义风力因子实现物体随波逐流的运动效果;在交互波生成过程中,引入正态分布函数对物体三角形面片进行计算,以增强水面波生成的真实感;最后采用结合流体黏度和表面污染形成的衰减公式来改进波动方程,使水波扩散效果更加平滑稳定.实验结果表明,在保证实时性的基础上,该方法能更真实地模拟物体在水面上的运动,同时有效地表现交互过程中水波的生成与扩散过程.     

基于LBM的自由表面流体真实感绘制

针对自由表面流体的模拟,提出一种基于Lattice Boltzmann(LBM)的高效建模和绘制的方法.首先基于浅水方程的LBM模型进行流体建模及表面高度场计算,并提出一种基于Marching Cubes和自由表面算法结合的方法来抽取流体的表面,随后采用考虑移动障碍物的外力叠加机制和自适应加密算法来进行流体交互及表面的网格重构.最后采用硬件加速技术实现了不同自由表面流体的绘制,如溪流、水池浅水流、洪水水淹等真实感效果.     

基于物理过程的山地原油泄漏模拟方法

山地输油管道泄漏事故发生后,模拟计算污染扩散范围对应急抢险方案的制定具有重要意义.针对现有的山区原油泄漏模拟方法无法呈现符合物理过程的泄漏油品扩散效果以及模拟速度过慢的问题,提出基于物理过程的山地原油泄漏模拟方法.首先基于空间语义约束构建一种融合Fay流体扩散算法和光滑粒子流体动力学(SPH)的计算模型Fay-SPH;然后设计一个基于Fay约束的连续卷积网络FayNet来加速模拟,通过轻量级注意力模块和三重注意力模块增强网络提取粒子特征信息能力;最后融合位置损失和速度损失来保证模拟结果细节的一致性.在自行采集的油气管线所处山区数据上,基于不同地貌和不同地形进行实验的结果表明,所提方法实现了原油泄漏的高效模拟.     

基于CUDA平台的海洋表面模拟

针对目前许多基于物理的流体模拟方法的缺点,如计算数据量大,实时性差等,提出了一种新的基于统一计算设备架构平台的实时海洋表面模拟方法。采取快速傅立叶变换与统计模型的方法获取海洋表面的高度场数据,充分利用CUDA编程模型的并行性加速建模过程,海洋表面真实感光照渲染主要通过对周围景物的反射投影与折射效果及近似菲涅尔系数进行模拟。实验结果表明,采用CUDA加速的模拟过程明显提高了效率,适合虚拟现实与游戏中的实时模拟。     

可互溶液体的真实感模拟

液体互溶混合现象在日常生活中非常常见,但是由于不同液体之间的交互扩散过程非常复杂,对于这类现象的真实感模拟非常困难.为此,提出一种基于体积函数的方法来模拟液体之间的互溶扩散现象.该方法中,流体方程采用二阶精度的有限体积法求解,通过在每个计算网格单元中跟踪记录每种液体组分在网格单元内所占的体积比例,来模拟不同液体之间的交互扩散过程;并利用基于八叉树的自适应网格细分算法对计算过程进行加速.实验结果表明,与已有方法相比,文中方法更加稳定,更容易获得细节丰富的液体交互模拟结果.     

基于CUDA的弱可压SPH流体建模与仿真

为了实现小尺度范围流体场景的实时、真实感模拟,采用弱可压SPH方法对水体进行建模,提出了流体计算的CPU GPU混合架构计算方法。针对邻域粒子查找算法影响流体计算效率的问题,采用三维空间网格对整个模拟区域进行均匀网格划分,利用并行前缀求和和并行计数排序实现邻域粒子的查找。最后,采用基于CUDA并行加速的Marching Cubes算法实现流体表面提取,利用环境贴图表现流体的反射和折射效果,实现流体表面着色。实验结果表明,所提出的流体建模和模拟算法能实现小尺度范围流体的实时计算和渲染,绘制出水的波动、翻卷和木块在水中晃动的动态效果,当粒子数达到1 048 576个时,GPU并行计算方法相较CPU方法的加速比为60.7。     

