形狀可控的煙霧動畫.pdf

1、煙霧控制一直是流體仿真領(lǐng)域的重要分支之一?？煽氐臒熿F動畫在影視特效和廣告中的應(yīng)用也越來越廣泛。這種利用計算機仿真技術(shù)來制作動畫特效的方式不僅解開了現(xiàn)實對藝術(shù)家或?qū)а莸氖`，讓他們能夠發(fā)揮天馬行空的想象力，而且也為影視等娛樂產(chǎn)業(yè)節(jié)省了大量的拍攝成本，同時還能減少或者避免讓演員暴露在某些危險場景中的可能性。因為這些重要的應(yīng)用價值，煙霧控制也吸引了大量研究者的關(guān)注和投入。
　　通過詳細地分析國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，本文對煙霧控制的幾個關(guān)鍵問題

2、進行了深入的探討，并提供了系統(tǒng)的解決方案。具體來講，本文的貢獻包括以下幾個方面:
　　煙霧控制既包含路徑控制又包含形狀控制，為了能給動畫師帶來更多的便利，我們提出了一種統(tǒng)一的控制框架。該算法在同樣的計算框架下既能實現(xiàn)路徑控制，又能實現(xiàn)形狀控制，還能實現(xiàn)兩者結(jié)合的混合控制。為了實現(xiàn)這種統(tǒng)一的控制方式，我們把表示目標(biāo)路徑的空間曲線和表示目標(biāo)形狀的幾何模型轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的有向距離場，并基于這種有向距離場設(shè)計了三種控制力:路徑控制力、邊界控制

3、力、以及基于中軸點云的形狀控制力。路徑控制力能讓煙霧沿著目標(biāo)的路徑運動。邊界控制力能將煙霧限制在指定的區(qū)域內(nèi)運動。形狀控制力則能驅(qū)使煙霧形成各種各樣的目標(biāo)形狀。同時，為了提高形狀控制的精度，我們還提出了一種自適應(yīng)的散度調(diào)整策略，能夠去除仿真中多余的煙霧，從而使得結(jié)果形狀上的細節(jié)特征更加清晰。另外，我們還設(shè)計了一種混合渦旋粒子，能夠根據(jù)所處的空間位置自適應(yīng)地增強煙霧的湍流細節(jié)。實驗也證明了我們的算法要優(yōu)于有的形狀控制算法和路徑控制算法，以

4、及通過簡單修改將兩者結(jié)合起來的混合算法。
　　在制作可控的煙霧動畫時，常常需要反復(fù)調(diào)試各種參數(shù)，以得到滿意的效果。因此，一個快速有效的計算框架會給動畫師帶來很大的便利，節(jié)省動畫設(shè)計的時間。為此，我們提出了一種新穎的、針對可控?zé)熿F動畫的計算框架。在該框架下，我們采用基于離散正弦變換(DST)的泊松方程求解算法取代傳統(tǒng)的PCG求解，并改進了現(xiàn)有的渦旋粒子算法，使其在增強湍流細節(jié)的同時，還能完成流體方程中對流項的求解。實驗表明，我們的算

5、法框架能得到與傳統(tǒng)框架十分相似的結(jié)果，同時將計算速度提高了20倍以上。
　　針對形狀和路徑可控?zé)熿F動畫提出了一種過程式的湍流細節(jié)合成算法。為了在增強湍流細節(jié)的同時，避免對煙霧的控制效果造成不利的影響，我們設(shè)計了一種新穎的、隨時間和空間變化的合成參數(shù)。該合成參數(shù)由渦旋速度和控制力共同計算得到，可以有效地控制過程式生成的湍流行為。使用合成參數(shù)后，仿真結(jié)果在得到豐富的湍流細節(jié)的同時，能很好的保持控制效果不受到大尺度的噪聲帶來的不利影響。