微可压缩SPH流体的稳定性固体边界处理算法

固流耦合,即流体的固体边界处理一直是基于物理的流体模拟技术的研究重点.为解决SPH流体模拟中固流耦合存在的交界面处流体粒子衰减和穿透问题,提出一种固体采样边界粒子与动量守恒保持的位置-速度修正方案相结合的固流耦合方法.首先在预处理阶段对快速格子形状匹配(fast lattice shape matching,FLSM)模型表示的固体边界进行表面和内部边界粒子采样;然后在运行过程中计算流体粒子密度和受力时考虑边界固体粒子的相对贡献;最后利用动量守恒保持的位置-速度修正方案对流体粒子进行位置和速度的修正.为了提高计算速度以满足交互式应用需求,把每个迭代步长内的计算完全并行化后加载到GPU上进行加速处理.实验结果表明,该算法实现了微可压缩SPH流体与刚体以及弹性体的双向耦合,并可以高效、稳定地模拟固流耦合中的非穿透、液滴飞溅、溶解等复杂现象.     

流体运动估计光流算法研究综述

对流体图像序列进行运动分析一直是流体力学、医学和计算机视觉等领域的重要研究课题。从图像对中提取的密集精确的速度矢量场能够为许多领域提供有价值的信息,基于光流法的流体运动估计技术因其独特的优势成为一个有前途的方向。光流法可以获得具有较高分辨率的密集速度矢量场,在小尺度精细结构的测量上有所改进,弥补了基于相关分析法的粒子图像测速技术的不足。此外,光流方法还可以方便的引入各种物理约束,获得较为符合流体运动特性的运动估计结果。为了全面反映基于光流法的流体运动估计算法的研究进展,本文在广泛调研相关文献的基础上,对国内外具有代表性的论文进行了系统阐述。首先介绍了光流法的基本原理,然后将现有算法按照要解决的突出问题进行分类：结合流体力学知识的能量最小化函数,提高对光照变化的鲁棒性,大位移估计和消除异常值。对每类方法,从问题解决过程的角度予以介绍,分析了各类突出问题中现有算法的特点和局限性。最后,总结分析了流体运动估计技术当前面临的问题和挑战,并对未来基于光流法的运动估计算法的研究方向和研究重点进行了展望。     

大规模流体场景的真实感与实时模拟

目的 基于物理的流体动画模拟是计算机图形学领域中的研究热点,针对实际应用中仍难以实现大规模流体场景的真实感与实时模拟,提出了基于shallow water方程的物理模拟方法。方法 首先,给出shallow water方程的稳定欧拉数值求解方法,解决模拟过程中存在的毛刺、陡坡水滴斑点等数值求解的不稳定性问题;其次,提出刚体和粒子系统与流体高度场的稳定耦合模型,实现双向固流耦合和流体表面细节的真实感模拟;最后,设计高度场的多精度网格算法以及粒子的隔点采样方法,加速大规模流体的物理模拟计算。结果 实验结果表明,本文方法解决了传统欧拉方法求解shallow water方程的流体模拟过程中存在的不稳定和计算复杂等问题,在300×300网格分辨率和2.2×10⁴粒子数的规模下,达到了20帧/s的实时模拟速度。结论 本文算法具有良好的高效性和稳定性,适用于电子游戏和视景仿真等实时应用领域中的大规模流体场景的真实感模拟。     

表意性方法在三维流线可视化中的 应用综述

流线可视化是流场可视化的重要方法,其能直观地表达流场的结构和流动趋势。但在三维流场使 用流线可视化时,不恰当地绘制方法、选择方法、呈现方式会导致可视化结果表达能力差,用户很难从中高效获 取流动信息。重点对解决该类问题的表意性可视化方法进行了调研,为了全面反映表意性方法在三维流线可视化 中的研究进展,对近十几年国内外具有代表性的论文进行了系统地阐述。首先介绍了表意性可视化方法的相关概 念,然后将视觉感知增强类、可见性管理类和焦点+上下文等表意性方法在三维流线可视化中的应用进行分类阐 述,并讨论了各种方法的优缺点。最后总结分析了表意性方法在三维流线可视化中面临的问题和挑战,并对未来 的研究方向进行了展望。     

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。     

真实感固流交互动画的统一物质点法模拟

固流交互模拟是基于物理的流体模拟技术的重要研究内容,其中如何解决非穿透 和滑移接触是难点。为此,提出一种真实感固流交互动画的统一物质点法模拟方法。首先,给 出一种基于物质点法的快速微可压缩流体模拟方法,并在统一背景欧拉网格上对固体和流体动 量方程进行求解;其次,检测固流接触区域并在其上构建局部多重背景网格,给出一种动量守 恒保持的速度修正方法对固体和流体各自网格结点进行速度修正,从而实现固流交互的非穿透 和滑移接触效果模拟。实验结果表明,该方法可以模拟稳定、真实的固流交互动画,适用于计 算机图形学和虚拟现实领域中的真实感模拟应用。     