一种简易的织物表面外观模拟方法

在织物CAD系统中加入织物表面外观模拟功能,将极大地提高系统的性能,也是如今数码纺织时代对织物设计的新要求.本文先简要地介绍织物外观模拟系统的基本原理与总体结构,指出纱线外观和织物表面纱线交织结构是织物模拟中的两个重要因素.随后提出一个"三亮度色纱模型",用于表示纱线在织物中的形态,该模型简单,且易于实现,得到的效果良好.在这个模型基础上,叠加由Perlin噪声函数产生的毛羽纹理,生成带有毛羽的纱线外观.最后给出几个织物外观模拟的实例,并对本文进行了总结.     

基于SPH的三维流体模拟

流体模拟是计算机图形学和虚拟现实技术的一个研究热点和难点,针对目前的流体模拟真实感不够强,不能描述流体表面破碎的缺陷,根据流体的物理模型,采用基于光滑粒子动力学（SPH）的方法实现了三维流体的模拟。算法的核心思想就是将流体视为一系列“粒子”的集合,粒子的物理量及其空间导数是通过搜索光滑半径内与其相互作用的粒子的物理量进行插值得到。此举可以简化拉氏流体力学偏微分方程组求解过程。与传统的流体模拟方法相比,采用SPH算法所得到的模拟结果不仅可以比较真实地模拟流体流动的效果,而且还能实现流体表面的剧烈变形,甚至表面破碎（如浪花飞溅效果）。试验结果表明采用的算法在流体自由表面描述的逼真度上具有十分明显的优势。     

交互式水滴效果模拟

为了有效地模拟小水团受重力和人为外力的影响而散开为动态水滴的现象,提出一种水滴效果的交互式模拟方法.首先采用精确SPH模型模拟小比例的水滴现象,通过精确地计算压强力及人工速度场校正来保证流体方程求解的精确性、稳定性及收敛性;然后根据流体密度场提出一种基于平均曲率的表面张力模型,能够有效地模拟水滴的表面张力现象;最后基于新一代着色器模型提出一种适用于水滴渲染的光线追踪方法,包括简化的流体密度分布、基于二分法的流体等值表面判断和基于菲涅尔定律的光学特性计算,克服了传统流体渲染独立于摄像机、计算量大等缺点.实验结果表明,文中方法是有效及高效的,可以同时适用于水体现象及小比例水滴现象的模拟.     

面向SPH流体的高效各向异性表面重构算法

为了在流体模拟中构造更加平整光滑的表面以及提升重构的效率,本文面向基于粒子的流体模拟,提出一种高效的表面重构方法.首先对传统各向异性核函数的构造进行简化;然后根据对粒子特征向量的分析对粒子进行分类,即分为近表面粒子和内部粒子;最后在表面重构计算时将近表面粒子参与计算,而内部粒子则根据邻居粒子数量直接对颜色场进行赋值.实验结果表明,本文方法保证了重构流体表面的平滑性和几何特征;相对于已有方法,该方法简单易实现,且较大地提升了运算效率.     

基于卷积神经网络的蜡染染色模拟

蜡染是中国少数民族的传统技艺,广泛流行于中国西南地区。蜡染模拟是针对布 料染色进行模拟,主要有裂纹模拟和布料染色模拟 2 个关键工作。此前的蜡染染色模拟方法只 能进行单色染色,且对晕染模拟效果不明显。因此,提出一种基于卷积神经网络的蜡染多色染 色方法。首先,使用基于距离变换的方法生成裂纹,并对裂纹的形状进行修正;然后,使用图 像标注软件 Labelme 对图像特定区域进行手动分割,以方便之后对其进行染色;最后,使用 PhotoWCT 算法对图像的特定区域进行染色,并利用内容图中的像素相似性来平滑染色后的结 果,使结果更接近真实的蜡染图像。实验结果表明,该方法能针对图像进行多色染色模拟,且 在晕染效果方面较之此前的方法有明显提升,更接近于真实蜡染图像。     

基于网格模型的面料二维虚拟场景模拟

提出并实现了一种在二维场景中模拟显示面料真实感效果的方法 .为实现面料在特定场景中的效果模拟 ,主要需解决的是场景中面料伪曲面网格模型的建立 ,以及从面料图案到伪曲面的纹理映射 .面料伪曲面网格模型 ,是通过在二维场景中建立曲边四边形 ,然后使用双线性插值方法对它进行网格划分来建立的 ;而在进行面料纹理映射时 ,是采用基于三角形网格的映射方法 ,同时还要考虑面料表面的明暗变化效果 .运用这种方法建立的面料场景效果模拟系统 ,可以使面料设计者能够迅速地检查设计效果 ,用户能够方便地按照自己喜好来选购面料 ,具有良好的实用性能     

束状染色过程中染液组分自动在线检测系统的研制

在牛仔布的束状纤维染色过程中,染液组分有靛蓝隐色体、保险粉、烧碱等。染液各组分的浓度对染色效果有很大的影响,实现染液浓度的在线检测是提高染色工艺水平的重要手段。根据电位滴定原理,设计出基于可编程控制器（PLC）和工控机的染液组分自动在线检测系统,实时检测出各组分的浓度和染液的pH值。通过PLC编程和组态王6.52开发平台制作控制画面以实现人机交互,进行在线检测。该检测方法切实可行,提高了染液组分的测量精度。     

虚拟肝脏手术中的美兰注射实现技术研究

肝脏肿瘤切割手术中美兰注射过程是准确找到肿瘤所在位置的关键步骤之一。真实地模拟出美兰注射过程对虚拟肝脏肿瘤切割手术而言至关重要。针对虚拟手术中真实感的需求,提出了一种结合纹理映射技术的美兰注射模拟算法。运用扩散方程模拟了美兰在纹理表面的扩散过程,并结合保角映射算法将变化的纹理映射到虚拟手术中的三维网格表面。扩散方程能够真实地模拟出液体在物体表面扩散的过程,保角的纹理映射算法能够得到三维网格点的纹理坐标。实验结果表明,美兰注射过程的模拟算法能够模拟出虚拟肝脏肿瘤切割手术过程中的肿瘤标定,满足虚拟手术中的真实感需求。     

FFT和Hough变换在织物纹理方向检测上的应用

针对人工测量织物纹理方向的方法存在自动化程度低、精度不高的缺点,提出基于快速傅里叶变换和Hough变换的自动检测和识别织物经向、纬向、斜纹斜向的方法。对织物图像进行二值化处理,对二值化后的织物图像进行快速傅里叶变换得到功率谱图,对功率谱图的二值图像进行Hough变换,从而检测出织物纹理方向。通过对同一试样的不同放置方式进行测试,证明该方法对织物放置方式无特殊要求,仅需确保试样平摊在光滑台面上不受任何张力;将该方法与人工测试结果作对比,证明该方法具有高精度、高自动化的优点。     

The Torus Treadmill: realizing locomotion in VEs

Locomotion in virtual environments (VEs) remains one of the major problems in current virtual reality research. The most intuitive way to move about the real world is to travel on foot. People often feel a better sense of distance or direction while walking than while riding in a vehicle. This article discusses the development of a locomotion device that provides a sense of walking. In terms of natural interaction, the physical exertion of walking proves essential to locomotion. The research of my colleagues and I aims to give users a sense of walking while their position remains localized in the physical world. We've developed several prototypes of interface devices for walking. From the results of our research, we concluded that an infinite surface would offer an ideal means for giving people a sense of walking. Our device, called the Torus Treadmill, uses a torus-shaped surface to realize the locomotion interface. The surface employs 12 sets of treadmills connected side-by-side and driven in a perpendicular direction. These treadmills generate an infinite surface. We measured the motion of the users' feet with magnetic sensors. The floor moves in the opposite direction of the walker, canceling the motion of each step. The walker's position remains localized in the real world by this computer-controlled motion of the floor. The walker can freely change direction. An image of the virtual space appears in a head-mounted display corresponding to the walker's virtual position     