SPH固流交互中的实时固体破碎动画模拟

目的 针对固流交互中的固体破碎现象模拟研究较少、物理模型复杂、多求解器耦合性差、真实感与实时性难以兼顾等问题,提出一种适用于光滑粒子流体动力学（smoothed particle hydrodynamics,SPH）固流交互统一粒子框架的实时固体破碎模拟方法。方法 首先,结合断裂力学理论与统一粒子框架下固体边界粒子的空间和物理特性,构建基于物理的能量分析模型。然后,通过实时分析固体与流体之间的能量转化和自身能量平衡,将满足条件的粒子作为破碎发生的启发点。最后,采用基于几何的碎块生成方法,将启发点集作为种子点构建Voronoi图,完成碎块的生成。为确保模拟系统实时性,将模拟系统进行并行优化并加载至图形处理器（graphics processing unit,GPU）并行执行。结果 通过在不同复杂度和粒子规模的实验场景中进行模拟得到的结果表明,本文方法能够稳定地模拟固体受到流体冲击后发生的破碎现象,破碎细节真实感良好,在百万级粒子规模下能够满足实时性要求,可大规模并行执行且GPU加速效果显著,加速收益随场景规模增大而增大。结论 与现有研究相比,本文方法充分结合物理与几何方法的优点,与SPH统一粒子框架具有更高的耦合性,能够稳定地模拟固流交互中的固体破碎现象,细节符合现实世界物理规律,真实感渲染效果良好,可应用于洪涝、海啸、溃坝和泥石流等自然灾害的交互式预演、电子游戏特效等领域。     

一种拉格朗日粒子流体的高效表面重建方法

为了在几何表示层面捕获拉格朗日粒子流体的表面细节特征以进行真实感绘制,提 出一种高效的基于八叉树的自适应流体表面重建方法。首先进行流体表面粒子的精确检测;然后 根据结点中是否包含流体表面粒子,对流体粒子的包围盒进行基于八叉树的自适应剖分;最后只 在包含流体表面粒子的叶子结点里建立隐式距离场。该方法在流体表面重建过程中的内存消耗和 计算复杂度只取决于流体表面而不是流体体积,适合大规模粒子流体场景的表面提取和绘制。     

改进的非极大值抑制算法的目标检测

目的 作为目标检测的后置处理算法,非极大值抑制（NMS）算法被用于移除多余的检测框。然而,NMS算法在每轮迭代中抑制所有与预选取检测框Intersection-over-Union（IoU）值大于给定阈值的检测框,容易造成目标的漏检和误检。此外,阈值的选取对整个算法的效果有着至关重要的影响。针对这个问题,本文提出了改进的NMS算法,分别为分段比例惩罚因子NMS算法和连续比例惩罚因子NMS算法。在连续比例惩罚因子NMS算法中,阈值对算法的运行效果仅有轻微的影响。方法 改进的NMS算法首先根据检测框与预选取检测框的IoU值大小计算出检测框对应的比例惩罚因子;然后将检测框置信度分数乘以比例惩罚因子,通过比例惩罚因子逐轮降低检测框的分数;最后经过多轮迭代后移除分数低于阈值的检测框。结果 基于分段比例惩罚因子NMS算法和连续比例惩罚因子NMS算法的Faster RCNN目标检测模型在PASCAL VOC 2007数据集下,Faster RCNN的检测平均精度均值（mAP）相较于传统的NMS算法分别提高了1.5%和1.6%。其中,以火车类为例,当准确率和召回率均为80%时,火车类检测的漏检率和误检率分别降低了1.8%和1.2%。与传统的NMS算法相比,本文所提出改进的NMS算法可以有效地保留目标检测框和移除目标的假正例检测框,从而降低NMS算法的漏检率和误检率。结论 在时间复杂度相同和运行效率一致的情况下,与传统的NMS算法相比,本文所提出的改进NMS算法mAP值得到了显著的提升,同时本文算法为其他目标检测模型提供了一个通用的解决方法。     

基于Lengyel方法的动态毛发模拟研究

分析各种基于Lengyel方法模拟动态毛发技术。通过忽略质点-弹簧系统中的剪应力和折叠力,并假定提供位移力的弹簧不发生伸缩,得到一种“质点-刚性杆系统”,把它引入到Lengyel方法中,结合非线性插值计算shell层偏移量的方法来控制各s