基于粒子系统烟雾的模拟

传统基于粒子系统烟雾的模拟无法模拟烟雾的扩散行为,而且需要大量粒子,因此满足不了虚拟战场逼真度和实时性的需要.提出一种基于粒子系统理论和离散浓度场相结合来模拟烟雾的算法.在粒子的属性中加人浓度属性,利用三维扩散方程的有限差分建立浓度场,浓度场的变化由浓度场内空间粒子的位置和扩散方程决定,通过浓度场的变化使粒子分裂来模拟烟雾的扩散,通过粒子的运动反映风场的作用.与传统的粒子系统相比,增加了对烟雾扩散的描述,大大降低粒子的数量,该算法保证了生成烟雾的逼真效果,满足了虚拟战场实时性需要.     

真实感水力侵蚀地形建模与绘制

水力侵蚀地表是现实生活及虚拟场景中常见的一种自然现象。为研究水力对地表 的侵蚀现象,提出一种采用光滑粒子流体动力学(SPH)模拟流体对地形表面的湿润以及侵蚀过程 的真实感仿真模型。通过对自然界中真实溅蚀现象进行合理简化描述,建立一种包含 3 个阶段 的地形水力溅蚀模型：首先,利用弹丸冲击平板靶材变形模型模拟水流冲击地表变形效果;其 次,构建基于达西定律的水流渗透量计算方法以确保地表吸水与水分扩散的真实性;最后,提 出将地表湿润度因素对地表侵蚀的影响考虑在内的新型计算模型,实现与冲蚀相融合模拟积水 继续运动对地表冲蚀作用。实验结果表明,该模型能够真实地模拟出不同方向的水流对地表的 侵蚀效果以及侵蚀过程中地表吸水与湿润扩散现象。     

面料平整度等级虚拟测评系统

面料的平整度等级是评定面料抗皱性能的一个重要指标.现有的评定方法主要采用标样对照法,或利用计算机图像处理技术和激光扫描技术对面料表面形态进行数字化研究.文中将虚拟仪器技术引入到面料表面三维坐标信息的采集中,结合虚拟仪器开发平台LabVIEW和网络技术的优势,创建了基于远程虚拟仪器的面料平整度等级虚拟测评系统,实现了面料数据的远程测试、网络传输和分析处理,客观评定了面料的平整度等级.实验证明,测评系统运行可靠,准确率较高.     

Perceiving affordances in virtual reality: influence of person and environmental properties in perception of standing on virtual grounds

We evaluated the perception of affordances in virtual environments (VE). In our work, we considered the affordances for standing on a virtual slanted surface. Participants were asked to judge whether a virtual slanted surface supported upright stance. The objective was to evaluate whether this perception was possible in virtual reality (VR) and comparable to previous works conducted in real environments. We found that the perception of affordances for standing on a slanted surface in virtual reality is possible and comparable (with an underestimation) to previous studies conducted in real environments. We also found that participants were able to extract and to use virtual information about friction in order to judge whether a slanted surface supported an upright stance. Finally, results revealed that the person’s position on the slanted surface is involved in the perception of affordances for standing on virtual grounds. Taken together, our results show quantitatively that the perception of affordances can be effective in virtual environments and influenced by both environmental and person properties. Such a perceptual evaluation of affordances in VR could guide VE designers to improve their designs and to better understand the effect of these designs on VE users.